金属多孔材料压缩行为的评述
第３９卷２０１０年第３期３月稀有金属材料与工程ＲＡＩｔＥＭＥＴＡＬＭＡＴＥＲＩＡＩ，ＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ、，０１．３９．Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ２０１０
金属多孔材料压缩行为的评述
乔吉超１，＿，奚正平２，汤慧萍２，王建永２，朱纪磊２（１．西北工业大学，陕西西安７ｌ００７２）（２．西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室，陕西西安７ｌｏｏｌ６）
摘要：主要对金属多孔材料的压缩性能进行分析，并着重介绍了最近几年该领域国内外的最新研究进展。讨论压缩性能对金属多孔材料性质的影响，强调金属多孔材料压缩过程中的能量吸收性质，最后给出了金属多孔材料压缩性能中存在的不足。关键词：金属多孔材料；压缩性能；能量吸收；功能材料；结构材料中图法分类号：ＴＦｌ２５；ＴＢ３８３文献标识码：Ａ文章编号：１００２一１８５ｘ（２０ｌＯ）０３－０５６１．０４
金属多孔材料是一种新型结构材料和功能材料，它具有渗透性好、密度低，抗高温、比表面积大、抗冲击能力强等优点，成为当今材料领域内研究的热点之一【１＿１１１。随着金属材料应用范围的日益扩大，金属多孔材料由单纯的功能材料向功能结构一体化的方向发展，其力学性能的研究也越来越备受关注。在金属多孔材料力学性能研究中，压缩性能是力学性能研究的基础之一，金属多孔材料的压缩性能是金属多孔材料应用的一个重要参数。金属多孔材料的研究主要集中在粉末金属多孔材料、泡沫金属多孔材料和金属纤维多孔材料这３个方面，本文主要介绍国内外近年来这３大类金属多孔材料压缩性能及其能量吸收特性的最新研究进展。
１金属多孔材料的压缩过程
金属多孔材料的压缩应力．应变曲线通常由３个阶段组成：线弹性区、屈服平台区和致密化区【５】。金属多孔材料在压缩过程中所表现出来的一个重要性质就是其具有良好能量吸收能力，它与聚合物多孔材料相比，具有更高的强度和能量吸收能力。图１为金属多孔材料典型的压缩应力．应变曲线。从图中可看出，金属多孔材料在压缩过程中能量吸收能力取决于压缩应力．应变曲线下平台屈服区的面积。金属多孔材料抗冲击能力取决于线弹性区下的面积。根据图１中金属多孔材料的应力．应变曲线，吸收ｂ
皇∞
图１金属多孔材料的压缩应力．应变曲线Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎｃｕ“ｅｏｆｐｏｒｏｕｓｍｅｔａｌ【５１
能可由面积积分来确定，即：
形＝ｆ础
式中，形代表吸收的能量，￡ｍ为给定的应变，硝应力，它是应变ｓ的函数。在材质相同的情况下，金属多孔材料吸收能随着相对密度增大而增大。这主要是因为随着相对密度的增大，其压缩应力不断增大，因此，压缩压力一应变曲线下面积也不断增大，Ｇｉｂｓｏｎ和Ａｓｈｂｙ给出了理论分析【２】：
垒：ｃ『，衅（２）％ＬＡ／
式中，唧ｌ为平台区应力，毋。为制备金属多孔材料所
收稿日期：２００９．１１．２３基金项目：国家‘‘９７３’’资助项目（２００６ｃＢ６０１２０ｌＢ）作者简介：乔吉超，男，１９８０年生，博士生，西北工业大学材料科学与工程学院，陕西西安７１００７２，电话：０２９．８６２３１０９５，Ｅ．ｍｉｌ
ｑｊｃｚｙ＠ｈｏ仰ａｉｌ．咖；通讯作者：奚正平，博士，教授，博士生导师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｍｔ．蹦＠ｃｍｉｎ．ｃｏｍ
万方数据·５６２·稀有金属材料与工程第３９卷
用实体材料的屈服应力，ｐ’为金属多孔材料的密度，成为制备金属多孔材料所用实体材料的密度，Ｃ为由试验决定的常数，ｐ‘饥即为金属多孔材料的相对密度。
２泡沫金属多孔材料的压缩性能
泡沫金属是金属多孔材料的一个重要分支，对其压缩性能研究较为成熟的是泡沫铝。所有的金属多孔材料在压缩过程中均表现出线弹性区、平台屈服区和致密化区３个区域。通过对采用熔浸工艺制备的泡沫铝在准静态和动态下的压缩性能分析［１２１，可知在这两种压缩状态下，泡沫铝弹性模量和压缩强度不仅与相对密度有关，而且与单元胞的尺寸有关，另外，泡沫铝对应变速率很敏感。相对密度和孔形貌对泡沫金属材料的压缩性能有着较为显著的影响［”】。研究中发现，超过一定应变速率范围后，多孔材料屈服强度和能量吸收对应变速率不敏感，其相对应力和相对密度的关系符合Ｇｉｂｓｏｎ．Ａｓｈｂｖ理论，而对于泡沫铝而言，相对密度是影响其压缩性能的最重要变量，力学性能与单元胞尺寸的关系并不明显，单元胞形貌对冲击能量吸收能力的影响也不显著。