贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕渡论文第一章绪论泡沫金属是一类新型的低密度材料，它具有颓奇的物理性能、力学性麓、热性能、电性能和光学性能。泡沫铝是一种新型功能材料，它是金属铝基体中分散着无数气泡的类似泡沫状的超轻金属材料，一般孔隙率为4 0 9 8 。1 9 4 8 年S o n i k 提出了用汞在铝中气化发泡制备泡沫铝的方法，随后E l l i o t 于1 9 5 1 年成功地制备出了泡沫锅。2 0 世纪6 0 年代美国E t h y l 公司成为研制泡沫铝的科研中心基地。1 9 9 1 年，日本九州工业金属研究所开发出泡沫锅工业化生成的工艺路线，目前已能用金属发泡法和渗流法生产大型和小型部件。直到今天，美国、日本、英国、法嚣、加拿大等国相继研制感了多项技术专利。我国对泡沫铝的制备工艺的基础研究也进行了一些探索性的工作，并取得了一定熬进展隆卯。泡沫铝以其独特的结构丽具有许多优异的性能，它不仅具有多孔材料所具有的轻质特性，还具有金属所具有的优良的力学性能和热、电等物理性能睁引，如渗透、阻尼、能量吸收、高比表面积、电磁屏蔽等性熊。现在，泡沫铝的应髑主要有：防火和吸音板、冲击能量吸收材料、建筑板、半导体气体扩散盘、热交换器、电磁屏蔽物等方面。可用予冶金、化工、航空航天、船舷、电子、汽车制造和建筑业等领域【9 - H 】，应用范围不断扩大。1 1 泡沫金属的潜在用途作为一类新型材料，泡沫金属还没被大多数科研技术入员熟悉，这种由新奇的加王技术制备，其中的许多关键技术还在发展之中。而且这种新材料还未得到充分的表征，其制备过程也未得到很好的控铡，其性能具有一定的不稳定性。但至n 嚣前这一代泡沫金属的发展情况，它已经具备了诱人的性能潜势，制备工艺过程正迅速改进。泡沫金属在轻质刚性结构方面具备了重要的使用效能改进，用于能量的高效吸收、热控制、声控制以及其他更特殊的用途。改材料可以循环利用而且无毒。上述几个性能可以同时发挥效能，这为泡沫金属应用的市场开发提供了特别的前景嘲。( 1 ) 轻质结构：当承受弯曲载衙时，表现出优异的刚比度：较高的露“3 细值和口：7 ，值。贵嬲大学2 0 0 8 届硕士研究生举渡论文( 2 ) - - 明治夹层结构芯材：泡沫金属具有低密度兼良好剪切强度和断裂强度。( 3 ) 应变隔离：泡沫金属可以通过受控压力下坍塌的方式协调应变失配。( 4 ) 机械阻尼：泡沫金属的阻尼能力可达实体金属的1 0 倍。( 5 ) 振动控制：泡沫金属的固有挠振频率高于单位面积上质量相网的实体片材。，( 6 ) 声音吸收：网状泡沫金属具有吸声能力。( 7 ) 耐高温包装：可以在恒定载荷下吸收冲击能，兼备高于室温条件1 F 的热稳定 生。( 8 ) 人造木材：泡沫金属具有某些类似于木材的特性：轻质、刚硬，并通过木质螺钉相连接。( 9 ) 生物相容性植入体：生物相容性泡沫金属( 如钛) 的多孔结构可促进细胞生长。( 1 0 ) 过滤器：具有一定孔隙尺寸的开孔泡沫体可用于高温气体和流体过滤。( 1 1 ) 电极和催化剂载体：泡沫金属的体积比表丽积高，可赋予小型电极以很高的反应表面积。( 1 2 ) 热量控制( 换热器和冰箱，火焰阻止器，热屏蔽) ：开孔泡沫具有较大的可及表面积和较高的孔壁传导性，从褫使其具备了优越的热传输麓力。泡沫金属的孔棱热导率高，加之表面积大，从而具备了使燃烧熄灭的能力。泡沫金属不会产生火焰，闭孔泡沫铝的孔穴表面氧化赋予其阻止暇火的优舞性能f l 】。1 。2 泡沫金属某些性熊指标可产生的量值( 1 ) 表征轻质镶板抗弯刚度的指标西“3 加( E 为杨氏模量，P 为密度) 。对于相同的刚度，泡沫镶板比同种实体材质的镶板要轻些。将泡沫体用作“三明治“ 夹层结构的芯材，甚至可以节省更多的重量。泡沫金属“三明治”夹层结构轻予同一刚度的层压镶板，并能承受更高的温度。它们的重量和格栅结构形强化的铝质镶板差不多，但其制造成本更为低廉。