第一章 緒論

1.1引言

泡沫金屬是一種新型多用途材料，常用多孔金屬材料的材質(zhì)有青銅、鎳、鈦、鋁、不銹鋼，以及其他金屬和合金，在所有多孔金屬材料中受到特別重視的是泡沫鋁?，F(xiàn)代工藝技術(shù)的發(fā)展，使得泡沫鋁的制備技術(shù)日趨完善，制造成本不斷降低。以泡沫鋁為代表的泡沫金屬是近年來(lái)發(fā)展較快的一種新型功能結(jié)構(gòu)材料，它具有優(yōu)良的機(jī)械阻尼、消聲降噪、吸能、電磁屏蔽等功能，而且質(zhì)輕、堅(jiān)固、耐熱、美觀，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防高科技等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.

1.2泡沫鋁簡(jiǎn)述

泡沫鋁是一種在鋁基體中均勻分布著大量連通或不連通孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料,它兼有連續(xù)金屬相和分散空氣相的特點(diǎn)。按孔結(jié)構(gòu)劃分，泡沫鋁通?？煞譃榘麪钿X(閉孔泡沫鋁)和多孔鋁(通孔泡沫鋁)兩類[4]，前者孔隙率在80%以上，孔徑一般為φ2mm--5mm，各孔互不相通;后者的孔隙率在60%--75%，孔徑一股為φ0.8mm--2mm，各孔相互連通。泡沫鋁以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而具有許多優(yōu)異的性能，它不僅具有多孔材料所具有的輕質(zhì)特性，還具有金屬所具有的優(yōu)良的力學(xué)性能和熱、電等物理性能，如滲透、阻尼、能量吸收、高比表面積、電磁屏蔽等性能?，F(xiàn)在，泡沫鋁的應(yīng)用主要有:防火和吸音板、沖擊能量吸收材料、建筑板、半導(dǎo)體氣體擴(kuò)散盤、熱交換器、電磁屏蔽物等方面。也可用于冶金、化工、航空航天、船舶、電子、汽車制造和建筑業(yè)等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

1.3 泡沫鋁的性能特點(diǎn)

泡沫鋁以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而具有許多優(yōu)異的性能，具體如下：

1) 重量輕、密度低

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2) 力學(xué)性能

泡沫鋁的抗拉強(qiáng)度比較低，比強(qiáng)度也較低，但是抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度較高。泡沫鋁的抗拉強(qiáng)度只有鋁的1/ 100 左右，比強(qiáng)度約為鋁的1/ 10。泡沫鋁的剛性較差，如泡沫鋁沒有鋁鋁所具有的延展性，受到壓力幾乎不發(fā)生塑性變形，由彎曲試驗(yàn)測(cè)得泡沫鋁的彈性模量約為鋁合金的1/ 50～1/ 100。

3) 吸收沖擊功特性

泡沫鋁材料具有獨(dú)特的網(wǎng)狀、無(wú)方向性多孔結(jié)構(gòu)，而又無(wú)反彈作用。通過對(duì)這種材料進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)變強(qiáng)烈滯后于應(yīng)力，在壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線中包含一個(gè)很長(zhǎng)的平穩(wěn)段，因而泡沫鋁是一種具有高沖擊功吸收特性的材料。

4) 熱物理性能

泡沫鋁一般有高的耐熱性能，即使溫度達(dá)到基體合金的熔點(diǎn)也不溶解，例如，ALMAG合金的使用溫度范圍為560～640℃，但是ALMAG合金的泡沫合金在大氣中加熱到1400℃也不溶解。

5) 透過性能

透過性能是通孔泡沫鋁的又一特性，通過對(duì)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)（如孔隙度、孔徑大小、通孔度等）的調(diào)整，可以獲得不同透過性能要求的泡沫鋁材料。

6) 導(dǎo)電性

多孔鋁材料橫斷面積只有一小部分為鋁，而大部分有充滿了氣體的氣孔組成，起導(dǎo)電性由基體鋁的性能決定。此外，氣孔壁上有一層氧化表面，它和氣體都不能導(dǎo)電。所以，橫斷面上鋁和氣孔的比值決定了泡沫材料導(dǎo)電性的強(qiáng)弱。因此，當(dāng)空隙率越大時(shí)，導(dǎo)電性就越差。當(dāng)泡沫鋁的密度增加，其導(dǎo)電性也會(huì)增加。

7) 聲學(xué)及電磁性能

對(duì)于通孔泡沫鋁，當(dāng)聲波接觸鋁表面時(shí)，經(jīng)過漫反射進(jìn)入泡沫鋁的孔隙內(nèi)，使鋁內(nèi)部振動(dòng)，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，起到消音的作用。用電磁波?duì)泡沫鋁進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁也有吸收電磁波的作用，因此泡沫鋁還有對(duì)電磁波的屏蔽作用。

1.4泡沫鋁材料的應(yīng)用

泡沫金屬以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而具有許多優(yōu)異的性能，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于航天、航空、運(yùn)輸、建筑、環(huán)保、能源、生物等各種高科技領(lǐng)域以及一般工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的需要也正是對(duì)這種新型材料開發(fā)的意義.