复合泡沫材料是一种新型的金属多孔材料，其压缩力学性能变化趋势和泡沫多孔材料完全相同。以ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ９Ｍｇ复合泡沫材料为例【１４】，其屈服强度随着应变速率增加而增加。在压缩过程中，在高应变速率下发生应变强化。与Ａｌ和泡沫铝相比，ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ９Ｍｇ复合泡沫材料对应变速率更加敏感，在较高速率下，ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ９Ｍｇ复合泡沫材料的屈服应力随着ＳｉＣ颗粒体积分数的增大而增大。借助本构模型和计算机模拟技术，可以指导金属多孔材料的结构设计和简化试验方案。通过研究泡沫的粘弹性动态模型，可清楚表述孔壁的泡沫拓扑学和粘弹性质【１５】，而且，还可以清晰地描述泡沫铝纵向和横向的塑性破坏应力【１６】。依据推导出的泡沫压缩应变模型，可研究许用应变与常规渗透性之间的关系，且该模型不受泡沫孔径等因素的影响【１７】。根据泡沫在【００ｌ】，【０１１１和【１１１】作用下单轴压缩的弹性应力模型，可得出横断面面积的非均匀性是影响开孔泡沫屈服行为的一个重要因素【ｌ引。采用熔体发泡工艺制备的Ｚｎ。２２Ａｌ多孔材料中，Ａ１２０３短纤维对ｚｎ．２２Ａｌ压缩性能有着显著的影响【１９】。这种多孔材料具有较好的延展性，压缩屈服强度在很大程度上依赖于多孔材料的相对密度。ｚｎ一２２Ａｌ压缩应力·应变曲线表现出与所有金属多孔材料相同的变形区域：线弹性区、屈服平台区和致密化区域。所制备多孔材料的塑性破坏应力随着相对密度增大而增大，相对塑性破坏应力与相对密度Ｇｉｂｓｏｎ．Ａｓｈｂｙ模型吻合【２们。金属多孔材料中存在着一些结构缺陷，诸如孔壁的破裂和起皱，孔形貌的不规则等，这些因素在一定程度上影响着金属多孔材料的压缩性能。结构缺陷也同样显著降低闭孔泡沫铝的弹性模量和力学性能。因此，通过改进制备工艺，减少结构缺陷来提高多孔材料的压缩性能【２Ｉ】。从泡沫铝合金在高应变速率下的压缩行为可以看出，平台区应力对应变速率很敏感，在动态应变压缩过程中，发生了应变硬化【２２】。在采用累积叠轧焊工艺制备的泡沫Ａｌ—Ｍｇ合金中【２３】，发现不同加载轴对金属多孔材料压缩性能有影响。由于各向异性单元胞的形貌不同导致各向异性的破坏行为，在法线方向上届服应力比其它加载方向上小，这主要是由累积叠轧焊工艺引起的，ＡＬＰＯＲＡＳ的压缩性能很大程度上依赖于材料的密度和测试温度，作用单元胞上屈服载荷在破坏机制中起主导作用阱】。影响泡沫铝动态压缩性能的因素主要有：塑性破坏、平台区的应力和进入致密化区的应变，是名义应力一应变曲线和动态脉冲力的关键参数，动态响应在很大程度上依赖于相关单元模型的受力方向和加载速率【２５１。动态冲击条件下，在Ｚ轴上的密度梯度试样通常具有较高塑性破坏载荷。此外，泡沫铝的模量，通过试验和分析对比，可以由几个经验公式较好地描述闭孔泡沫铝的模量【２６１。对泡沫铝单轴压缩，压缩过程中应力．应变曲线工程应变可达９０％，屈服应力是密度的函数，在很大程度上依赖于泡沫铝的密度【２７１。采用熔体发泡工艺制备的纯泡沫铝，其压缩试验结果和理论模型吻合得较好㈣。随着泡沫铝相对密度增大，其平台区应力也逐渐增大，随着应力增大，其能量吸收能力也逐渐增大。ＳｏｎｇＺｈｅｎｌｕｎ等报道了压缩能量吸收与不同相对密度试样应变函数关系，分别讨论了泡沫铝在压缩过程中３个阶段能量吸收与应变的关系【２９１。
３粉末金属多孑Ｌ材料的压缩性能
粉末金属多孔材料的压缩性能与泡沫多孔材料和金属纤维多孔材料相同都遵循Ｇｉｂｓｏｎ—Ａｓｈｂｙ的经典理论压缩模型。粉末金属多孔材料大多采用高温烧结工艺制备［３０，３１ｌ，相对很多孔形貌杂乱无章的金属多孔材料，加入造孔剂可制备出孔形貌可控的粉末金属多孔材料。采用粉末冶金工艺，以Ｎａ２Ｃ０３颗粒为填料，制备孔隙度为７７．８％～８２．０％的多孔钯【３们，在应变速率为
１０一～１０ＪｓＪ的范围内多孔钯的压缩应力．应变曲线的弹
