闭孔泡沫铝研究进展

合集下载

泡沫铝的性能研究

泡沫铝的性能研究泡沫铝是一种具有微孔结构的新型材料，它由一系列连续分布的气孔所组成，具有较低的密度、较高的比强度和较好的吸能性能。

它的应用领域非常广泛，涵盖了航空航天、汽车、建筑等多个领域。

本文将对泡沫铝的性能进行研究，分析其物理、力学和热学性能，并讨论其应用前景。

首先，泡沫铝的物理性能非常优越。

由于其具有连续分布的气孔结构，泡沫铝的密度较低，一般在0.2-0.8g/cm³之间，相比于实心金属材料显著减小。

这种低密度使得泡沫铝具有优异的浮力，使其在水中或其他液体中具有良好的浮力特性。

此外，泡沫铝还具有较好的导热性能，由于气孔结构的存在，热量传递自由度增大，使得泡沫铝具有较低的热传导系数。

其次，泡沫铝还具有良好的力学性能。

泡沫铝的亲密堆积，使得它具有较好的抗压性能和抗弯性能。

通过控制泡沫铝的孔隙率和孔径分布，可以调控其力学性能，使其在不同应力条件下具有不同的力学特性。

泡沫铝的比强度（比重与抗压强度之比）较高，使得它具有较好的吸能能力和耐用性。

这也使得泡沫铝在汽车碰撞、航空航天领域的结构件中得到广泛应用。

最后，泡沫铝的热学性能也是其研究的重要方向之一、泡沫铝的气孔结构使得其可以较好地阻挡热传导，具有较低的热传导系数。

这使得泡沫铝在热隔离和热保护领域具有广泛应用前景。

此外，泡沫铝还具有较好的吸音性能，使其在建筑领域中可以用作吸音材料。

总之，泡沫铝作为一种新型材料，具有诸多优异的性能，包括物理性能、力学性能和热学性能。

通过研究和优化其孔隙结构和孔径分布，可以调控其性能，满足不同领域的需求。

随着技术的不断发展，泡沫铝在航空航天、汽车、建筑等领域的应用前景将更加广阔。

闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析

第44卷第5期2010年5月西安交通大学学报JOU RNA L OF XI A N JIAOT ONG UN IVERSIT YVol.44 5May 2010收稿日期:2009 09 29. 作者简介:张健(1981-),男,博士生;赵桂平(联系人),女,教授,博士生导师. 基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2006CB601202);国家自然科学基金资助项目(10632060,10825210).闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析张健1,2,赵桂平1,2,卢天健1,2(1.西安交通大学航天航空学院,710049,西安; 2.西安交通大学强度与振动教育部重点实验室,710049,西安)摘要:通过对具有不同孔隙率的闭孔泡沫铝在不同应变率下的动态压缩试验和数值模拟,研究了泡沫铝的应变率敏感性.结果表明:在准静态(0 001s -1)至2500s -1的应变率范围内,具有相同孔隙率的泡沫铝的静、动态单轴压缩变形模式相似,而具有不同孔隙率的泡沫铝的压缩变形模式则存在差异,高孔隙率和低孔隙率泡沫铝的应变率敏感性明显不同;基体材料的应变率敏感性决定了泡沫铝的应变率敏感性;微惯性、波效应和孔内气体压力对泡沫铝的平台应力不产生明显影响.关键词:闭孔泡沫铝;霍普金森压杆;应变率效应中图分类号:O347 文献标志码:A 文章编号:0253 987X(2010)05 0097 05Experimental and Numerical Study on Strain Rate Effects ofClose -Celled Aluminum FoamsZH ANG Jian 1,2,ZH AO Guiping 1,2,LU T ianjian 1,2(1.Sch ool of Aerospace,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China;2.M OE Key Laboratory forStrength and Vibration ,Xi an Jiaotong Un iversity,Xi an 710049,China)Abstract :T he strain r ate effects of close -celled aluminum foams w ith different porosities w ere ex -perimentally and num er ically investigated at different strain rates.It is found that the dy namic de -form ation behavio r of aluminum foams w ith sam e po rosity is similar to their quas-i static behav io r in the strain rate rang ing from 0 001s -1to 2500s -1.T he strain rate effects of alum inum foamswith v ary ing porosities are sig nificantly different due to different deformation m odes.T he str ain rate sensitivity o f aluminum fo am s o riginates m ainly fro m that o f their matrix m aterial,w hile the effects o f micro -inertia,shock wave,and compressed air pressure in cells are neg ligible.Keywords :close -celled aluminum foam;split H opkinson pressure bar;strain rate effect 泡沫铝是集多种优良性能(高的比强度、比表面积、阻尼、冲击能量吸收、隔声、隔热和电磁屏蔽等性能)于一身的新型结构功能性材料.