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金屬多孔材料壓縮行為探討
目前金屬多孔材料的身份和地位已經(jīng)不再是作為簡單的工能性材料存在，下面是小編搜集整理的一篇探究金屬多孔材料壓縮行為的論文范文，歡迎閱讀查看。
【摘 要】 本文在借鑒并參考國內(nèi)、外最新研究成果的基礎(chǔ)上著重探討、分析了金屬多孔材料的壓縮性能，以及壓縮性能與金屬多孔材料性質(zhì)之間的關(guān)系，并對金屬多孔材料壓縮過程中的能量吸收性質(zhì)做出了論述。
【關(guān)鍵詞】 金屬多孔材料 壓縮行為 能量吸收性質(zhì)
作為一種新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料，金屬多孔材料具有一系列其它材料不可比擬的特點和優(yōu)點。金屬多孔材料所具備的滲透性強、過濾與分離性良好、密度低、能量吸收力強、高溫抵抗力強、抗沖擊能力強、吸聲性能良好、比表面積大等優(yōu)點，使之逐漸成為了目前世界材料研究與創(chuàng)新領(lǐng)域的焦點和熱點。
目前金屬多孔材料的身份和地位已經(jīng)不再是作為簡單的工能性材料存在，而是成為新型功能材料與新型結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合體。要想對金屬多孔材料的力學(xué)性能展開研究，就不能不提到金屬多孔材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)——壓縮性能。在實際金屬多孔材料的應(yīng)用與理論研究中，壓縮性能是一個不可或缺的關(guān)鍵指標，不容忽視。金屬多孔材料基本上包括三大種類——泡沫金屬多孔材料、粉末金屬多孔材料和金屬纖維多孔材料。國內(nèi)、國外材料應(yīng)用領(lǐng)域?qū)饘俣嗫撞牧系膲嚎s性能、壓縮性能與多空金屬材料性質(zhì)之間的關(guān)系、壓縮過程中金屬多孔材料的能量吸收性質(zhì)的研究主要針對的也是上述三大金屬多孔材料種類。
1 認識金屬多孔材料的壓縮過程及壓縮變化
金屬多孔材料的壓縮應(yīng)力——應(yīng)變曲線包括三個環(huán)節(jié)：(一)線彈性區(qū)，(二)屈服平臺區(qū)，(三)致密化區(qū)。金屬多孔材料發(fā)生壓縮變化時，在其整個壓縮過程中會表現(xiàn)出比一般聚合物多孔材料更為優(yōu)質(zhì)、更為明顯的能量吸收能力和抗擊打能力。在金屬多孔材料中的壓縮過程中，決定其能量吸收能力和抗擊打能力的分別是屈服平臺區(qū)的面積和線彈性區(qū)面積。假設(shè)材質(zhì)相同的話，屈服平臺區(qū)面積越大，金屬多孔材料的的相對密度也會加大，而相對密度的增加又提升了材料的壓縮應(yīng)力，因此，金屬多孔材料的能量吸收能力也會隨之變大。同時，線彈性區(qū)面積的增加也會提升金屬多空材料的相對密度，進而增強材料的抗擊打和抗沖擊能力。
2 分別研究三大金屬多孔材料的壓縮性能
對金屬多孔材料壓縮性能的研究基本上涉及——泡沫金屬多孔材料、粉末金屬多孔材料和金屬纖維多孔材料這三大種類。下面，我們將分別就每一類金屬多孔材料的壓縮性能展開具體論述。
2.1 泡沫金屬多孔材料的壓縮性能研究
在泡沫金屬多孔材料的壓縮性能研究中，研究成果最豐富的是對泡沫鋁壓縮性能的研究。從上文中我們已經(jīng)得知，金屬多孔材料的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線包括三個環(huán)節(jié)：線彈性區(qū)、屈服平臺區(qū)和致密化區(qū)，并且金屬多孔材料的能量吸收能力和抗擊打能力均與材料表現(xiàn)出來的相對密度有關(guān)。在對以泡沫鋁為代表的泡沫金屬多孔材料進行壓縮性能研究時，發(fā)現(xiàn)不管是在靜止壓縮狀態(tài)下，還是在運動壓縮狀態(tài)下，事先經(jīng)過熔浸工藝處理的泡沫鋁的壓縮強度和彈性模量在受材料相對密度制約的同時，還明顯的受到單元胞尺寸大小的影響。除此之外，還發(fā)現(xiàn)一個關(guān)鍵點，那就是泡沫的應(yīng)變能力很強，對應(yīng)變速率表現(xiàn)出比其他材料更為強烈的警惕性和敏感性。