(1) 利用優(yōu)異的熱物理性能

泡沫金屬具有很大的比表面積，通孔泡沫金屬可以用來(lái)制作熱交換器及散熱器；閉孔泡沫金屬可以作絕熱材料。

(2) 利用吸收沖擊功特性

用于制造緩沖器、吸震器是泡沫金屬的重要用途之一。其應(yīng)用從汽車的防沖擋板直至宇宙飛船起落架，此外已成功地用于升降機(jī)、傳送器安全墊、高速磨床防護(hù)罩吸能內(nèi)襯。

(3) 利用透過性能

利用泡沫金屬的透過性能，可將其應(yīng)用于制備過濾器的重要材料。由于它與粉末冶金多孔性金屬相比，有孔徑大、孔隙度高的特點(diǎn)，用它制作的過濾器應(yīng)用范圍較廣，如濾掉液體、氣體中的固體顆粒等。

(4) 利用聲學(xué)及電磁性能

利用泡沫金屬的吸音性能，主要用于消音降噪方面，如用于蒸汽發(fā)電廠、氣動(dòng)工具、小汽車等的衰減消音器。日本在高速列車配電室、播音室及新干線吸音等方面獲得有應(yīng)用前景的結(jié)果。

(5) 其他用途

泡沫金屬還可用于建筑業(yè)，如建筑物內(nèi)外裝飾件、幕墻、內(nèi)墻壁等;也可做計(jì)算機(jī)臺(tái)架；各種包裝箱等等。利用泡沫金屬的耐火性；可以用于建筑等工業(yè)上的耐火材料；或通過對(duì)其孔洞進(jìn)行處理，用于阻燃材料等。在化工方面，可用它作為催化劑的載體。另外泡沫金屬還可以作多孔電極。胞狀泡沫對(duì)高頻電磁波有很高的屏蔽系數(shù)，已被用于制作電子儀器外殼和構(gòu)建電磁屏蔽室等。

1.5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

由于采用少量金屬實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料多功能化，開拓了解決眾多高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)存問題的新途徑，泡沫鋁已顯示出廣闊的應(yīng)用前景，成為美、日、英、中、德等國(guó)21世紀(jì)的前沿?zé)狳c(diǎn)材料。泡沫鋁已有50余年的發(fā)展史，Sosnik于1948年提出利用汞在鋁中氣化而制取泡沫鋁合金的想法。Ellist發(fā)展了這一想法，并于1956年成功地制造了泡沫鋁。60年代美國(guó)乙烷公司（Ethyl公司）成立了研制泡沫鋁的中心。在開發(fā)應(yīng)用方面，1968年，美國(guó)ERG公司用一種―Duocel‖方法制得的泡沫鋁材已在美國(guó)航天飛機(jī)上獲得應(yīng)用。日本九州工業(yè)金屬研究所1991年開發(fā)出泡沫鋁工業(yè)化生成的工業(yè)路線,目前已能用發(fā)泡法和滲流法生產(chǎn)大型和小型部件，并在日本的高速列車制造中獲得應(yīng)用。德國(guó)卡曼汽車公司與夫雷弗研究所合作用三明治式復(fù)合泡沫鋁材制造吉雅輕便轎車頂蓋板。1990年以來(lái)，美國(guó)、日本、德國(guó)相繼推出了制備高性能泡沫鋁的方法并申請(qǐng)了許多專利。

目前國(guó)外對(duì)泡沫鋁的研究較為深入并且己取得較大成功，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到汽車、建筑、包裝、機(jī)床等領(lǐng)域并正致力于其他方面的應(yīng)用研究。世界上生產(chǎn)技術(shù)較為成熟并能批量提供的泡沫鋁材料商品有：加拿大Cymat公司提供的Cymat、美國(guó)加州ERG公司提供的Duocel，德國(guó)Fraunhofer研究所提供的IFAM，日本Shinko—Wire公司提供的Alporas、英國(guó)Porvair公司提供的Metpore、奧在利Alulight國(guó)際公司提供的Alulight等。這些泡沫鋁材料生產(chǎn)商和高校以及研究所開展了密切的研究合作。哈佛大學(xué)、劍校大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、麻省理工大學(xué)和弗吉尼亞大學(xué)等大學(xué)制定了有關(guān)泡沫鋁的多學(xué)科大學(xué)研究創(chuàng)新計(jì)劃。英國(guó)劍校大學(xué)材料科學(xué)與冶金系復(fù)合材料和涂層材料研究小組主要在泡沫鋁材料制備工藝和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了較多的研究。受到勞斯萊斯公司（Rolls Royce）和英國(guó)航空協(xié)會(huì)的資助，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室泡沫金屬研究小組目前主要開展的研究項(xiàng)目有―開孔泡沫金屬在功能性應(yīng)用上的特性評(píng)估‖和―閉孔泡沫金屬在能量吸收和結(jié)構(gòu)性應(yīng)用上的特性評(píng)估‖。目前這些研究主要集中在：