在承受压力时,其应力应变曲线上塑性变形阶段的应力几乎恒定不变,使大量的动能转变为应变能,因此可用作优良的撞击防护材料.鉴于泡沫铝在缓冲吸能、防爆隔振等承受动载方面的应用,研究其应变率效应显得尤为重要.但是,由于泡沫铝制备方法的多样性和动态试验技术的差异,迄今为止国内外学者对泡沫铝应变率效应的研究没有得出一致的结论.Deshpande 等[1]指出,相对密度为0 16~0 31的闭孔泡沫铝(A lulig ht)的动态试验和静态试验结果非常相似,应力平台对应变率不敏感,基体材料的应变率效应对泡沫材料性能的影响程度小于泡沫材料自身的离散性,孔内气体对泡沫铝强度的影响也可以忽略不计.但是,M ukai 等[2]随后发现,相对密度为0 106~0 155的闭孔泡沫铝(A lporas)具有明显的应变率效应,且由于孔内气体的作用,随着相对密度的减小,其应变率敏感性增加.凤仪等[3]发现,采用粉末冶金发泡法制备的泡沫铝(相对密度为0 16)存在应变率敏感性,并且指出,铝合金本身的应变率敏感性、微惯性和气体的作用导致泡沫铝具有较高的应变率敏感性.胡时胜等[4]认为,泡沫铝是应变率敏感材料,这种敏感性主要源于胞孔的变形特性、泡沫材料变形的局部化、微观惯性和致密性,致使泡沫铝材料的压缩屈服应力明显提高,但基体的应变率效应以及胞孔的形状大小并不对泡沫材料的应变率敏感性起主导作用.本文通过对具有不同孔隙率的闭孔泡沫铝在不同应变率下的分离式霍普金森动态压缩试验和有限元数值模拟,试图解释基体材料的应变率效应对泡沫铝动态力学性能的影响.1 泡沫铝的动态试验分析试验所用的闭孔泡沫铝采用粉末冶金发泡法制备,其基体材料除了A l 外,还有适量的Si 、T i 等元素.图1为不同孔隙率的闭孔泡沫铝试件.为便于比较,动态试验和静态试验所用试件采用相同尺寸,均为 35mm 10mm 圆柱体,在厚度方向保证至少5个胞元,采用电火花线切割加工试件以减少对胞孔结构的损伤.图1 不同孔隙率的闭孔泡沫铝试件泡沫铝的准静态单轴压缩试验在M TS 材料试验机上进行,高应变率单轴压缩试验采用如图2所示的分离式霍普金森压杆(SH PB)设备.基于弹性波在细长杆中传播时无畸变的特性,当输入杆中的入射脉冲到达试件界面时,一部分脉冲被反射,另一部分脉冲通过试件透射进输出杆,通过测定入射波、反射波和透射波作用在试件上所产生的应变 i (t )、 r (t )和 t (t ),可计算出材料的动态应力应变曲线.为简单起见,本文采用两波法进行数据处理[5](t)=E AA s t(t)(1) (t)=2c l 0t 0[ i(t)- t (t)]d t (2) (t)=2c l 0[ i(t)- t (t)](3)式中:c 为弹性波在杆中的波速;l 0为试件试验段的原始长度;A 和A s 分别为杆和试件的初始横截面积;E 为杆材料的弹性模量.针对泡沫铝材料,在SH PB 试验中采用了以下技术以获得有效的试验数据.根据阻抗匹配原则,压杆材料选用硬质铝合金,其实测密度为2 78g/cm 3,实测波速为5215 8m/s,弹性模量为75 6GPa,屈服强度在300M Pa 以上.撞击杆(子弹)、输入杆、输出杆和吸收杆的直径均为37m m,长度分别为600、2000、2000和800mm,可以获得较长的加载时间.为了消除弥散现象和获得相对恒定的应变率,试验中采用了脉冲整形技术.经过多次尝试,选用铅皮作为脉冲整形材料,因为铅具有质柔软、延性弱、展性强等特性,尤其是其硬度只有铝硬度的一半,试验中不会伤害到入射杆和子弹,整形效果也较好.整形后一个波大约为300 s,如图3所示.为了避免波形叠加,在入射杆的中间截面各贴2组电阻应变片,在透射杆中间截面贴1组电阻应变片和1组半导体应变片,以便记录相对密度较低时的微弱透射信号.另外,将直径40mm 的PVDF 压电传感器置于试件的前、后表面以监控试件的应力均匀性.由于压电传感器的厚度仅为50 m,可忽略其对应力波传播的影响.采用高速摄影技术(Phanton V9 0)观察泡沫铝的动态压缩变形过程,拍摄条件为:速度21052fps(6417m/s),分辨率128 240dpi(128 240点/(25 4mm )2),曝光时间44 s.试验时,试样夹在输入杆和输出杆之间,在试样的前、后表面涂上凡士林以减小摩擦.图2 分离式霍普金森压杆(SH PB)设备示意图98西安交通大学学报第44卷图3 SHP B试验的典型波形图4给出了3种孔隙率的泡沫铝在不同应变率下的单轴压缩应力应变曲线.可以看出,具有不同孔隙率的泡沫铝的应变率敏感性是不同的.例如,图4a中孔隙率为60%的泡沫铝在应变率为2200s-1时的平台应力较准静态(0 001s-1)时高出40%,图4b中孔隙率为70%的泡沫铝在应变率为1800s-1时的平台应力较准静态时高出25%,均存在较为明显的应变率效应.但是,图4c中孔隙率为79%的泡沫铝在应变率为2500s-1、900s-1和准静态时的平台应力基本重合,没有表现出应变率效应.在研究泡沫金属应变率敏感性的文献中,有关泡沫铝应变率效应产生原因的主要解释有: 微惯性; 波效应; 孔内气体压力; 基体材料的应变率效应.我们通过高速摄影,在应变率从0 001s-1至2500s-1的范围内未发现具有相同孔隙率的泡沫铝在变形模式上的差异,故不考虑微惯性效应.试件的最大压缩速度为20m/s左右,远小于考虑波效应的临界速度.此外,采用PVDF压电传感器监测试件前、后端面压力的变化,发现除孔隙率为79%的泡沫铝在压缩初始的几十微秒有些差异外,其他低孔隙率试件的整个压缩过程均可满足应力均匀性要求.孔内气体压力的问题较为复杂,但根据文献[6]的估算,孔内气体对闭孔泡沫铝压缩平台应力的贡献小于0 1M Pa,这样小的影响即使对于孔隙率为79%的泡沫铝来说,也可以忽略.所以我们认为,关于泡沫金属应变率的敏感性问题只能从基体材料的性能方面予以解释.2 泡沫铝的二维数值模拟为了进一步探讨泡沫铝基体材料的本构关系及相对密度对泡沫铝变形特性的影响,本文采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对泡沫铝的动态压缩性能进行数值模拟.