( 2 ) 表征轻质镶板抗弯强度的指标一心p ( 以为弹性极限) 。对于给定的重量，泡沫镶板的强度大于同耪实体材料的镶板，相对于常规纵目鸯嚣强肋强化结构丽言，强度限定的泡沫“三明治”夹层结构镶板和壳板可以节约重量。2贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文( 3 ) 表征泡沫金属优异的能量吸收能力的指标耐岛。该指标可权衡将材料压损至其“密实化”应变的能量吸收( 盯耐为坪应力) 。泡沫金属吸收的能量与吸能管一样多，并能从任何方向上吸收能量。( 4 ) 权衡镶板对挠性振动阻尼能力的指标r E 3 p ( 蟹为力学损耗系数) 。该指标的高量值既表明了泡沫金属的高固有挠性振动频率( 抑制听觉范围的共鸣) ，又揭示了材料分散内部能量的能力。( 5 ) 表征热波阵面( 波前) 穿透给定厚度隔热层的时间量度指标勺。该指标还表征了热循环中烘箱或炉子内隔热层的总热能损耗( 勺为比热容，A 为热导率) 。在这两种情况下都追求该指标得低值，泡沫金属具备了这一条件1 1 。 3 泡沫金属的性畿表征和测试方法r ) 结构表征泡沫金属的结构表征可通过其孔穴结构、相对密度、孔穴尺寸、孔穴形状等参量来实现。密度可由称重法检测，其余参量用显微观测法。如果先在不透骧的环氧树脂中对泡沫样品进行充分浸渍处理，露纯后再进行表面抛光，然艨利用光学显微方式进行表征和观测泡沫金属。这要求浸渍泡沫样品是含着色剂的低黏度热固性树脂，并是通过真空腔对样品脱气处理后再将树脂压入泡沫孔穴内。对于闭孔泡沫体，此步骤在粗磨后还得重复进行，因为粗磨时又打开了先期的闭孔。这样就可以观测到孔穴结构了。扫描电子显微术观测开孔泡沫体可以获得较多的信息，而闭孔泡沫体的图像往往显得模糊不清，不易获得可靠的尺寸数据和形状信息，此时采用光学显微镜较为合适l 秘。( 二 表面制各和试样尺寸泡沫金属试样可采用常规的技术进行机加工制作，如采用金刚石锯、线切割或化学蚀刻等方法进行制样，可使孔穴损坏达到最小化。带锯切割则使表面更为粗糙不平，孔穴结构造成破坏。因此检测前的制样方法非常重要。试样尺寸对孔穴尺寸的比率会影响到泡沫体的力学性能检测，在一般性的单向压缩试验中，样品的两端与加载厩板接触，丽试样的侧面是自由面。侧面孔壁的约束明显小贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文于试样块体内的孔壁，因而对刚度和强度的贡献也较少。因此杨氏模量和抗压强度的检测值随试样尺寸对孔穴尺寸的比率增大而增大。作为一个经验法则或近似计算，当试样尺寸对孔穴尺寸的比率大约大于7 时，就可以忽略边界效应了。( 三) 单向压缩实验对于高度一厚度比率超过1 5 的柱状或环状泡沫试样，都可很好的进行单向压缩测试。试样的最小尺度应至少7 倍于孑L 穴尺寸，以避免尺寸效应。压缩位移量可由滑块位移来检测，这可通过加载压板之间的外部线压位移传感器来实现。或由直接固定在试样上的应变计来检测。实际过程中，由应变计测出的杨氏模量，会比滑块位移法测出的高出5 一1 0 左右。表1 - 1 闭孔泡沫铝立方试样的单向压缩应力应变关系( 应变从0 到5 )根据以上数据作图如下：图l l a团孔泡沫铝立方试样的单向压缩应力- 应变曲线( 应变从0 到5 )图1 - 1 所示，一条泡沫铝的代表性单向压缩应力一应变曲线。从图1 1 可以看出闭孔泡沫铝立方试样的单向压缩应力应变曲线分为典型的三个阶段：线弹性阶段、脆性崩溃阶段、致密化阶段。第一个线弹性阶段( 应变6 为0 一0 0 5 ) ，在该区域，随着应力的增大应变成线性变化，直线的斜率为泡沫铝材料的表观弹性模量。直线的顶端所对应的最大应力值为材料的压缩强度。弹性变形的机理主要是孔壁发生弹性弯曲【5 引。第二个脆性崩溃阶段主要特征为在很小的应变作用下，应力大幅下降。