泡沫金屬制備,力學性能及其應用

1、姓名：學號：一、背景二、泡沫金屬的制備三、泡沫金屬的力學性能四、泡沫金屬的應用五、泡沫金屬“三明治”夾芯板的制備六、總結七、參考文獻有序蜂窩材料點陣材料無序泡沫金屬材料燒結金屬多孔材料輕質多孔材料輕質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開孔泡沫，另一些則用于生產閉孔泡沫。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。通過控制氣體注入速度和溫度，可以制備出不同密度的泡沫金屬。適當?shù)臏囟茸?/p>

2、化可以實現(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工藝，成本較高；目前只有鋁合金可以通過此方式進行發(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，并進行冷壓實。接著將壓實的塊坯切片，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

3、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構的鑄模。接下來將熔體充入鑄模，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，再通過加熱使其內部孔隙壓力增大而發(fā)生膨脹。這種方法已經(jīng)可以用來制備金屬泡沫“三明治”夾芯板。7. 中空金屬球中空金屬球結結構（開孔構（開孔+閉孔）閉孔） 制

4、備出尺寸合乎要求的中空金屬球顆粒并進行燒結等工藝進行密實處理。8.兩種材料共密實或共鑄造而其中一種材料可濾除兩種材料共密實或共鑄造而其中一種材料可濾除（開孔）（開孔） 將各自體積分數(shù)均不低于25%的兩種粉末混合、密實，形成兩相各自連續(xù)且相互聯(lián)結的雙聯(lián)結構。混合體壓實后，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。在凝固過程中，固態(tài)金屬和氫氣通過氣相共晶反應同時析出，形成包含氫氣孔隙的多孔材料。不同制備方法所得泡沫金屬的空穴尺寸范圍和相對密度1.壓縮性能壓縮性能 泡沫金屬開始被壓縮

5、過程中，首先進行的是一段近似彈性加載，該段近似直線段的斜率比真實的彈性模量小，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應力區(qū)。這一過程中泡沫金屬持續(xù)發(fā)生壓縮變形吸能而導致應力不變，平臺應力區(qū)與橫坐標包圍的面積就是吸收的能量。開孔泡沫金屬的平臺應力段比閉孔泡沫金屬更加平坦。 平臺應力段過后是密實應變點，該點之后，泡沫金屬完全被壓縮而應力突然上升，失去吸能作用。2.拉伸性能拉伸性能 泡沫金屬的拉伸應力-應變性能不同于壓縮性能。如下圖所示為一個泡沫制品的示例，泡沫金屬的整體屈服之前，其應力應變曲線斜率低于彈性模量，意味著很小的應變情形之下仍然有顯著的微塑性出現(xiàn)。超過屈服點之后

6、，泡沫金屬發(fā)生硬化，直至極限拉伸強度產生破壞為止。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的5-10倍。雖然其耗散系數(shù)仍遠遠低于聚合物泡沫材料，但這種金屬泡沫化后帶來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 在泡沫金屬的結構應用中，結構的強度會隨時間和交變次數(shù)的增加而衰減。這種強度的衰減主要是由于泡沫金屬的內部裂紋的萌生和發(fā)展。在閉孔泡沫金屬內，當孔緣沿著某一方向彎曲變形時，孔胞面將會經(jīng)受表層壓力作用。在泡沫結構的交變變形中，存在一定的塑性變形累積，從而使結構強度逐漸衰減。5.比剛度和比強度比剛度和比強度 金屬泡沫具有較高的比剛度和比強度，還可以根

7、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度是所需性能，那么衡量指標首先是E/，其次是/；但如果要求考慮的是彎曲剛度和彎曲強度，那么合適的衡量指標是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，泡沫金屬在輕質剛性結構方面具有很廣闊的前景。泡沫金屬在未來發(fā)展中的潛在用途舉例應用場景應用場景泡沫金屬的優(yōu)勢泡沫金屬的優(yōu)勢三三明治夾心結構明治夾心結構低密度的同時兼有良好的剪切強度和斷裂強度機機械阻尼械阻尼阻尼能力可達實體金

8、屬的10倍振振動控制動控制固有撓振頻率高于單位面積上質量相同的實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構可以促進細胞的生長電屏蔽電屏蔽良好的導電性，機械強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表面積開孔泡沫金屬與閉孔泡沫金屬有著不同的應用領域 泡沫金屬“三明治”夾芯板就是由金屬面板與閉孔泡沫芯材構成的所謂三明治結構。該結構在充分發(fā)揮泡沫金屬材料特性的同時解決了其強度低的問題，目前在汽車、航天等領域有著廣泛的應用

9、。 在制備過程中，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.粘結法粘結法 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而成。連接過程中夾芯板不承受外加熱循環(huán)，但連接前需進行表面處理。粘結的效果與膠粘劑、表面處理工藝有著密切的關系。 常用的膠粘劑有無溶劑聚氨酯單組份膠粘劑和雙組分膠粘劑、酮醛雙組分膠粘劑等。 粘結法是目前人們較為關注，具有發(fā)展前景的連接方法，接縫處耐腐蝕，抗疲勞，韌性高，可以粘結不同類型的金屬，接縫表面光滑。但是接縫處也存在強度低、壽命短、質量難

10、以保證的問題。 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現(xiàn)不可拆卸的冶金結合，但是仍然有一些缺點。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缺陷的敏感性增大，故結合性有所降低等。 3.界面瞬間液相擴散軋制連接法界面瞬間液相擴散軋制連接法 界面瞬間液相擴散軋制連接法是利用過渡液相(Transient Liquid PhaseTLP)連接方法的原理使板材與芯材形成良好的大面積冶金結合的方法。由于這種連接方法能夠在一定溫度、低壓力、小變形條件下實現(xiàn)界面良好的冶金結臺，故受到普遍關注 以上三種方法均是屬于先制備芯材后連

11、接芯材與面板的方法。接下來介紹兩種泡沫金屬“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行冷壓，再在450攝氏度下進行一小時左右的保溫，最后進行熱壓，可以得到可發(fā)泡的預制體。將預制體置于發(fā)泡模具中進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，而且生產流程繁瑣。 5.粉末復合軋制法粉末復合軋制法 通過面板與發(fā)泡粉末的復合軋制得到可發(fā)泡的夾芯預制體，隨后將預制體放入電阻爐中加熱至適當?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構。此種方法工藝簡單，易于連續(xù)性生產，

12、結合界面達到了冶金結合。 本文首先介紹了輕質多孔材料的發(fā)展現(xiàn)狀，接著重點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性能。泡沫金屬的應用形式多種多樣，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 倪長也,金峰,盧天健. 超輕多孔材料能量吸收性能研究C/中國力學學會, 2010: 46-47.2 鄭華勇,吳林志,馬力,等. Kagome點陣夾芯板的抗沖擊性能研究J. 工程力學, 2007(8): 94-100.3 蘭鳳崇,賴番結,陳吉清,等. 泡沫鋁復合板材料高剛度車身結構的基礎研究C/中國汽車工程學會: 北京理工大學出版社（Beijing I

13、nstitute 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, 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. 復合夾芯板的制造簡