根据不同孔隙率泡沫铝的胞孔形状和分布,分别建立了孔隙率为60%、70%和80%(a)孔隙率为60%(b)孔隙率为70%(c)孔隙率为79%图4 不同孔隙率泡沫铝的静动态名义应力应变曲线(试验)的泡沫铝的二维有限元模型,其中孔隙率为60%的泡沫铝的模型如图5所示.模型尺寸均为10m m 10mm,选用平面应变单元.材料的塑性本构关系选用幂硬化模型[6],表达式为dy= sy1+C1/P(4)式中: d y、 s y分别为材料的动态和静态屈服应力; 为应变率;C、P为Cow per-Sym onds应变率参数,对铝合金取C=6500s-1,P=4[7],以考虑基体材料的应变率效应,另外,假定参数C=6 5 106s-1以不考虑基体材料的应变率效应.其他材料参数如弹性模量、泊松比和密度分别取为75GPa、0 33和2 7 g/cm3,未考虑单元失效.计算时选用单面接触算99第5期张健,等:闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析法,考虑模型全部表面在整个计算中任一点都可能发生接触.试件夹在两个刚性平面之间,一刚性平面静止,另一刚性平面以恒定速率对试件进行压缩加载,摩擦因数均取为0 01.图5 泡沫铝的二维有限元模型图6为有限元计算得到的不同孔隙率泡沫铝的压缩变形图.图7是分别采用考虑和不考虑基体材料应变率效应的本构模型计算得到的泡沫铝单轴压缩应力应变曲线.计算结果表明,是否考虑基体材料的应变率效应并不会影响泡沫金属的变形模式,在应变率从准静态增加到1000s-1时,并未发现试件变形模式的差异,与试验结果吻合.(a)孔隙率60% (b)孔隙率70% (c)孔隙率80%图6 泡沫铝的二维有限元模型变形图从图7a可以发现,当考虑基体材料的应变率效应时,有限元计算结果和试验结果的趋势基本一致.当孔隙率为60%和70%时,试件破坏主要由胞孔的缩小和孔壁材料的塑性流动引起,泡沫金属继承其基体材料的应变率敏感性;当孔隙率为80%时,试件破坏主要缘于孔壁结构的屈曲和失稳,基体材料的性能得不到有效发挥,这时,泡沫金属的力学性能主要取决于孔的形状和分布,不会表现出明显的应变率效应.因此,基体材料的应变率敏感性是泡沫金属应变率敏感性的源头,如果基体材料有应变率效应,则泡沫金属的应变率敏感性随孔隙率的增大而降低.另外,从图7b可以看出,如果基体材料没有或只具有很弱的应变率效应,则相应的泡沫金属也不会表现出明显的应变率效应.(a)考虑基体应变率效应(b)未考虑基体应变率效应图7 不同孔隙率泡沫铝在不同应变率下的名义应力应变曲线(有限元计算)3 结论通过对具有不同孔隙率的闭孔泡沫铝在不同应变率下的试验和有限元模拟,发现高孔隙率和低孔隙率泡沫铝具有不同的应变率敏感性.在应变率从准静态至2500s-1的变化范围内,基体材料的应变率敏感性决定了泡沫金属的应变率敏感性,其影响程度随孔隙率的增大而降低,而微惯性、波效应和孔内气体压力对泡沫铝的应变率效应不产生明显影响.对于高孔隙率泡沫铝,在实际应用中不必考虑其应变率敏感性问题.参考文献:[1] DESH PA N DE V S,FL ECK N A.H ig h strain r atecompressive behavio r of aluminum alloy fo ams[J].Internatio nal Journal o f Impact Engineer ing,2000,24(3):277 298.[2] M U K AI T,M IY OSH I pr essiv e response of aclo sed-cell aluminum fo am at high str ain rate[J].Scripta M ater ialia,2004,54(4):533 537.[3] 凤仪,朱震刚,潘艺,等.应变速率对闭孔泡沫铝力学100西安交通大学学报第44卷性能和能量吸收性能的影响[J].材料热处理学报,2004,25(2):268 271.F ENG Yi,ZH U Zheng ang,PA N Yi,et al.Influenceof strain r ate on the mechanical pr operties and energ yabsor pt ion capacit y o f aluminum allo y fo am[J].T ransactions of M ater ials and Heat T reatment,2004,25(2):268 271.[4] 胡时胜,王悟,潘艺,等.泡沫材料的应变率效应[J].爆炸与冲击,2003,23(1):13 18.H U Shisheng,W AN G Wu,P AN Yi,et al.Strainrate effect o n the propert ies o f foam material[J].Ex plo sion and Shock W aves,2003,23(1):13 18.[5] 王礼立.应力波基础[M].2版.北京:国防工业出版社,2005:52 54.[6] M A G W,YE Z Q,SH A O Z S.M odeling lo adingr ate effect o n cr ushing str ess of metallic cellular mate-rials[J].Int ernational Journal of Impact Engineer ing,2009,36(6):775 782.[7] SU X Y,Y U T X,REID S R.I ner tia-sensit ive impactenerg y absor bing structur es:part II,effect of str ainr ate[J].I nter nat ional Journal of Impact Engineer ing,1995,16(4):673 689.(编辑葛赵青)(上接第79页)[6] BO SO D P,L EFI K M,SCH REF LER B A.A mult-ilevel ho mog enised model for superconducting st randther momechanics[J].Cr yog enics,2005,45(4):259271.