作為一種新型的，集功能性與結(jié)構(gòu)性于一體的金屬多孔材料，復(fù)合泡沫材料與泡沫金屬多孔材料的壓縮性能和力學(xué)性能變化態(tài)勢是完全一致的。以SiCp/AlSi9Mg復(fù)合泡沫材料為案例進行實驗分析的話，我們發(fā)現(xiàn)當材料的應(yīng)變速率出現(xiàn)遞增變化時，SiCp/AlSi9Mg復(fù)合泡沫材料的屈服強度也表現(xiàn)出遞增變化的趨勢。也就是說，在SiCp/AlSi9Mg復(fù)合泡沫材料的壓縮過程中，應(yīng)變速率越大，屈服度越強。
計算機應(yīng)用技術(shù)和計算機模型技術(shù)，可以對金屬多孔材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗方案制定提供技術(shù)指導(dǎo)。我們要想充分客觀的了解金屬多孔材料孔外壁的泡沫拓撲學(xué)和粘彈性質(zhì)以及泡沫鋁縱向和橫向的塑性破壞應(yīng)力，就必須要借助于泡沫的粘彈性動態(tài)模型的建立和研究。通過建立泡沫的粘彈性動態(tài)模型，進一步建立起泡沫壓縮應(yīng)變模型，有助于我們在擺脫泡沫孔直徑、外觀外貌等因素制約的前提下，客觀探討常規(guī)滲透性與許用應(yīng)變之間的聯(lián)系。
Zn—22Al多孔材料是采用熔體發(fā)泡工藝制備的，其中對Zn和22Al的壓縮性能能夠產(chǎn)生重大作用的是氧化鋁短纖維。Zn—22Al多孔材料延展性能較之其它材料更為優(yōu)越，其多孔材料的相對密度大小在很大程度上決定了其壓縮屈服強度的大小。上文中我們提到所有金屬多孔材料的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線包括三個環(huán)節(jié)：(一)線彈性區(qū)、(二)屈服平臺區(qū)、(三)致密化區(qū)，Zn——22Al多孔材料同樣也是如此。所制備多孔材料的塑性破壞應(yīng)力與相對密度之間呈正比例相關(guān)關(guān)系，即相對密度變大，所制備多孔材料的塑性破壞應(yīng)力也隨之變大。
金屬多孔材料雖然具有滲透性強、過濾與分離性良好、密度低、能量吸收力強等優(yōu)點，并借助這些優(yōu)點成功吸引了目前世界材料研究與創(chuàng)新領(lǐng)域的青睞和關(guān)注。但是，也并非因此就可以說金屬多孔材料是完美無瑕的。金屬多孔材料在實際應(yīng)用中存在小孔外壁龜裂、破碎、小孔外形外貌不均勻、小孔排列位置不規(guī)整等一系列結(jié)構(gòu)和外形上的缺陷。在一定環(huán)境下，這些結(jié)構(gòu)上的缺陷會嚴重制約金屬多孔材料壓縮性能的正常發(fā)揮。鑒于此，金屬多孔材料壓縮性能提升的一個關(guān)鍵途徑就是創(chuàng)新材料制備技術(shù)，減少材料的結(jié)構(gòu)和外形缺陷。在高應(yīng)變速率下，泡沫鋁合金的壓縮行為更為激烈。由此我們可知，憑借強烈的應(yīng)變速率感知力，在運動應(yīng)變壓縮過程中，平臺區(qū)應(yīng)力產(chǎn)生了應(yīng)變硬化。
泡沫Al—Mg合金是通過累積疊軋焊工藝制成的。在泡沫Al—Mg合金的壓縮行為變化過程中我們得出的一個重要結(jié)論是：金屬多孔材料的壓縮性能會很大程度上受到不同加載軸的影響和制約。各向異性的破壞行由外形特征各不相同的各向異性單元胞導(dǎo)致。與其它加載方向上的屈服應(yīng)力相比，由于泡沫Al—Mg合金是通過累積疊軋焊工藝制成的，所以其法線方向上的屈服應(yīng)力要明顯小得多。很大程度上能夠影響甚至某些情況下決定閉孔泡沫鋁壓縮性能的是金屬多孔材料的密度和測試溫度，在破壞行為和破壞機制中起關(guān)鍵作用的是作用在單元胞上的屈服載荷。 在泡沫鋁動態(tài)壓縮過程中，能夠?qū)ζ鋲嚎s性能產(chǎn)生影響的因素主要有三種：第一、塑性破壞，第二、平臺區(qū)的應(yīng)力，第三、進入致密化區(qū)的應(yīng)變。同時，這三大因素也是金屬多孔材料的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線和動態(tài)脈沖力的最重要指標，相關(guān)單元模型的受力方向和加載速率則在相當大的程度上決定了動態(tài)響應(yīng)。即便是處在運動的沖擊、阻抗狀態(tài)下，處在Z軸上的密度梯度試樣照樣能夠產(chǎn)生強烈的、塑性指數(shù)較高的破壞載荷。