泡沫金屬的制備,力學(xué)性能及其應(yīng)用

1、姓名： 學(xué)號(hào)： 一、背景 二、泡沫金屬的制備 三、泡沫金屬的力學(xué)性能 四、泡沫金屬的應(yīng)用 五、泡沫金屬“三明治”夾芯板的制備 六、總結(jié) 七、參考文獻(xiàn) 有序 蜂窩材料 點(diǎn)陣材料 無(wú)序 泡沫金屬 材料 燒結(jié)金屬 多孔材料 輕質(zhì)多孔材料輕質(zhì)多孔材料 目前已有的泡沫金屬制備方法一共有九種，分為四大類： （1）氣相發(fā)泡 （2）水溶液電沉積 （3）液態(tài)處理 （4）固態(tài)處理。 其中的一些方法可以用于生產(chǎn)開孔泡沫，另一些則用于生產(chǎn)閉孔泡沫。 1.熔體中注入氣體（閉孔）熔體中注入氣體（閉孔） 將空氣（或其他氣體）注入AL和SiC混合熔體中，由此形成的氣泡向熔體表 面漂浮、排液，然后開始凝固。通過(guò)控制氣體注入速度

2、和溫度，可以制備出不同 密度的泡沫金屬。適當(dāng)?shù)臏囟茸兓梢詫?shí)現(xiàn)密度梯度泡沫金屬的制備。 2.熔體中發(fā)泡劑分解發(fā)泡（閉孔）熔體中發(fā)泡劑分解發(fā)泡（閉孔） 首先在鋁熔體中加入金屬鈣，使熔體黏度增加；接著攪拌熔體并加入TiH2顆 粒，發(fā)泡劑迅速分解成為氫氣和鈦。發(fā)泡完成后在氫氣逃逸之前冷卻凝固即可得 到固態(tài)泡沫鋁。 此方法為間歇式生產(chǎn)工藝，成本較高；目前只有鋁合金可以通過(guò)此方式進(jìn)行 發(fā)泡。 3.半固體中發(fā)泡劑分解發(fā)泡（閉孔）半固體中發(fā)泡劑分解發(fā)泡（閉孔） 首先將發(fā)泡劑顆粒與鋁合金粉末混合在一起，并進(jìn)行冷壓實(shí)。接著將壓實(shí)的 塊坯切片，放入密封的模具中，并加熱到略高于合金固相線的溫度。這樣可以得 到與模具

3、形狀相同的泡沫體。 4.熔模鑄造（開孔）熔模鑄造（開孔） 首先選擇合乎要求的開孔聚合物泡沫體作為模具，埋入型砂，烘干硬化后去 除聚合物泡沫體就可以得到反演泡沫結(jié)構(gòu)的鑄模。接下來(lái)將熔體充入鑄模，凝固 后即可得到開孔泡沫體。 5.金屬沉積（開孔）金屬沉積（開孔） 使用開孔聚合物泡沫作為型板，將金屬沉積（化學(xué)氣相沉積、蒸發(fā)沉積或電 沉積）到型板上，再去除型板后即可得到泡沫金屬。此方法僅適用于鎳、鈦等純 金屬的沉積。 6.捕獲氣體并使其膨脹（閉孔）捕獲氣體并使其膨脹（閉孔） 將金屬粉末制備成含有均勻高壓惰性氣體孔隙的致密材料，再通過(guò)加熱使其 內(nèi)部孔隙壓力增大而發(fā)生膨脹。這種方法已經(jīng)可以用來(lái)制備金屬泡沫

4、“三明治” 夾芯板。 7. 中空金屬球中空金屬球結(jié)結(jié)構(gòu)（開孔構(gòu)（開孔+閉孔）閉孔） 制備出尺寸合乎要求的中空金屬球顆粒并進(jìn)行燒結(jié)等工藝進(jìn)行密實(shí)處理。 8.兩種材料共密實(shí)或共鑄造而其中一種材料可濾除兩種材料共密實(shí)或共鑄造而其中一種材料可濾除（開孔）（開孔） 將各自體積分?jǐn)?shù)均不低于25%的兩種粉末混合、密實(shí)，形成兩相各自連續(xù)且 相互聯(lián)結(jié)的雙聯(lián)結(jié)構(gòu)?；旌象w壓實(shí)后，在合適的溶劑中濾出其中另一種粉末。 9.氣體氣體-固體共晶凝固固體共晶凝固（閉孔）（閉孔） 先將合金熔化，加壓使氫氣在其中溶解飽和，然后定向凝固，并逐漸降低壓 力。在凝固過(guò)程中，固態(tài)金屬和氫氣通過(guò)氣相共晶反應(yīng)同時(shí)析出，形成包含氫氣 孔隙的多