[7] G EN N,K AZ U O W,T AD AH IRO A,et al.Effect oftransverse compressive stress on int ernal reinfor cedNb3Sn super conducting w ir es and coils[J].Cr yog en-ics,2005,45(10/11):653 658.[8] ZH A NG Ping x iang,LIA N G M ing,T AN G X iande,etal.St rain influence o n J c behavio r of N b3Sn multifila-mentar y str ands fabr icated by internal tin pr ocess fo rIT ER[J].P hy sica:C,2008,468(15/20):1843 1846.[9] M U L L ER H,SCH N EIDER T h.Heat tr eatment ofNb3Sn co nducto rs[J].Cry og enics,2008,48(7/8):323 330.[10]BO T T U RA L,CA L V I M,SIEM K O A.Stabilityanalysis of the LH C cables[J].Cryo genics,2006,46(7/8):481 493.[11]方进,张永,丘明.H T 7U管内电缆导体稳定性的仿真与实验研究[J].中国电机工程学报,2008,28(15):147 152.F ANG Jin,Zhang Yo ng,Q iu M ing.Simulation andexperimental study o n H T 7U cable-in-conduit co nduc-to r stability[J].Pr oceeding s of the CSEE,2008,28(15):147 152.[12]M A RT O V ET SK Y N N.St abilit y and design criter ionfor cable-in-co nduit-conductor s w it h a broad t ransitionto no rmal st ate[J].Fusion Engineering and Desig n,2005,75/79(4):215 219.[13]BO T T U RA L.Stability and pr otectio n o f CICCs:anupdate desig ner s view[J].Cryo genics,1998,38(1):491 502.[14]W A NG Q iuliang,W ENG Peide,HE M o yan.Simula-tio n of quench for the cable-in-conduit-co nducto r inH T-7U superconducting T okamak magnets using po r-ous medium model[J].Cry og enics,2004,44(2):8192.[15]蒋华伟.管内电缆导体仿真设计算法模型研究[J].中国电机工程学报,2009,29(15):125 128.JIA N G H uaw ei.Research on ar ithmetic model forcable-in-conduit co nducto r simulation and design[J].P roceedings of the CSEE,2009,29(15):125 128. [16]M AR IN U CCI C,BOT T U RA L,BRU ZZO N E P,etal.A naly sis o f the tr ansver se heat transfer co efficientsin a dual channel IT ER-ty pe cable-in-conduit conductor[J].Cr yog enics,2007,47(11/12):563 572.[17]WEN G P eide,BI Yanfang,CHEN Zhoumin,et al.H T 7U T F and P F conductor desig n[J].Cry og enics,2000,40(8/10):531 538.[18]李保增,毕延芳,吴镝,等.H T 7U PF导体设计和稳定性分析[J].低温与超导,2000,28(1):8 14.LI Baozeng,BI Yanfang,W U Di.Design o f the super-conductor and analysis of its stability for HT 7U PFcoil[J].Cr yo genics and Super Conductiv ity,2000,28(1):8 14.[19]BOT T U RA L.L imiting cur rent and stability of cable-in-co nduit co nducto rs[J].Cr yog enics,1994,34(10):787 794.[20]SU M M ER S L T,G U IN A N M W,M ILL ER J R,etal.A mo del fo r the prediction of Nb3Sn crit ical cur rentas a functio n of field,temper ature,strain,and radia-tio n damag e[J].IEEE T rans M agn,1991,27(2):2041 2044.(编辑葛赵青)101第5期张健,等:闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析。

《泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究》范文

《泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，新型材料的研究与应用在各个领域中显得尤为重要。

其中，泡沫铝合金作为一种轻质、高强度、且具备良好吸能特性的材料，在汽车、航空航天、建筑等领域有着广泛的应用前景。

本文旨在研究泡沫铝合金的动态力学性能及其吸能机理，以期为相关领域的应用提供理论依据。

二、泡沫铝合金的动态力学性能研究1. 实验材料与方法本研究采用不同密度的泡沫铝合金作为研究对象，通过动态力学测试设备进行实验。

在实验过程中，对泡沫铝合金进行不同速度的冲击，以获取其动态力学性能数据。

2. 实验结果与分析（1）应力-应变曲线分析通过对泡沫铝合金进行动态力学测试，得到其应力-应变曲线。

从曲线中可以看出，泡沫铝合金在受到冲击时，具有较高的能量吸收能力。

在低速冲击下，泡沫铝合金表现出较好的塑性和韧性；而在高速冲击下，其应力-应变曲线呈现出明显的平台效应，表明其具有较好的能量吸收性能。

（2）能量吸收性能分析通过对不同密度、不同速度下的泡沫铝合金进行动态力学测试，发现其能量吸收能力与密度和冲击速度密切相关。

在低速冲击下，密度较高的泡沫铝合金具有更好的能量吸收能力；而在高速冲击下，密度较低的泡沫铝合金则表现出更好的吸能效果。

此外，泡沫铝合金的能量吸收能力还与其内部结构、材料组成等因素有关。

三、泡沫铝合金的吸能机理研究1. 吸能机理概述泡沫铝合金的吸能机理主要与其内部结构、材料组成及冲击过程中的变形行为有关。

在受到冲击时，泡沫铝合金内部的孔洞结构能够产生较大的变形，从而吸收大量的能量。

此外，其材料组成中的合金元素也能提高其强度和韧性，进一步增强其吸能能力。

2. 吸能过程分析在低速冲击下，泡沫铝合金主要通过孔洞的压缩、剪切和屈曲等变形行为来吸收能量。

而在高速冲击下，其吸能过程则更加复杂，涉及到材料的动态响应、能量传递与耗散等多个方面。

此外，泡沫铝合金在吸能过程中还会产生一定的热效应和声发射等现象。

PCM法制备泡沫铝复合件的研究与展望

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｖｅｒｓｉｔｙｆＳｏｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴａｉｙｕａｎＳｈａｎｘｉ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）
泡沫铝是一种在铝基体中包含许多孔的新型
ｐａｎｙ，德国的ＦｒａｕｈｏｆｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅ和奥地利的Ｍｅｐｕｒａ
功能结构材料，其特殊的多孔结构决定了其具有密度低、孔隙率高、比表面积大的特性，与许多普通金属材料相比，还具有电磁屏蔽、隔热、吸能、吸音、减震等优良特性，由于其众多的优良特性，被广泛地应用于航空航天、船舶、汽车等领域。泡沫铝依据孔结构的划分可分为两种：一种是闭孔泡沫铝，其气孔互不连接，独立的分散在金属基体中；另一种是通孔泡沫铝，其气孔相互贯通，形
ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｏｒｙｏｆｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｂｏｎｄｉｎｇａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｏａｆｍｅｄ￣ｕｍｉｎｕｍｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｌｓｏ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＣＭｍｅｔｈｏｄ，ｏａｆｍｅｄａｌｕｍｉｎｕｍ，ｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｂｏｎｄｉｎｇ

泡沫金属制备技术研究进展

第22卷　第3期V ol 122　N o 13材　料　科　学　与　工　程　学　报Journal of Materials Science &Engineering总第89期Jun.2004文章编号:10042793X (2004)0320452205收稿日期:2003208225;修订日期:2003211212基金项目:云南省自然科学基金重点资助项目2000E0003Z作者简介:左孝青(1964-),男,副教授.研究方向:泡沫金属.E mail :zxqdzhhm @h 泡沫金属制备技术研究进展左孝青1,孙加林2(11昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南昆明　650093;21昆明贵金属研究所,云南昆明　650221) 【摘　要】　本文对泡沫金属制备技术研究现状进行了综述,并就其发展的前沿问题进行了讨论,指出了泡沫金属制备技术的理论研究和工业化规模生产技术的发展方向,对泡沫金属的研究和开发具有重要意义。

【关键词】　泡沫金属;制备;综述中图分类号:T B383,T B34 文献标识码:AR evie w on Foam Metal Manu facture T echniquesZU O Xiao 2qing 1,SUN Jia 2lin2(11I nstitute of Materials and Metallurgy E ngineering ,K unming U niversity of Science and T echnology ,K unming 650093,China ;21K unming Precious Metals I nstitute.K unming 650221,China)【Abstract 】　The present manu facture techniques of foamed metals are reviewed and the problems of making foamed metals arediscussed in this paper.Ideals of further research and development of theory foundation and making metal foams ,especially on a large industrial scale ,are put forward.Therefore ,this research is very significant in the production of cellular metals.【K ey w ords 】　cellular metals ;foamed metals ;manu facture ;review1　前　言泡沫金属是一种结构一功能一体化的结构和功能材料,具有低密度、高孔隙率、闭孔或开孔的结构特征,其性能表现有能量吸收、吸音、电磁屏蔽、低的热电导率、结构阻尼性能、高比刚度等,是不同结构仪器或装置的可选材料,在汽车、航空航天、建筑、包装、热交换、电池极板等领域有广泛的应用。

静态条件下闭孔泡沫铝气泡形成过程模拟研究

文章编号：００１７（０６０－０００１０－６０２０）２０７－７
静态条件下闭孑泡沫铝气泡形成过程模拟研究Ｌ
薛微微，王德庆，张进超
（大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连１６２）１０８豢
摘
要：以静态条件下闭孔泡沫铝的空气发泡过程为研究对象，在聚乙烯醇水溶液中进行模拟研究．通
ｔｎｔｒｄｃａｓｅｏｌｓｄｃｌａｕｎｍａｐｏｕｅｙａ — ａｎｕｎｌｗｔｉｐｅｉｔｏｍｚｆａｃｏｅｅｌｌｍｉｕｆｍｒｄｃｄｂｉｆｍｉｇａｍｉｕｍｅｉｏｏｆｉｏｒｏｌｍｔｈｖｒｄｔｅｆｃｏｓｏ￣ｔｇｂｂｌｄａｅｅ，ｉｓｔｓａｒｏａｒｓｕｅｏｉｃａｄｎｍｅｉａｅｔａｅｉｕｂｅｉｍｔｒｖｓｉｅ，ｗ，ｒｐｅｓｒ，ｒｎｕｂｒ — ｉｈａｒｆｃｎｏｃｉｉｆｌｉｉｆｄ
ＸＵＥＷｅ－ｉ，ｉｗｅＷＡＮＧＤｅｑｎ，Ｚ－ｉｇＨＡＮｉ－ｈｏｇＪｎｃａ
（ｃｏｌｆｔｉｓＳｉｎｅａｄＥｇｅｒｇａａｉｔｇＵｉｅｉ，ａａ０８Ｃｉ）Ｓｈｏｏｅａｃｃｎｎｉｅｎ，ＤｌＪｏｎｎｖｒｔＤｌ１６２ｈｎＭａｒｌｅｎｉｉａｏｎｓｙｉ１ｎａ
ｓｒ，ｒｃａｔｎｅｓｌｔｎｄｐ，ｄｄｃｅｓｓｗｔｅｏｉｃｓｎｍｂｒａｄｌｕｄｖｓｏ — ｕｅｏｉｅｄｍｅｒａｄｔｏｉｅｔａｅｒａｅｈｔｒｉｅｕｅｑｉｉｓｉｆｉｅｈｕｏｈｎｉｈｆｎｉｃｉ．Ｍｏｅｖｒｔｅｒｓｌｄｐｅｉｔｎｍｏｅｆａｓｅｏｅｃｓｄｃｌａｕｉｕａｗｓｖｒｅｔｙｒｏｅ，ｕｔｒｄｃｏｄｌｏｍｉｔｌｅｌｍｎｆｍａｅｆｈｅｅｉｆｏｚｆｈｏｅｌｍｏｉｄｉ