万方数据第３期乔吉超等：金属多孔材料压缩行为的评述·５６３·性区较短，然后进入一个长而倾斜的平台屈服区，多孔钯在１８ＭＰａ以下就进入致密化区，多孔钯平均致密化应变约５０％，屈服强度对应变速率和相对密度很敏感。孔隙度为２０％一５０％的烧结多孔铜【３１】，低孔隙度试样和高孔隙度试样的压缩性能不同，这主要是因为孔数量和形状对多孔铜的压缩性能有显著影响。表现在孔隙度、试验应力和滑动速度等对烧结多孔铜的磨损率影响显著，尤其是孔隙度和试验应力。采用粒度为５和＜４５ｐｍ的铜粉末，以聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）为造孔剂，制备孔尺寸与形状分布可控的低孔隙度烧结多孔铜。所制备的多孔铜的孔隙度范围为５％～５０％，孔径范围为２００～５００肛ｍ，采用粒度＜４５¨ｍ的粉末，制备多孔铜的孔结构为开孔和极少量闭孔；而采用粒度１５岬的粉末，制备的多孔铜的孔结构为开孔和少量闭孔。因此，粒度＜４５ｕｍ的粉末作为制备多孔材料的原材料更为适合。其力学性能表现为：屈服强度与孔隙度呈线性关系，随着孔隙度的增大，其相对弹性模量降低【３２，３３１。采用粉末冶金方法制备相对密度约３０％的Ｔｉｚｒ多孔材料，该材料表现出与自然骨相仿的交错多孔结构，孔径分布介于２００～５００ｐｍ。Ｔｉｚｒ多孔材料的压缩平台应力和弹性模量分别为７８．４ＭＰａ和１５．３ＧＰａ，孔结构和力学性能与自然骨都非常接近【３４１。
４金属纤维多孔材料的压缩性能
金属纤维多孔材料的压缩行为和泡沫金属的压缩性能表现出很多相似性，但是，在材料的内部结构中，金属纤维多孔材料的孔壁是可控制的，根据采用的金属纤维丝径，可以使金属纤维多孔材料的孔壁为等径，而泡沫金属的孔壁大多是非均匀的，这样在压缩性能以及吸收能上表现得更加明显。烧结工艺对金属纤维多孔材料的压缩性能影响也很明显。采用冶金工艺制备孔隙度为３３．９０％一５６．２７％，孔径为２５。１３００Ｌｌｍ的多孔钢丝网的压缩性能【３５】，表现在：烧结温度越高、保温时间越长、所得到多孔材料孔结构越好，金属丝之间结点越粗糙，孔隙度越小。在压缩过程中，钢丝网表现出与其它多孔材料一样的弹．塑性行为。随着孔隙度增大，多孔钢丝网屈服强度和弹性模量降低。当孔隙度从３３．９０％增加到５６．２７％时，其屈服强度从４６．９ＭＰａ降低到１４．８ＭＰａ，其弹性模量从１．４２ＧＰａ降低到Ｏ．４２ＧＰａ。从以上分析中可以看出，所制备金属多孔材料的压缩屈服应力都相对较低。针对金属多孔材料这一性质，西北有色金属研究院开展了金属纤维多孔材料力学性能的研究工作，其静态压缩性能表明，制备的金属纤维多孔材料具有较高压缩屈服应力和优良能量吸收能力‘３６１。在孔隙度基本相同时，金属纤维多孔材料的力学性能是泡沫铝的８—１０倍【３７，３引。
５影响金属多孑Ｌ材料压缩性能的因素
无论从实验角度，还是从计算的角度来分析，影响金属多孔材料压缩性能的主要因素有相对密度（孑乙隙度）…、单元胞尺寸【２４１、应变速率‘３们、烧结工艺【２３】和热处理工艺【３５Ｊ等。有些因素对压缩行为的影响并不完全一致，这主要与所制备的金属多孔材料材质、制备方法等紧密相关。材质和制备方法对金属多孔材料性能本身的影响很显著，金属多孔材料压缩机制与致密金属的压缩机制有较大差别【３９＇４０１。除制备工艺外，热处理工艺对金属多孔材料力学性能影响也很明显。如对锻造铝合金从６０６ｌ压缩性能，热处理后的压缩强度比未处理的高６０％～７５％【４¨。采用定向凝固法制备的藕状多孔纯铜棒【４２】压缩性能表明，藕状金属多孔铜压缩性能存在明显各向异性。将采用定向凝固法制备的金属多孔材料与其它方法制备的金属多孔材料进行对比，发现采用定向凝固法制备的金属多孔材料具有较高压缩屈服应力ｆ４３—７１。综合国内外研究现状，现阶段对泡沫铝静态压缩和动态压缩的研究较为透彻，泡沫铝具有较好压缩应力和优良能量吸收能力。但是，泡沫铝在压缩过程中所表现出来的屈服应力比较低，这在很大程度上限制其在相关工业领域的应用。所以，越来越多的科研工作者在研究其它金属多孔材料方面傲了大量工作【４８．５２１。
孔隙度对烧结不锈钢纤维多孔材料剪切性能的影响
王建永等：孔隙度对烧结不锈钢纤维多孔材料剪切性能的影响 孑Ｌ隙度对烧结不锈钢纤维多子Ｌ材料剪切性能的影响 王建永，汤慧萍，朱纪磊，乔吉超，奚正平，臧纯勇，敖庆波，李 程 （西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室，陕西西安７１００１６） 摘要： 将丝径为１００／ｚｍ的不锈钢纤维松装于烧舟 中，经１１５０。Ｃ／２ｈ真空烧结和后续加工制备了具有孔 隙度范围在７Ｏ ～９５ 之间的金属纤维多孔板材。 在ＭＴＳ８５８材料试验机上检测了多孔板材的准静态 剪切性能，重点研究了孔隙度对剪切性能的影响。结 果表明，面内剪切应力一应变曲线大致分为３个阶段： 应变很低情况下的线性弹性阶段、塑性变形区和应力 破坏阶段；随着孔隙度的增加，不锈钢纤维多孔材料的 剪切模量、屈服强度减小。 关键词： 金属纤维多孔材料；剪切性能；孔隙度；屈服 强度；超轻多孔金属 中图分类号：ＴＢ３８３：ＴＦ１２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—９７３１ｆ２０１０）增刊３－０５６５—０３ １ 引 言 金属多孔材料由于其独特的性能，诸如质量轻、比 强度高、比表面积大、透过性能好、孔径可控，广泛用于 过滤与分离、传质传热、吸声消音、阻尼抗震、防撞吸 能、超轻结构件等口。 ，目前，金属多孔材料正在向着 多功能化、结构功能一体化的方向发展口＿３ｌ，其力学性 能成为当今材料的研究热点之一＿１。 。金属多孔材料 的压缩性能口 ］，拉伸性能［２ 研究相对较多，也较为 成熟。然而，金属多孔材料在很多应用的场合下受到 剪切外力的作用，例如，滑雪板起到缓冲作用的金属多 孔材料等，金属多孔材料剪切性能是其力学性能一个 非常重要的组成部分。目前，研究多孔金属材料剪切 性能的文献较少，对于烧结金属纤维多孔材料剪切性 的研究还没有看到相关的报道。本文就孔隙度对烧结 不锈钢纤维多孔材料的压缩性能的影响进行研究。利 用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对金属纤维多孔材料的孔结 构和剪切断口形貌进行了表征。 ２ 实验方法 ２．１ 金属纤维多孔材料的制备 采用南阳军龙公司提供的切削纤维为原料，丝径 为１００／￣ｍ，材质为４１０不锈钢。将切削纤维剪切成 ６０ｒａｍ长，采用手工开松纤维束成杂乱无章状态，随后 将金属纤维装入烧舟进行松装烧结，烧结工艺为： １１５０℃／２ｈ。烧舟为盒子状，底部尺寸规格为１５０ｍｍ ×１５０ｍｍ，多孔材料的孔隙度是通过调节装舟量和控 制烧结板材的厚度来获得的。每个试件采用重量法计 算孔隙度，计算公式如下： Ｐ＝１＿一 （１） 式中，Ｐ为多孔材料的孔隙度，／９＂／为试样质量；Ｖ 为试样体积 为多孔体对应致密固体材料的密度。 ２．２ 多孔材料的剪切试样 所制备的烧结金属纤维的多孔板材样品尺寸为 １５０ｍｍｘ １５０ｍｍ×１０ｒａｍ（长ｚ ｘ宽Ｙ×厚度 ），图１ 标注了板材的面内方向和厚度方向。由于对于烧结金 属纤维多孔材料（乃至整个多孔金属材料）剪切性能的 研究刚刚开展，目前还没有统一的检测标准。本文借 鉴致密材料的剪切方法，采用线切割机在板材上取尺 寸为１２０ｒａｍ×２０ｍｍ×１０ｍｒｎ（面内长ｚ×面内宽Ｙ× 厚度ｚ）的长条状剪切性能测试试件。在上、下面（ｘｙ 面）采用金属粘接剂粘接到剪切夹具上，在侧面观察试 件的剪切变形情况。在检测试样的过程中采用压缩剪 切实验。检测夹具是特殊设计的，保证纤维多孔材料 受到真实的剪切力的作用。采用ＭＴＳ８５８ ２５ＫＮ拉扭 试验机测试静态室温压缩性能，加载速率为０．００３ｒａｍ／ ｓ，剪切试件加载方向多孔板材的面内方向（ｘｙ面）。 在应变值较小的弹性变形阶段通过卸载的方法检测弹 性模量。 ／ ／ｘ ．，／ 图１ 烧结金属纤维多孔板试件取样方向 Ｆｉｇ １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｏｒｏｕｓ ｐｌａｔｅ ３烧结纤维多孔材料剪切行为分析 图２是典型的烧结金属纤维多孔板剪切应力一应 变曲线。整个曲线可以分成３个部分：（１）弹性阶段。 在应力较小的情况下，烧结纤维多孔体呈现整体刚性， 纤维组成的空间孔结构骨架发生微细变形。若去除外 力，金属多孔材料将回复到其原始的状态；（２）塑性变 ＊基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２ＯＯ６ｃＢ６Ｏ１２ｏ１Ｂ）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）重点资助 项目（２００９ＡＡ０３２６０１） 收到初稿日期：２０１０—０９—０７ 收到修改稿日期：２０１０—１０—２５ 通讯作者：汤慧萍 作者简介：王建永（１９７３），男，陕西韩城人，高级工程师，硕士，从事金属多孑Ｌ材料的制备及性能研究。
泡沫铝的单向压缩行为及其吸能性
第５８卷第４期 ２ ０ ０ ６年１ １月 有 色 金 属
，Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ ＶｏＩ．５８．Ｎｏ．４ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２ ０ ０ ６
泡沫铝的单向压缩行为及其吸能性
曹晓卿 ，杨桂通ｂ
（太原理工大学 ａ．材料科学与工程学院ｂ．应用力学研究所，太原０３００２４）