5、孔材料。 不同制備方法所得泡沫金屬的空穴尺寸范圍和相對(duì)密度 1.壓縮性能壓縮性能 泡沫金屬開始被壓縮過(guò)程中，首先進(jìn)行的是一段近似彈性加載，該段近似直線段的斜率比真實(shí)的彈性 模量小，這是由于某些孔穴受到壓縮后很快發(fā)生了屈服。 初始加載之后便是平臺(tái)應(yīng)力區(qū)。這一過(guò)程中泡沫金屬持續(xù)發(fā)生壓縮變形吸能而導(dǎo)致應(yīng)力不變，平臺(tái)應(yīng)力 區(qū)與橫坐標(biāo)包圍的面積就是吸收的能量。開孔泡沫金屬的平臺(tái)應(yīng)力段比閉孔泡沫金屬更加平坦。 平臺(tái)應(yīng)力段過(guò)后是密實(shí)應(yīng)變點(diǎn)，該點(diǎn)之后，泡沫金屬完全被壓縮而應(yīng)力突然上升，失去吸能作用。 2.拉伸性能拉伸性能 泡沫金屬的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變性能不同于壓縮性能。如下圖所示為一個(gè)泡沫制品的示例，泡沫金 屬的

6、整體屈服之前，其應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率低于彈性模量，意味著很小的應(yīng)變情形之下仍然有顯著 的微塑性出現(xiàn)。超過(guò)屈服點(diǎn)之后，泡沫金屬發(fā)生硬化，直至極限拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生破壞為止。 3.阻尼能力阻尼能力 泡沫金屬的阻尼能力一般為制備其所用金屬材質(zhì)的5-10倍。雖然其耗散系數(shù)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚合 物泡沫材料，但這種金屬泡沫化后帶來(lái)的阻尼能力的提高還是可以很好地加以利用的。 4.疲勞損壞疲勞損壞 在泡沫金屬的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間和交變次數(shù)的增加而衰減。這種強(qiáng)度的衰減 主要是由于泡沫金屬的內(nèi)部裂紋的萌生和發(fā)展。在閉孔泡沫金屬內(nèi)，當(dāng)孔緣沿著某一方向彎曲變 形時(shí)，孔胞面將會(huì)經(jīng)受表層壓力作用。在泡沫結(jié)構(gòu)的交變變形中，存在

7、一定的塑性變形累積，從 而使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸衰減。 5.比剛度和比強(qiáng)度比剛度和比強(qiáng)度 金屬泡沫具有較高的比剛度和比強(qiáng)度，還可以根據(jù)材料的不同使用要求定制不同的泡沫金屬。 例如，若軸向剛度和軸向強(qiáng)度是所需性能，那么衡量指標(biāo)首先是E/，其次是/；但如果要 求考慮的是彎曲剛度和彎曲強(qiáng)度，那么合適的衡量指標(biāo)是E1/2/和e2/3/（梁）或者E1/3/和e1/2/ （夾芯板）。 作為一種新型材料，泡沫金屬尚未得到充分的表征，其制備過(guò)程也 沒有得到很好的控制，所以性能還具有一定的不穩(wěn)定性。但是隨著制備 工藝的不斷發(fā)展，泡沫金屬在輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)方面具有很廣闊的前景。 泡沫金屬在未來(lái)發(fā)展中的潛在用途舉例 應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)

8、用場(chǎng)景泡沫金屬的優(yōu)勢(shì)泡沫金屬的優(yōu)勢(shì) 三三明治夾心結(jié)構(gòu)明治夾心結(jié)構(gòu)低密度的同時(shí)兼有良好的剪切強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度 機(jī)機(jī)械阻尼械阻尼阻尼能力可達(dá)實(shí)體金屬的10倍 振振動(dòng)控制動(dòng)控制固有撓振頻率高于單位面積上質(zhì)量相同的實(shí)體片材 換換熱器熱器 開孔泡沫具有較大的比表面積和較高的孔壁傳導(dǎo)性，使其具 備了優(yōu)越的熱傳輸能力 生生物相容性植入體物相容性植入體生物相容性泡沫金屬的多孔結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng) 電屏蔽電屏蔽 良好的導(dǎo)電性，機(jī)械強(qiáng)度和低密度等特性使金屬泡沫在電屏 蔽方面具有有人的前景 催催化劑載體化劑載體體積比表面積高，可賦予小型電極以很高的反應(yīng)表面積 開孔泡沫金屬與閉孔泡沫金屬有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域 泡沫金屬“