泡沫铝的动态压缩性能和吸能性研究

泡沫铝的动态压缩性能和吸能性研究*程和法1,黄笑梅1,许玲2(1.合肥工业大学安徽合肥230009; 2.安徽工程科技学院安徽芜湖241000)摘要:通过测量泡沫铝在动态和准静态压缩条件下的应力-应变曲线,研究了泡沫铝的准静态和动态压缩行为以及不同应变条件下的吸能性,并对其应变率效应进行了分析。

结果表明,在高应变速率和准静态压缩下,泡沫铝的R-E曲线均表现出弹性变形段、平缓段和密实段三阶段特征;泡沫铝的压缩性能具有明显的应变速率敏感性,随应变速率的提高,流动应力上升,吸能性升高。

关键词:泡沫铝;动态压缩;应变率效应;吸能性中图分类号:T G146121文献标识码:A文章编号:1004)244X(2003)05)0037)03泡沫铝是一种具有独特力学性能的轻质结构材料,作为夹层填充材料、冲击防护材料以及冲击波衰减材料,泡沫铝在民用、工业、航空航天及军事等方面具有广泛的应用前景。

而所有这些应用均须对泡沫铝的力学行为特别是动态压缩条件下的力学行为有深入的了解,近几年来有关泡沫铝静态与动态力学行为研究的报道逐年增多[1-3],但是能够从理论上建立力学模型来描述泡沫材料力学响应规律的还仅限于静态加载条件下[4,5]。

不同研究者对各种闭孔或开孔泡沫铝进行了动态加载实验研究,但对于这类材料的应变率效应问题得出了不尽相同甚至相互矛盾的结论[6-8]。

究其原因,不仅有所用泡沫铝的基体材料及其制备工艺的不同,而且还有结构上的差异,如孔的几何形状、孔径大小、孔结构(开孔或闭孔)等因素。

因此,不论从理论上还是从实验上对泡沫铝动态力学行为的研究还有待继续深入。

本文的目的是用渗流法制备开孔泡沫铝,并对其动态力学行为进行研究。

1实验方法与过程1.1泡沫铝的制备实验中所用泡沫铝由工业纯铝采用加压渗流法制备而成,因此具有开孔结构,这种工艺的主要过程是:用一定粒径的NaCl粒子作填料置于模具中预热至400~500e,再将过热至700~750e的铝液浇入模具中,通过施加1~4@105N/m2的压力使铝液渗入粒子的缝隙之中,凝固后通过水溶解的方法去除其中的NaCl粒子,便可得具有三维连通孔结构的开孔泡沫铝。

泡沫铝的熔体发泡法制备及其性能研究[1]

合肥工业大学硕士学位论文泡沫铝的熔体发泡法制备及其性能研究姓名：郑海务申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：凤仪2003.2.1泡沫铝的熔体发泡法制备及其性能研究摘要０ｒ泡沫锅是一种结构和功能～体化的材料√本文采用熔体发泡法，／透跫提关理论分耩帮控秘发遐滠度、搅拌隧阕、爨溢黠闻、诞节发泡裁含黧等铡铸出了孰结构蒸本可控、孔洞分布均匀的闭孔泡沫铝样品。

在此基础上，礤究了泡沫铝的动态力学性能以及导逛、导热程电磁屏蔽嚣锈莲饿髓。

使用撵普金淼压杆测试了泡沫铝试样的动态压缩性能。

实验结果表强，泡沫锤熬聪鼹强发涟着澎交率魏罐热蘧增麴；瘟交黠露钵豺瓣的成变率敏感度影响很小，但是泡沫铝的应变率敏感度不是常数，而是睫饕真应交翦璞热霭耀大，在秘榉的盛变下，夔着寂交率变铯糕度黎增大而增大：泡沫铝的能量吸收随着成变率的增加而增加并且和泡沫铝戆密度鬻关；溅沫铝憋吸能效率睫麓应变率瓣增糖略有下降。

研究了泡沫绢的导热系数耩电导鬻与箕徽结构（孔隙率、孔径）的关系，结果表明随着孔隙率的增加，泡沫铝的导热系数、电导率部降鬣，琵在魏豫率慕本耦霹条｛孛下琵径辩予泡沫锈韵静热系数与奄嚣率影响很小，可以忽略不计。

涎试了淹濠锱翡电磁孱薮效麓。

缨果表鹾，在孔径摇避时，熬麓嚣隙率的增大，泡沫铝的屏蔽效能随之下降。

幽孔隙牢相近时，随着孔径懿增大，泡沫铝静羼蔌效鼹瞧下降。

瑟蓐发见乎对泡沫镪匏爨菠效能笼影响。

美键键；泡沫锈凄态艨缩导熬系数窀露牵邀磁鬓激ＭｅａｎｓｏｆＭＦＴａｎｄＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙｔｈｅｔｈｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙＦｏａｍＡｂｓｔｒａｅｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｌｏｓｅｄ．ｃｅｌｌｆｏａｍｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｕｎｉｆｏｒｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｐｏｒｅｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｍｅｌｔｆｏａｍｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏａｍａｇｅｎｔ，ｆｏａｍｉｎｇ（ＭＦＴ）．Ｂｙｒｅｌａｔｉｖｅｔｈｅｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｔｉｒｒｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｈｏｌｄｔｉｍｅ，ｍｅａｎｓｏｆｇｅＲｉｎｇｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｈａｓｂｅｅｎｆｏｕｎｄ。