摘 要：在ＳＵＮＳ电子万能材料试验机上对国产工业用泡沫铝材料进行准静态单向压缩试验，分析试件尺寸、材料相对密度 及泡孔尺寸对材料静态压缩性能及吸能性能的影响。结果表明，在准静态条件下，泡沫铝泡孔孔径越大，弹性模量与塑性模量越 小、屈服强度越大，但当相对密度超过３２％后，塑性压垮强度却因泡孔孔径增大而降低，弹性模量在相对密度约为３０％时出现拐 点。孔径大吸能效率高。试件高度减小，压缩应力一应变曲线中的塑性平台长度缩短，且当试件高度小于１０ｒａｍ时，塑性压垮强 度明显提高。理想吸能效率最大值随试件高度增加而提高。泡沫铝微结构中的微缺陷引起材料压缩性能的降低。 关键词：金属材料；泡沫铝；单向压缩；准静态；应力一应变；吸能效率 中图分类号：ＴＧ１４６．２１； ＦＧｌｌ３．２５；ＴＢ３８３ 文献标识码：Ａ文章编号：１００１—０２１１（２００６）０４—０００９—０６
多孔金属材料既具有一般多孔材料所具有的轻
质等特性，又具有优良的机械性能和热、电等物理性
能，并且比聚合物泡沫更易于再生，扩大了多孔材料
的应用范围。近年来，新工艺的发展使得泡沫金属
的质量大有好转，而且新材料的应用条件也改变了
很多，人们对泡沫金属尤其是泡沫铝合金的发展开
始感兴趣ｌｌ Ｊ。作为结构材料，泡沫金属的机械性
能主要取决于其密度和基体金属的性能，如密度高
的或基体强度高的泡沫金属压缩强度就高。作为功
能材料，泡沫金属具有吸声、过滤、隔热、阻燃、减振、
阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等各种物理性能。因
此，国际上不少研究机构把泡沫金属作为２１世纪新
材料研究的重点，同时，孔洞材料力学在国际力学界
缓冲材料力学性能的测试方法研究
缓冲材料力学性能的测试方法研究
摘 要
缓冲材料一直伴随着人类社会的进步而在不断地发展着，从以前的碎纸屑、木屑、泡沫塑料发展到现在的很多绿色的缓冲包装材料，比如有蜂窝纸板、玉米秸秆缓冲材料、瓦楞纸板、纸浆模塑制品、珍珠棉以及发泡聚乙烯缓冲材料等，这些新型环保缓冲材料的出现，大大促进了包装工业的发展。
为了能在日常生活中更好的利用缓冲包装材料，所以对缓冲材料力学性能的测试是非常必要的。本文介绍了缓冲材料的主要力学性能包括：压缩性能、拉伸性能、弯曲性能、剪切性能、缓冲性能等，并对各力学性能的测试方法进行了对比分析，尤其是对正交试验、曲线拟合法、计算机仿真设计以及数字相关测量方法等等进行了详细地介绍，为现代缓冲包装材料的开发和研究提出了新的方向。
关键词：缓冲材料，力学性能，测试方法研究
BUFFER MATERIAL MECHANICS PERFORMANCE
TESTING METHOD
ABSTRACT
Buffer material has been accompanied by the progress of human society and
developing, and from the previous paper, broken wood, foam development of many
green until now, for instance a cushion packaging material of honeycomb paperboard,
corn straw cushioning material, corrugated, paper pulp molding products, pearl cotton
and foaming polyethylene buffer material, these new environmental buffer material
高分子填充泡沫铝合金的压缩力学行为
第５９卷第４期 ２ ０ ０ ７年１ １月 有 色 金 属 Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｖｏ１．５９．ＮＯ．４ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２ ０ ０ ７
高分予填充泡沫铝合金的压缩 力学行为
许 玲 ，黄笑梅 ，张 章 ，胡孔刚 ，程和法
（１、安徽工程科技学院，安徽芜湖 ２４１ ０００； ２、合肥工业大学专｝辫科学与二翟学院，合肥 ２３０００９）
摘 要：用加压渗流法制备开孔泡沫铝及泡沫ＺＬ１０２，通过向其中填充硅橡胶的方法制备填充硅橡胶泡沫铝合金，并进行准 静态和动态压缩实验，研究填充硅橡胶对泡沫铝合金压缩力学行为的影；定。结果表明，在静态压缩条件下，填充硅橡胶使塑性泡 沫纯铝压缩变形的塑性平台区大幅度延长，因而能有效地改善其吸能性。而对于脆性的泡沫ＺＬ１０２合金，填充硅橡胶反而使其失 去泡沫金属所特有的变形特征，而呈现出致密材料的特征。在动态压缩条件下，填充硅橡胶能更有效地改善脆性泡沫铝的吸能 性，使其应力一应交的平台区延长、且更加平缓。 关键词：金属材料；泡沫铝合金；压缩力学性能；硅橡胶