9、三明治”夾芯板就是由金屬面板與閉孔泡沫芯材構(gòu)成的 所謂三明治結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在充分發(fā)揮泡沫金屬材料特性的同時(shí)解決了其 強(qiáng)度低的問(wèn)題，目前在汽車、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 在制備過(guò)程中，常用的泡沫金屬是泡沫鋁，泡沫鎂等，而面板可分 為金屬面板、塑料面板和木制面板。其中金屬面板主要是鍍鋅鋼板、冷 軋鋼板、不銹鋼板、鋁板。 1.粘結(jié)法粘結(jié)法 目前常見的泡沫金屬“三明治”夾芯板制備方法是使用膠將符合使用要求的各種面板和泡沫 金屬粘結(jié)而成。連接過(guò)程中夾芯板不承受外加熱循環(huán)，但連接前需進(jìn)行表面處理。粘結(jié)的效果與 膠粘劑、表面處理工藝有著密切的關(guān)系。 常用的膠粘劑有無(wú)溶劑聚氨酯單組份膠粘劑和雙組分膠粘劑、酮醛

10、雙組分膠粘劑等。 粘結(jié)法是目前人們較為關(guān)注，具有發(fā)展前景的連接方法，接縫處耐腐蝕，抗疲勞，韌性高， 可以粘結(jié)不同類型的金屬，接縫表面光滑。但是接縫處也存在強(qiáng)度低、壽命短、質(zhì)量難以保證的 問(wèn)題。 2.焊焊接法接法 目前主要使用的焊接方法有：釬焊法、縫焊法、激光焊接法等。焊接法可以使焊接件之間實(shí) 現(xiàn)不可拆卸的冶金結(jié)合，但是仍然有一些缺點(diǎn)。例如，釬焊法造成了面板的凹凸不平；縫焊接頭 的密封性和耐蝕性要求使其對(duì)缺陷的敏感性增大，故結(jié)合性有所降低等。 3.界面瞬間液相擴(kuò)散軋制連接法界面瞬間液相擴(kuò)散軋制連接法 界面瞬間液相擴(kuò)散軋制連接法是利用過(guò)渡液相(Transient Liquid PhaseTLP)連

11、接方法的原理 使板材與芯材形成良好的大面積冶金結(jié)合的方法。由于這種連接方法能夠在一定溫度、低壓力、 小變形條件下實(shí)現(xiàn)界面良好的冶金結(jié)臺(tái)，故受到普遍關(guān)注 以上三種方法均是屬于先制備芯材后連接芯材與面板的方法。接下來(lái)介紹兩種泡沫金屬“三 明治”夾芯板直接成型的方法。 4. 模模具壓制成型法具壓制成型法 此種方法首先將面板與混合鋁粉一起置入模具中進(jìn)行冷壓，再在450攝氏度下進(jìn)行一小時(shí)左 右的保溫，最后進(jìn)行熱壓，可以得到可發(fā)泡的預(yù)制體。將預(yù)制體置于發(fā)泡模具中進(jìn)行加熱即可得 到泡沫鋁“三明治”夾芯板。 這種方法限制了夾芯板成品的大小，而且生產(chǎn)流程繁瑣。 5.粉末復(fù)合軋制法粉末復(fù)合軋制法 通過(guò)面板與發(fā)泡粉

12、末的復(fù)合軋制得到可發(fā)泡的夾芯預(yù)制體，隨后將預(yù)制體放入電阻爐中加熱 至適當(dāng)?shù)臏囟?，使夾芯板的芯材呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，其中的發(fā)泡劑則可以發(fā)生分解使芯材獲得良好的 泡沫結(jié)構(gòu)。此種方法工藝簡(jiǎn)單，易于連續(xù)性生產(chǎn)，結(jié)合界面達(dá)到了冶金結(jié)合。 本文首先介紹了輕質(zhì)多孔材料的發(fā)展現(xiàn)狀，接著重點(diǎn)介紹了泡沫金 屬的研究現(xiàn)狀。其中包括泡沫金屬的不同制備工藝及力學(xué)性能。泡沫金 屬的應(yīng)用形式多種多樣，本文從中選擇了泡沫金屬“三明治”夾芯板， 介紹了的目前較為成熟的制備工藝方法。 1 倪長(zhǎng)也,金峰,盧天健. 超輕多孔材料能量吸收性能研究C/中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì), 2010: 46-47. 2 鄭華勇,吳林志,馬力,等. Kagome點(diǎn)陣夾

13、芯板的抗沖擊性能研究J. 工程力學(xué), 2007(8): 94-100. 3 蘭鳳崇,賴番結(jié),陳吉清,等. 泡沫鋁復(fù)合板材料高剛度車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究C/中國(guó)汽車工程 學(xué)會(huì): 北京理工大學(xué)出版社（Beijing Institute of Technology Press）, 2013: 74-75. 4 明如海. 閉孔泡沫鋁夾芯板抗沖擊性能研究D: 哈爾濱工程大學(xué), 2009. 5 C.y. ni Y.C.-Li-F.X.-Xin-F.-Jin-T.J.-Lu. Ballistic resistance of hybrid-cored sandwich plates Numerical and experimental assessmentJ. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2013, 46: 69-79. 6 危民喜,張軍民. 復(fù)合夾芯板的制