泡沫铝

一、引言现代工艺技术的发展，使得泡沫金属的制备技术日趋完善，制造成本不断降低。

以泡沫铝为代表的泡沫金属是近年来发展较快的一种新型功能结构材料。

作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特点；作为功能材料，它具有减震、吸收冲击能、耐高温、隔声、吸声[1]、隔热、不燃烧、抗腐蚀、电磁屏蔽等物理性能[2-6]。

最主要的是它可以将低密度、高刚度、冲击吸能性、低热导性、低磁导率和良好的阻尼性综合在一起[7]。

在需要综合利用这些性能的领域内，泡沫金属有着广泛的应用前景[8-9]。

泡沫铝按照基体材料的不同，可将其分为泡沫纯铝和泡沫铝合金两类。

由于泡沫铝合金同时具有纯铝和其它合金元素的性能，与泡沫纯铝相比其强度和吸能能力通常得到了提高。

常见的泡沫铝合金有泡沫铝硅合金、铝镁合金和铝铜合金。

按照孔结构的不同，可将泡沫铝分成开孔和闭孔两种[10]。

泡沫铝具有较高的压缩强度，同时具有较长的平台应力。

压缩过程中的大量能量在近似恒定的应力下被吸收[11]，从而使得泡沫铝具有很强的吸能能力。

关于泡沫铝吸能性能的研究文献很多。

Pkarash等人[12]认为泡沫铝的能量吸收能力不仅与基体材料的弹塑性有关，还与其它一些耗散过程有关，如破碎的孔壁之间的摩擦。

Beals等[13]通过对密度不均匀的Alcna 泡沫材料的测试分析，指出密度梯度是削弱泡沫材料能量吸收能力和效率的重要原因。

在传统的管式吸能装置中，采用泡沫铝作为填充物可以提高结构的刚度和吸能能力，从而改进缓冲吸能装置的性能。

国外许多文献都报道了由泡沫铝充当芯材的夹心式组合结构的静动态压缩力学行为的实验研究，国内该方面的文献比较少。

泡沫铝,是一种新型的功能材料, 其发明只有四十余年的历史。

Sosnik 在1948 年提出利用汞做发泡剂, 在液态铝合金中气化制取泡沫铝的想法。

在1956 年, Ellist根据这一想法成功地制造了泡沫铝。

20 世纪60 年代, 美国Ethy l 公司已成为研制泡沫铝的科研中心基地。

泡沫铝研究综述

泡沫铝研究综述班级:材科102班姓名：***学号：*********指导教师：***泡沫铝研究综述吴凯青岛理工大学摘要：泡沫铝是一种新型的轻质结构功能材料。

本文首先介绍在制造泡沫铝的过程中起了至关重要的作用的发泡剂。

泡沫铝中气源主要分为H2源和C02气源，氢化物发泡剂应用较为普遍；其次对泡沫铝动态压缩力学性能的实验测量技术进行了总结；另外分析总结了泡沫铝随着气孔孔径的减小，它的力学性能、电磁屏蔽效能、吸音性能的变化；最后，介绍了泡沫铝作为结构材料、功能材料及功能结构一体化材料应用的研究现状。

关键词：泡沫铝；发泡剂；力学性能；冲击荷载；小孔径Abstract:Foam aluminum is a new lightweight structure and function of materials. This paper describes the process in the manufacture of aluminum foam played a crucial role in the blowing agent. Aluminum foam in the gas source is divided into H2gas supply sources and CO2, hydrides foaming more general; followed by dynamic compression of aluminum foam mechanical properties of experimental measurement techniques are summarized; another analysis summarizes the aluminum foam with pore size decreases, its mechanical properties, changes in electromagnetic shielding performance, acoustic performance; Finally, the research status of aluminum foam as a structural material, structural and functional integration of functional materials materials applications.Keywords:Foam aluminum；Vesicant；Mechanical Properties；Impact load；Small Aperture引言泡沫铝是一种新型的轻质结构功能材料，粉末冶金法是一种制备泡沫铝的重要的方法。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

Material Sciences 材料科学, 2013, 3, 172-178 doi:10.12677/ms.2013.34032 Published Online July 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ms.html)

Research Progress for Closed-Cell Aluminum Alloy Foams

Zhen Zhang1, Zhenwu Cai1, Kaiyan Jiang1, Dahai He2, Zhengfei Hu1* 1Shanghai Key Lab for R & D and Application of Metallic Functional Material, School of Materials Science and Engineering,

Tongji University, Shanghai 2National Maglev Transportation Engineering R & D Center, Shanghai

Email: 012zhangzhen@tongji.edu.cn, *huzhengf@tongji.edu.cn

Received: Jul. 18th, 2013; revised: Jul. 19th, 2013; accepted: Jul. 25th, 2013

Copyright © 2013 Zhen Zhang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre-stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract: Closed-cell foam aluminum is a new type of structural and functional materials. It has extensive application because of its special porosity structure and properties. In this paper, the main preparation methods for closed-cell foam aluminum and their latest progress are described. The mechanical properties of foam aluminums fabricated by different methods are compared, and the physical properties such as the insulating heat and reducing noise as well as the correla-tion between structure and performance are introduced as well. Finally, the limitations of current fabrication methods and technological development direction are discussed.