中图分类号：ＴＧ１４６．２１；ＴＢ３８３；ＴＧ １１３．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｉ００１—０２１１（２００７）０４—００１６—０４
泡沫铝是一种新型的多孔轻质结构材料，具有
良好的力学性能和优异的吸能性 １ 。由于在轻
质结构材料和吸能材料上的重要的应用前景，泡沫
铝的力学性能一直是力学与材料科学研究者所关注
的热点课题之一。随着对泡沫铝材料研究的不断深
入，正在寻求进一步改善和提高泡沫铝性能的方法
和途径，如通过对基体材料的合金化，对泡孔结构的
优化等。近来的研究表明，通过改变泡沫铝的孔隙
中所含介质的性能可以显著影响其力学行为和阻尼
性能，如填充硅橡胶后，泡沫铝的变形和损伤的形
式、吸能特性及力学性能均发生较大的改变 』。在
一定程度上可以将泡沫铝看作是一种铝或铝合金与
空气的复合材料 Ｊ，而目前，在研究泡沫铝的力
纳米多孔金的硬度尺寸效应
纳米多孔金的硬度尺寸效应1)
闫雷雷* 王飞 * 卢天健 *,2)
*（西安交通大学强度与振动教育部重点实验室，西安710049）
摘要：具有纳米尺度孔径的多孔金以其高孔隙率，高抗蚀性及良好的生物化学相容性等特性，在许多领域具有宽
广的应用前景。此外，纳米多孔金以其均匀的孔隙分布，可调的孔径及孔棱尺尺寸，已成为微纳米孔径材料力学
性能研究首选材料。针对其相关力学性能的研究将是提高此类多孔材料服役寿命及服役可靠性的重要前提。但传
统的Gibson-Ashby模型一般都应用于孔径及孔棱尺寸为毫米或亚毫米级(孔径大于100微
米)的多孔材料。当多孔材料的孔径降低到亚微尺度甚至纳米尺度时，迫切需要开展对G-A模型的有效性及可能
出现的新表征参量的研究。本文采用脱合金腐蚀法制备多孔金块体材料，并通过后期热处理得到孔棱尺寸为几十
纳米到几百纳米的纳米多孔金。在通过扫描电镜获取纳米多孔金的相对密度及孔隙几何结构的基础上，采用纳米
压痕技术及显微硬度仪研究了纳米多孔金的硬度随孔棱尺寸及相对密度的变化规律及相应的尺寸效应。 nssC)/(*1ρρσσ=
关键词：纳米多孔金，硬度，孔棱，尺寸效应
0 引 言
脱合金法是指利用金属活泼性的差异将一种或多种金属从合金中选择性去除的方法，近年来
被广泛地应用于微纳米孔径多孔材料的制备[1, 2]。其中，采用脱合金成分腐蚀法制备纳米多孔金
是脱合金法最为重要的应用之一。纳米多孔金具有高孔隙率、高抗腐蚀性及良好的生物化学相容
性，使得其在催化剂[3]，燃料电池电极[4]，传感器[5, 6]等方面具有巨大的潜在应用价值。最初
针对纳米多孔金的研究主要集中在其制备机理方面，近几年则更多的侧重于纳米多孔金力学性能
的研究。
Gibson和Ashby创建的一系列多孔材料分析研究模型和相关理论[7]多年来一直是该领域的
经典文献。但这些模型和理论仅适用于宏孔材料，并未考虑当孔棱或孔径减小到亚微米甚至纳米
尺度时可能出现的尺寸效应。如孔棱尺度为100nm的纳米多孔金其孔棱强度可达到接近金理论屈
(吸能效率)泡沫铝的单向压缩行为及其吸能性
泡沫铝的单向压缩行为及其吸能性
曹晓卿a,杨桂通b
(太原理工大学 a1材料科学与工程学院b1应用力学研究所,太原 030024)
摘 要:在SUNS电子万能材料试验机上对国产工业用泡沫铝材料进行准静态单向压缩试验,分析试件尺寸、材料相对密度及泡孔尺寸对材料静态压缩性能及吸能性能的影响。结果表明,在准静态条件下,泡沫铝泡孔孔径越大,弹性模量与塑性模量越小、屈服强度越大,但当相对密度超过32%后,塑性压垮强度却因泡孔孔径增大而降低,弹性模量在相对密度约为30%时出现拐点。孔径大吸能效率高。试件高度减小,压缩应力-应变曲线中的塑性平台长度缩短,且当试件高度小于10mm时,塑性压垮强度明显提高。理想吸能效率最大值随试件高度增加而提高。泡沫铝微结构中的微缺陷引起材料压缩性能的降低。关键词:金属材料;泡沫铝;单向压缩;准静态;应力-应变;吸能效率中图分类号:TG146121;TG113125;TB383 文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2006)04-0009-06