脆性崩溃机理主要是，当泡沫铝材料受到的外力大于其压缩强度时，由于泡壁材料不像其它材料一4贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生毕业论文样发生塑性弯曲，而是在某一层泡孔发生脆性坍塌，这时的应力会突然下降到很低一个值，这点可从图1 1 看出。当所有的孔壁都被压垮后，孔壁之间相互接触，进一步的应变越来越多地由基体材料本身所提供，导致压缩应力随应变的增加而急剧增加，这就是第三个阶段：致密化阶段。曲线上的初始加载部分斜率小于卸载曲线斜率。表面应变检测显示，在应力远低于泡沫体的抗压强度时，试样内部就已存在着局部化的塑性变形，从而减小了加载曲线的斜率。因此杨氏模量的检测应该取卸载曲线的斜率，如图1 1 ，在加载应力达到抗压强度的7 5 时再进行卸载比较合适。如果只出现一个峰应力( 如图1 1 a ) 则泡沫体的抗压强度取初始峰应力；否则，抗压强度取两个斜率交叉点的峰应力( 1 1 b ) 。即初始加载曲线与平台曲线的交点应力。表l - 2 闭孔泡沫铝立方试样的单向压缩应力- 应变关系( 应变从0 到7 0 )焉盈01 5 01 4 01 2 51 3 01 3 31 4 71 6 11 5 61 7 01 8 22 1 52 3 22 6 53 4 3l 、，p馁 00 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00 3 50 4 00 4 50 5 00 5 50 6 00 6 50 7 0图1 1 b闭孔泡沫铝立方试样的单向压缩应力应变曲线( 应变从0 到7 0 )当今泡沫金属在微结构方面的改变和在孔壁性能方面的改变，也会引起所测力学性能的变化泡沫铝杨氏模量的标准偏差( 标准差) 一般为平均值的5 “ - - 3 0 ，而抗压强度的标准偏差一般为5 1 5 f 。( 四) 压痕试验和硬度测试如果想获得可重复的硬度数据，就要求压头( 球体或平头圆柱体) 的直径D 对于孔穴尺寸d 足够大( D d 7 ) 。如果泡沫板的厚度至少有两个压头的直径大，并且压痕离板缘的距离至少有一个压头的直径大，就可以避免边缘效应。因为泡沫体可压缩，故其贵州大学2 0 0 8 届硪士研究生毕业论文压痕强度略大予其单向压缩强度。相形之下，完全致密的实体材质在塑性变形过程中可保持原有的体积，其硬度对于浅雁瘦约为其屈服强度的3 倍，对于深压痕约势5 倍。泡沫体的压痕强度略大于其单向压缩强度，这是因为在撕裂压头周围的多孔体孔壁时做了功，还因为有摩擦作用，但这些作用随压头直径的增大而减小f I l 。1 4 泡沫铝的国内外研究动态( 一) 国外泡沫铝的研究动态泡沫铝经历了5 0 余年的发展历程。1 9 4 8 年，美隔科学家S o S n i k 最早提出利用汞在熔融铝中气化制备泡沫铝的想法之后，美国科学家E l l i o t 发展了这一想法，并于1 9 5 1 年成功的制造挺泡沫铝，这标志着泡沫锅研制的开始澄一4 1 。目前，欧洲、美医、日本等发达国家的相关研发活动都十分活跃，己涌现出批泡沫材料产品的公司( 如s h i l l l ( o W i r e ，C y m a t , A l u l i g y , S c h u n k ，K a r m a n ，N e u m a n - A l u f o a m 等) 。美国E l l i o t 等从1 9 5 1 年领先探索，由于种种原因，在地面、空间制备泡沫铝都未能获得好的结果。6 0 年代美国乙烷公司( E t h y l 公司) 成立了研制泡沫铝躺中心。美莺社克大学的富兰克林科克斯教授于1 9 9 1年在微重力条件下利用太阳能和氨气制造出了微孔泡沫金属【1 6 1 。1 9 9 6 年开始，美国国防部注意到广泛的高新技术应用前景，先以力学设计研究为主开展了大强度支持的结构、性能、设计基础研究。高新技术领域则关注高强度泡沫铝及应用研究，而美国陆军办公室也将具有重量轻、多方向能量吸收与耗散等性能的泡沫铝作为薪型功能材料研究和开发的重蒯1 7 1 ，美图E R G 公司用一种“D u o c e l ”方法制