（1）解決應(yīng)用所需的大型件制品的制備，實(shí)現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)、尺寸及其分布可控，降低制備成本并開發(fā)出孔結(jié)構(gòu)可控、均勻少缺陷的泡沫鋁制備技術(shù)。

（2）研究胞狀鋁結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，盡可能滿足某一性能或多功能兼容性能的要求，為設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)指南，并選準(zhǔn)有前景的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行應(yīng)用研究，逐步推廣泡沫鋁制品的應(yīng)用。

我國(guó)研究較晚，國(guó)內(nèi)自80年代中期開始進(jìn)行泡沫鋁材料的研究。東南大學(xué)、大連理工大學(xué)、東北大學(xué)、山東工程學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所、中國(guó)船舶工業(yè)總公司第725研究所、太原科技大學(xué)、昆明理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)都先后作過許多研究，取得了一系列的研究成果。但多集中于制備工藝的研究，而對(duì)該材料的性能研究很少，應(yīng)用研究還僅限于做吸聲結(jié)構(gòu)，如高速公路的吸音墻，其他方面的應(yīng)用幾乎未涉及。為此，如何立足我國(guó)實(shí)際情況，吸收國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加快、完善泡沫鋁材料的制備方法、性能及該材料的應(yīng)用研究，充分發(fā)掘和應(yīng)用這種材料具有的特殊性能，成為具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義的課題。

從目前的報(bào)道來(lái)看，盡管對(duì)于泡沫鋁材料的取得了一系列的研究成果，但還有很多問題有待進(jìn)一步研究：

（1）泡沫鋁制備方法很多，從目前的制備工藝來(lái)看，仍然對(duì)工藝過程了解不全面，導(dǎo)致了泡沫的可控性不高，尚沒有一種工藝技術(shù)能夠達(dá)到像聚合物泡沫生產(chǎn)那樣準(zhǔn)確控制結(jié)構(gòu)組態(tài)的水平。

（2）關(guān)于泡沫鋁結(jié)構(gòu)的表征和測(cè)試方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。泡沫鋁是一種多孔金屬材料，既具有金屬的性能又具有多孔材料的性能，所以有的研究者按泡沫塑料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其測(cè)試，而有的研究者則按金屬材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）有關(guān)泡沫鋁性能的研究主要停留在測(cè)試階段，泡沫鋁材料的性能與結(jié)構(gòu)組態(tài)的相關(guān)性，使泡沫鋁材料的性能在實(shí)際測(cè)試中所得的結(jié)果再現(xiàn)性差，結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間的關(guān)系難進(jìn)行表征。圍繞泡沫結(jié)構(gòu)的表征和力學(xué)性能的數(shù)值模擬方面研究不足，尤其是國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究涉及很少。

（4）泡沫鋁的實(shí)際應(yīng)用范例相對(duì)來(lái)說較少，特別是國(guó)內(nèi)對(duì)其應(yīng)用方面的研究還僅限于吸聲結(jié)構(gòu)，其它方面的應(yīng)用幾乎沒有涉及，而泡沫鋁具有許多優(yōu)異的性能，還有廣闊的應(yīng)用前景有待開發(fā)。

1.6 本文的研究?jī)?nèi)容及意義

泡沫金屬材料研究的核心問題之一是結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬或用相關(guān)的理論進(jìn)行運(yùn)算，以預(yù)報(bào)泡沫金屬的性能和制備方案，選擇、尋找更多的實(shí)際應(yīng)用前景的對(duì)象。很多研究者已用試驗(yàn)的方法對(duì)泡沫

材料的某個(gè)方面的性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，也有一部分人開始用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬研究。利用計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行模擬―試驗(yàn)‖、提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果、指導(dǎo)泡沫金屬的研究，是有效的方法之一。

本課題在了解、熟悉泡沫金屬結(jié)構(gòu)和性能的前提下，采用計(jì)算機(jī)模擬二者關(guān)系。對(duì)于多孔泡沫鋁材料而言，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及計(jì)算機(jī)容量的限制，通常不可能把整體結(jié)構(gòu)作為對(duì)象進(jìn)行分析，而只能取其具有代表性的體積單元(RVE)——體胞為具體對(duì)象。國(guó)內(nèi)的研究者為更確切建立體元所作的大量研究，為用有限元法對(duì)三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值仿真奠定了基礎(chǔ)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和人類對(duì)物質(zhì)不同層次的結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)過程理解的深入，可以用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確模擬的對(duì)象日益增多。在許多情況下，用計(jì)算機(jī)模擬比進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)要快要省，因此可以根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果來(lái)判斷其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，以提高工作效率。對(duì)于泡沫金屬結(jié)構(gòu)和和性能及用途的適應(yīng)性研究，大多采取實(shí)驗(yàn)研究的方法，已取得了初步成效。但鑒于有限元理論的不斷發(fā)展和完善，本課題擬采用有限元仿真模擬的方法進(jìn)行探索性研究。