收稿日期:2005-05-13基金项目:国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90205018);太原理工大学青年科技研究项目(2004)作者简介:曹晓卿(1966-),女,山西孝义市人,副教授,博士生,主要从事材料性能及塑性成形等方面的研究。 多孔金属材料既具有一般多孔材料所具有的轻质等特性,又具有优良的机械性能和热、电等物理性能,并且比聚合物泡沫更易于再生,扩大了多孔材料的应用范围。近年来,新工艺的发展使得泡沫金属的质量大有好转,而且新材料的应用条件也改变了很多,人们对泡沫金属尤其是泡沫铝合金的发展开始感兴趣[1-9]。作为结构材料,泡沫金属的机械性能主要取决于其密度和基体金属的性能,如密度高的或基体强度高的泡沫金属压缩强度就高。作为功能材料,泡沫金属具有吸声、过滤、隔热、阻燃、减振、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等各种物理性能。因此,国际上不少研究机构把泡沫金属作为21世纪新材料研究的重点,同时,孔洞材料力学在国际力学界已成为具有明确定义的力学研究领域。目前,较多的研究是针对其单一功能,特别是国内因泡沫金属产业化程度还不高,研究的材料大多是实验室专门为研究而研制的,极少对批量生产的工业用泡沫金属进行研究。研究中,以上海某泡沫铝材有限公司生产的泡沫铝吸声材料为研究对象,对两种孔径、多组密度的泡沫铝材料在SUNS微机控制万能材料试验机上进行了准静态单向压缩实验。由于实际泡沫材料的微结构并不是理论分析中采用的正立方体结构,泡壁也不是规则的棱柱,因此分析讨论试件尺寸、材料相对密度及泡孔尺寸对材料静态压缩力学与吸能性能的影响,对生产实际及全面了解泡沫金属的力学性质具有重要意义。试验发现,泡沫的力学性能的确受试件尺寸及泡孔大小的影响,即泡沫材料的力学性能不只由材料的相对密度唯一确定。1 实验方法试验中所用泡沫铝材料是由上海某泡沫铝材有限公司提供的采用渗流法制造的开孔泡沫铝,相对密度为24%~39%,平均孔径分别为019mm和116mm。准静态压缩试验在SUNS电子万能材料试验机上进行。试件为圆柱体,试件尺寸有<35mm@30mm,<35mm@20mm及<35mm@10mm三种,初始应变率约为1@10-3s-1。
点荷载和压缩强度-概述说明以及解释
点荷载和压缩强度-概述说明以及解释
1.引言
1.1 概述
点荷载和压缩强度是结构力学领域中两个重要的概念。点荷载是指作用在结构上一个局部范围内的载荷，它可以是静态的或动态的，可以是集中的或分布的。而压缩强度则是指材料在受到压力作用下的抵抗力，它是一个材料的基本力学性能之一。
点荷载的作用和应用范围非常广泛。在工程实践中，我们常常需要研究结构在点荷载作用下的承载能力和变形情况，以确保结构的安全性和稳定性。例如，建筑物的地基承载能力、桥梁的支座设计、机械设备的工作载荷等都会涉及到点荷载的考虑。
压缩强度则是衡量材料抵抗压缩力的能力。不同材料的压缩强度差异很大，这取决于材料的组成、结构和制备方式等因素。在工程中，我们常常需要测试和评估材料的压缩强度，以确定材料是否符合工程设计的要求并保证结构的稳定性。
本文将探讨点荷载和压缩强度的定义、作用和应用，以及它们之间的关系。通过对点荷载和压缩强度的研究，我们可以更好地理解结构的受力行为和材料的力学性能，为工程设计和材料选择提供科学依据。同时，对点荷载和压缩强度的研究也有助于拓展工程领域的应用前景，促进工程技术的发展和创新。
在下一节中，我们首先会详细介绍点荷载的定义和分类，以及它的作用和应用。然后，我们将对压缩强度的概念和定义进行阐述，并介绍压缩强度的测试方法和与材料性能的关系。最后，我们将总结点荷载和压缩强度之间的关系，并展望它们在未来工程领域的应用前景。
1.2文章结构
文章结构部分的内容可以参考以下内容：
本文主要分为引言、正文和结论三个部分。在引言中，首先对点荷载和压缩强度的概念进行简要介绍，并阐述了本文的目的和意义。接下来，本文的结构将被详细说明。
正文部分将进一步探讨点荷载和压缩强度的相关内容。首先，在点荷载的部分将对其定义和分类进行解释，解释不同类型点荷载的作用和应用。同时，还将探讨影响点荷载的因素。接下来，在压缩强度的部分，将详细介绍压缩强度的概念和定义，以及常用的测试方法。此外，还将讨论压缩强度与材料性能之间的关系。
多孔材料的泊松比
多孔材料的泊松比：
多孔材料的泊松比值通常低于全致密固体材料。这主要是因为多孔材料具有可压缩性，其变形主要源自于孔结构坍塌，材料的横向变形较小。对于泡沫材料，其泊松比值在塑性变形阶段的变化较大，例如在小应变条件下（小于5%），线弹性响应，泊松比值为0.3；在大应变条件下（压缩或拉伸），泊松比值可能大于0.0。
多孔材料的泊松比值与其“塑性泊松比”密切相关。在较低的“塑性泊松比”区间，材料的“硬度强度比”（H/σy）对“塑性泊松比”极为敏感。然而，对于大多数多孔材料，其“强度硬度比”与“塑性泊松比”之间的相关性并不明显，而与“压缩应变硬化率”密切相关。这表明在考虑多孔材料的泊松比时，不能简单地套用全致密材料的Shaw-Sata曲线。
拓展资料