除此之外，借助壓縮性能試驗和泡沫鋁的模量數(shù)據(jù)分析、對比，我們在對閉孔泡沫鋁的模量進行描述時，可以利用幾個經(jīng)驗公式。在泡沫鋁單軸壓縮的壓縮行為過程中，壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線的工程應(yīng)變指數(shù)可達到0.9。作為密度的函數(shù)，屈服應(yīng)力的大小則在很大程度要受泡沫鋁材料相對密度的影響和控制。采用熔體發(fā)泡工藝制備的純泡沫鋁與采用累積疊軋焊工藝制備的泡沫Al—Mg合金相比，在理論模型的建立和壓縮試驗結(jié)果的匹配上表現(xiàn)出更優(yōu)質(zhì)的吻合性。
泡沫鋁平臺區(qū)應(yīng)力與材料的相對密度以及抗擊打能力和能量吸收能力呈正比例關(guān)系。既泡沫鋁的相對密度變大，平臺區(qū)應(yīng)力也變大;平臺區(qū)應(yīng)力變大，則泡沫鋁的抗擊打能力和能量吸收能力都會逐漸變大。
2.2 粉末金屬多孔材料的壓縮性能研究
不管是泡沫金屬多孔材料，還是粉末金屬多孔材料還是下文中將要提到的的金屬纖維多孔材料，它們在壓縮行為實驗中都表現(xiàn)出相同的壓縮模型。與存在小孔外壁龜裂、破碎、小孔外形外貌不均勻、小孔排列位置不規(guī)整等一系列結(jié)構(gòu)、外形上的缺陷的泡沫金屬多孔材料和雜亂無章的金屬多孔材料相比，采用高溫燒結(jié)工藝制備而成的粉末金屬多孔材料，再加入造孔劑后制出的材料孔型孔貌均可受到控制。
利用粉末冶金技術(shù)，填料則選取碳酸鈉顆粒，制備孔隙度在0.778 -0.82之間的多孔鈀，把應(yīng)變速率控制在0.001-0.1范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)多孔鈀的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線的彈性區(qū)面積相對較小。然后進入面積狹長、外形傾斜的平臺屈服區(qū)，在18兆帕斯卡及18兆帕以下時，多孔鈀進入致密化區(qū)。多孔鈀平均致密化應(yīng)變約0.5，對應(yīng)變速率和相對密度，屈服強度則表現(xiàn)出強烈的敏感性。
由于孔隙度為0.2-0.5的燒結(jié)多孔銅的壓縮性能主要受到孔的數(shù)量和孔的形狀、形態(tài)的影響，所以低孔隙度試樣中的壓縮性能與高孔隙度試樣中的壓縮性能差異性很大。燒結(jié)多孔銅的磨損率很大程度上取決于孔隙度、試驗應(yīng)力和滑動速度等因素，而其中對燒結(jié)多孔銅的磨損率影響最為突出的則是孔隙度和試驗應(yīng)力。
采用粒度在45微米以下的銅粉末和聚甲基丙烯酸甲酯作為造孔劑，制備形狀、尺寸、數(shù)量、大小都可以人為控制的低孔隙度燒結(jié)多孔銅。制成的的多孔銅的孔隙度范圍為在0.05～0.5范圍內(nèi)移動，孔徑則在200微米～500微米范圍之間，粒度在45微米以下的粉末，制備多孔銅的孔結(jié)構(gòu)多為開孔;粒度在15微米之下的粉末，制備的多孔銅的孔結(jié)構(gòu)除了大多是是開孔外，還存在極少數(shù)量的閉孔。綜上可知，制備多孔材料時更為適宜的材料是粒度在45微米之下的銅粉末。粒度在45微米之下的銅粉末制成的多孔材料表現(xiàn)出如下的力學(xué)性能：孔隙度逐漸增加，多孔材料的相對彈性模量呈現(xiàn)出降低變化的態(tài)勢;屈服強度與孔隙度呈線性相關(guān)關(guān)系。
相對密度約大約為0.3的鈦鋯合金多孔材料是采用粉末冶金方法制備而成。鈦鋯合金多孔材料中的交錯多孔結(jié)構(gòu)與自然骨非常相似，除此之外，小孔結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)性能也都與自然骨表現(xiàn)出明顯的接近性。鈦鋯合金多孔材料的小孔直徑在200—500之間，其壓縮平臺應(yīng)力為78.4帕，其彈性模量為15.3吉帕。
2.3 金屬纖維多孔材料的壓縮性能研究
金屬纖維多孔材料的壓縮行為和上文中提到的泡沫金屬多孔材料的壓縮行為之間存在很多共性。與孔壁不規(guī)整、不均勻的泡沫金屬多孔材料不同的是，金屬纖維多孔材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，可以憑借金屬纖維絲徑將材料孔壁的直徑控制成為相等的數(shù)值。所以，金屬纖維多孔材料的壓縮性能、能量吸收能力都比孔壁不均勻的泡沫金屬多孔材料更為強大。