Keywords: Closed-Cell Foam Aluminum; Preparation; Mechanical Properties; Physical Properties

闭孔泡沫铝研究进展

张振1，蔡振武1，蒋凯雁1，何大海2，胡正飞1* 1同济大学材料科学与工程学院，上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海

2国家磁悬浮交通工程技术研究中心，上海

Email: 012zhangzhen@tongji.edu.cn, *huzhengf@tongji.edu.cn

收稿日期：2013年6月18日；修回日期：2013年6月19日；录用日期：2013年6月25日

摘要：闭孔泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料，其特殊的多孔结构和性能，使其具有广泛的应用前景。本文叙述了目前生产闭孔泡沫铝的主要方法及其研究进展，比较了这些方法制备的闭孔泡沫铝材料的力学性能和隔热降噪等物理性能，以及性能和组织结构的相关性，并简单论述了闭孔泡沫铝制备技术的局限性及发展方向。

关键词：闭孔泡沫铝；制备；力学性能；物理性能

1. 引言闭孔泡沫铝是由孔隙(也称为气室)和铝制隔膜(胞壁)组成的结构，兼有结构材料和功能材料的双重特点。闭孔泡沫铝的力学、声学等性能和使用可行性都取决于其内部组织结构，而组织结构受到制备工艺的影响。作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特

点[1,2]；作为功能材料，它同时具备吸声、隔声、隔热、

阻燃、减震、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能[3,4]。

因此，它在高技术领域及一般工业领域都受到越来越广泛的重视。目前，闭孔泡沫铝的制备技术主要有熔体发泡法、吹气法、粉末冶金法和空心球料法，而其中最常用的是熔体发泡法和吹气法。 *通讯作者。

等发泡剂，然后加热使发泡剂分解放出气体，气体的

膨胀使铝合金成泡沫状，然后冷却即得到泡沫铝成品，发泡过程如图1所示。孔的结构及空隙率与金属液的粘度和泡沫化的时间有关，控制熔化过程中金属液的粘度及泡沫化的时间，可以控制孔隙率及孔的结构[5-7]。该方法的优点是效率高、成本低、易于规模化

生产。缺点是孔洞相互独立、大小及分布不均，受重力影响在垂直方向上存在密度梯度，同时发泡剂成本较昂贵且工艺较复杂。熔体发泡法适合制造块体，之后可加工成各种形式，如板材等，主要产品为日本的神钢钢线公司Shikno Wire生产的Alporas泡沫铝。熔体发泡法的主要控制因素包括：合金种类和熔化过热温度，增粘剂和发泡剂品质、加入量、加入温度以及混合搅拌工艺，发泡搅拌时间以及保温时间，冷却凝固速度和方式[8]。发泡剂作为关键所在，发泡

效率低，很难控制其反应释气过程，进而无法控制整个发泡工艺。 A. R. Kennedy[9]采用加热氧化处理法对TiH2粉末

进行加热处理，使其表面生成一层TiO2膜，从而使其

初始释氢温度提高到495℃，但释氢效率仍然不高。V. Gergely[10]在铝金属熔体中加入3.5%的CaCO3作为

发泡剂，在室温下冷却制备泡沫前驱体，其分解温度相比传统发泡剂滞后约100℃，但CaCO3分解所产生

的CaO在铝液中不能较好地润湿[11]，暴露在空气中容

易吸水而潮解，产物腐蚀铝基金属，进而影响它在泡沫铝生产中的使用。方吉祥，赵康等[12]采用Al2O3包

覆TiH2粉末技术制得Al2O3/TiH2发泡剂，此方法起到

了有效阻氢释放的效果，推迟开始释氢时间达60~100 s，但增加了生产工艺环节与难度。严富学，赵康等[13]采用混合稀土氢化工艺制得混合稀土氢化物REHx，以取代传统的TiH2发泡剂，其初始释氢温度达到450℃，延缓了气体释放速率，同时还可以增强泡沫铝的抗压强度。目前，国内外最先进的缓释技术可使TiH2初始释氢温度提高到600~630℃℃，700℃时初始释氢时间推增粘混入TiH2 保温发泡凝固 Figure 1. Technological process of foaming method 图1. 发泡剂法制备泡沫铝工艺流程迟30~60 s，整体释氢时间延长达180 s左右。如能大幅提高以上技术指标，将给熔体发泡法制备工艺提供更充裕的操作时间，有利于发泡剂的充分均匀混合，生产出结构完整、性能稳定、成本低廉的大规格泡沫铝。因此，开发高效低成本发泡剂成为提高熔体发泡法工艺技术的主要途径。 2.2. 吹气法吹气法是向熔融的金属熔体内吹入气体而使金属熔体发泡，制备过程如图2所示。其技术关键是熔体应具有合适的粘度，金属的成分应保证足够宽的发泡温度区间，所形成的泡沫应具有足够的稳定性，以保证泡沫在随后的收集和成型过程中不破碎。此法最大的优点是工艺简单、效率高、成本低廉，适合工业化连续生产，但难以控制孔洞的大小与分布，所生产的泡沫铝一般含有大孔且密度不均匀，孔径和密度在重力方向上具有明显的梯度，同时工艺再现性很差，耗能和污染较大。吹气法主要用于生产板材(连铸)，主要厂商有加拿大的Cmyat和Alcan以及挪威的Hydro Aluminium等。用吹气法制备泡沫铝的影响因素有增粘剂的种类和含量、发泡温度、气体流量、搅拌器结构、搅拌速度等[15]。同熔体发泡法相比，吹气法不需要外加发泡剂，但增粘剂的加入量要远远大于前者，因此吹气发泡工艺中应力图寻找新型增粘剂，使之满足能与熔体发生化学反应，产生粒度较小、含量较少的第二相起增黏作用，同时降低熔体表面张力，以实现低第二相含量条件下的泡沫铝吹气发泡连续制备。罗洪杰等[16]分别采用Ca、Mg合金元素作为增粘剂，利用其所生成的分散于熔体中的固相化合物来使熔体粘度增大，但从泡孔结构上看，Ca增粘制备的泡沫铝比Mg增粘制得的泡沫铝具有更加规则的结构，因而更加适合于实际使用。魏鹏和柳林[17]采用Al粉

作为增粘剂制备泡沫铝，由于Al粉与基体金属密度