多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。这种材料具有低密度、高比表面积、吸能减振、消声降噪、电磁屏蔽、透气透水、低导热率等特点，被广泛应用于各种领域。例如，泡沫金属具有密度低、比表面积大、吸能减振等特点，主要应用在汽车、航空航天、电子产品等领域。泡沫陶瓷具有高温特性，主要应用在高温环境下的隔热、过滤和防护等领域。
金属多孔材料压缩行为探讨
金属多孔材料压缩行为探讨
【摘 要】 本文在借鉴并参考国内、外最新研究成果的基础上着重探讨、分析了金属多孔材料的压缩性能，以及压缩性能与金属多孔材料性质之间的关系，并对金属多孔材料压缩过程中的能量吸收性质做出了论述。
【关键词】 金属多孔材料 压缩行为 能量吸收性质
作为一种新型功能材料和结构材料，金属多孔材料具有一系列其它材料不可比拟的特点和优点。金属多孔材料所具备的渗透性强、过滤与分离性良好、密度低、能量吸收力强、高温抵抗力强、抗冲击能力强、吸声性能良好、比表面积大等优点，使之逐渐成为了目前世界材料研究与创新领域的焦点和热点。
目前金属多孔材料的身份和地位已经不再是作为简单的工能性材料存在，而是成为新型功能材料与新型结构材料的结合体。要想对金属多孔材料的力学性能展开研究，就不能不提到金属多孔材料力学性能的基础——压缩性能。在实际金属多孔材料的应用与理论研究中，压缩性能是一个不可或缺的关键指标，不容忽视。金属多孔材料基本上包括三大种类——泡沫金属多孔材料、粉末金属多孔材料和金属纤维多孔材料。国内、国外材料应用领域对金属多孔材料的压缩性能、压缩性能与多空金属材料性质之间的关系、压缩过程中金属多孔材料的能量吸收性质的研究主要针对的也是上述三大金属多孔材料种类。
1 认识金属多孔材料的压缩过程及压缩变化
金属多孔材料的压缩应力——应变曲线包括三个环节：（一）线弹性区，（二）屈服平台区，（三）致密化区。金属多孔材料发生压缩变化时，在其整个压缩过程中会表现出比一般聚合物多孔材料更为优质、更为明显的能量吸收能力和抗击打能力。在金属多孔材料中的压缩过程中，决定其能量吸收能力和抗击打能力的分别是屈服平台区的面积和线弹性区面积。假设材质相同的话，屈服平台区面积越大，金属多孔材料的的相对密度也会加大，而相对密度的增加又提升了材料的压缩应力，因此，金属多孔材料的能量吸收能力也会随之变大。同时，线弹性区面积的增加也会提升金属多空材料的相对密度，进而增强材料的抗击打和抗冲击能力。
粉末粒度对蒙乃尔合金多孔材料压缩性能的影响
葛 渊等：粉末粒度对蒙乃尔合金多孔材料压缩性能的影响
粉末粒度对蒙乃尔合金多孑Ｌ材料压缩性能的影响
葛 渊 ，汤慧萍 ，王建永 ，杨保军 ，李亚宁 ，谈 萍 ，臧纯勇 ，王 培
（１．西北有色金属研究院金属多孑Ｌ材料国家重点实验室，陕西西安７１００１６；
２．中核四。四有限公司，甘肃兰州７３２８５０）
摘 要： 烧结蒙乃尔合金多孔材料是重要的金属过
滤材料之一，凭借其优良的耐高温抗腐蚀及良好的抗
冲击、可焊接等优势广泛应用于化工、核工业、石化等 诸多领域。随着蒙乃尔过滤材料应用领域的拓展及使
用环境越来越苛刻，其力学性能的研究显得尤为重要。
采用粉末冶金法制备Ｏ２０ｒａｍ×２５ｍｍ柱状压缩试件， 利用ＭＴＳ８ｌ０对这些试件进行力学性能测试，采用准
静态单一轴向的加载方式对试样进行压缩性能的测 试，并详细分析了相同孔隙度下粒度对镍合金多孔材
料压缩性能的影响，结果表明，镍合金多孔材料的压缩 应力一应变曲线有塑性材料的特征；对于同一孔隙度的
试样，弹性模量和屈服强度都随着粒度的减小而增加，
当粒度￣７５ｐ．ｍ时，屈服强度和弹性模量增加得很快。
关键词： 金属多孔材料；压缩；屈服强度；弹性模量 中图分类号：ＴＢ３８３；ＴＦ１２５ 文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—９７３１（２０１０）增刊３－０５２７—０３
１ 引 言
镍合金多孔材料的使用已经有６０多年的历史了，
由于其优良的性能和相对低廉的价格深受国内外从事 科研技术领域机构的青睐＿＿１＿６］，其常见的种类有（Ｉｎ—
ｃｏｎｅｌ，Ｍｏｎｅｌ，Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ），这３种材料均有高温抗氧 化、高温抗腐蚀等共同的优点，但从３种的价格来看
Ｍｏｎｅｌ（蒙乃尔）合金比较便宜，有利于降低材料的成
本。蒙乃尔合金具有优良的耐蚀性、良好的力学性能，
加工性能，广泛应用于航空、化工、核能装置、冶金、炼
油、纺织、洗涤造纸等行业＿７ 。蒙乃尔合金为Ｎｉ—Ｃｕ
固溶体，镍含量大约在７０ ，铜约在３０ ，在很宽的温 度范围内具有很好的抗腐蚀性能，在各种空气、各类水