多孔鋼絲網(wǎng)在壓縮行為的變化過程中，也具有一定程度的彈塑性。當多孔鋼絲網(wǎng)的在0.3390時，其屈服強度為46.9帕，其彈性模量為1.42吉帕;當多孔鋼絲網(wǎng)的增加為0.5627時，其屈服強度降低為14.8帕，其彈性模量降低為0.42吉帕�？梢�，孔隙度與多孔鋼絲網(wǎng)屈服強度和彈性模量之間的變化趨勢呈反比例相關(guān)關(guān)系，即屈服強度和彈性模量會隨著材料空隙度的變大而降低。
3 分析影響金屬多孔材料壓縮性能的主要因素
從計算機模型的建立和實踐數(shù)據(jù)分析可知，對金屬多孔材料的壓縮性能能夠產(chǎn)生作用和影響的包括以下幾種：材料的相對密度、單元胞尺寸、孔隙度、應(yīng)變速率、燒結(jié)工藝、材料結(jié)構(gòu)缺陷、溫度、孔型貌、制備工藝、熱處理工藝等等。受所制備的金屬多孔材料材質(zhì)、性能、本身結(jié)構(gòu)等影響，同樣的制約因素并不會對壓縮性能產(chǎn)生相同的影響。金屬多孔材料的壓縮機制與致密金屬的壓縮機制差異性格外明顯，尤其是材質(zhì)不同、材料制備方法不同，金屬多孔材料的性能也不同。
對金屬多孔材料壓縮性能產(chǎn)生影響的一個非常關(guān)鍵的因素是熱處理工藝。鍛造鋁合金AA606l經(jīng)過熱處理后，與熱處理之前相比，其壓縮性能和壓縮強度能夠提高將近80%;采用定向凝固法制備的藕狀多孔純銅的壓縮性能存在明顯各向異性，與采用其它方法制備的金屬多孔材料進行對比，采用定向凝固法制備的金屬多孔材料壓縮屈服應(yīng)力更為明顯。
縱觀國內(nèi)外材料學(xué)研究領(lǐng)域，研究時間最早、理論體系最成熟、研究成果最豐富的當屬對泡沫鋁靜態(tài)壓縮性能和動態(tài)壓縮性能研究。盡管泡沫鋁在壓縮過程中呈現(xiàn)出優(yōu)越性極強的壓縮應(yīng)力和能量吸收能力，但其屈服應(yīng)力卻不是很高。因此，相對較低的屈服應(yīng)力成為制約泡沫鋁在材料應(yīng)用領(lǐng)域大展手腳的瓶頸所在。
4 金屬多孔材料壓縮性能研究中存在的不足
由于金屬多孔材料所具備的滲透性強、過濾與分離性良好、密度低、能量吸收力強、高溫抵抗力強、抗沖擊能力強、吸聲性能良好、比表面積大等優(yōu)點，與材料的壓縮性能密切相關(guān)，且金屬多孔材料的身份已向功能材料與結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合體方向上轉(zhuǎn)變。因此，研究金屬多孔材料壓縮性能成為研究材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。然而，在研究金屬多孔材料壓縮過程中還存一些問題需要我們解決。泡沫鋁在靜態(tài)壓縮過程中和在動態(tài)壓縮過程中，壓縮應(yīng)力普遍不高，成為限制泡沫鋁在工業(yè)領(lǐng)域大展手腳的限制因素，而目前大多數(shù)的金屬多孔材料都是以泡沫鋁為材料制成的，這無疑限制了金屬多孔材料的廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用時，可采取熱處理工藝提高其壓縮強度和壓縮性能。另外，還存在一個亟待研究、解決的問題就是目前國內(nèi)外對金屬多孔材料壓縮性能的研究主要還停留在單軸壓縮方面上，缺少對金屬多孔材料多軸壓縮性能的深入研究，需要我們進一步探索。
5 結(jié)語
金屬材料的實際應(yīng)用范圍在日漸擴大，材料領(lǐng)域?qū)饘俨牧系墓δ苄砸笠苍絹碓礁�，對金屬材料力學(xué)性能的研究也越來越廣泛。金屬多孔材料壓縮性能的研究還存在巨大的開發(fā)空間，值得我們?yōu)橹畡?chuàng)新、探索。
參考文獻：
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[2]王倩等.多孔CuAlMn形狀記憶合金的制備及其壓縮特性[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012.
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