隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,工業(yè)科技隨之迅猛發(fā)展,開(kāi)發(fā)復(fù)合材料,探索新材料是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域重要的課題。泡沫金屬作為一種新型材料,相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料和多孔聚合物材料來(lái)說(shuō),其不僅具有功能材料的特性,同時(shí)更兼顧了結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn),具有明顯的優(yōu)勢(shì),發(fā)展前景廣闊。如今,泡沫金屬材料已經(jīng)在汽車(chē)工業(yè)、建筑行業(yè)、航空領(lǐng)域等多個(gè)領(lǐng)域中加以應(yīng)用,成為新材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題之一。
1 泡沫金屬的特性
泡沫材料具有金屬骨架和氣孔,相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料,具有傳統(tǒng)金屬可焊性等基本屬性的同時(shí)又具有大量的內(nèi)部孔隙,而正因?yàn)檫@些內(nèi)部孔隙的存在使得泡沫金屬具有其自身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。
1.1具有滲透性
因?yàn)榕菽饘僦芯哂写罅康目紫叮瞧渲虚]孔的數(shù)量也占有較大比重,因?yàn)橹挥型捉Y(jié)構(gòu)才具有滲透性,因此閉孔對(duì)于滲透性是具有很大的影響的。同時(shí)滲透性還與孔徑的大小以及滲透物的屬性有關(guān)。
1.2 消聲減震性
泡沫金屬中存在的通孔結(jié)構(gòu)可以將傳遞進(jìn)來(lái)的聲波以及震動(dòng)向熱能轉(zhuǎn)化并將其散發(fā)。消聲減震的性你呢與其孔隙率的高地以及直徑的大小有直接的關(guān)系,同時(shí)泡沫金屬相對(duì)于石棉等材料耐用性更好,而且強(qiáng)度更高,阻燃性更好。
1.3 熱傳導(dǎo)性能
泡沫金屬的熱傳導(dǎo)性能優(yōu)于金屬材料又低于隔熱材料,而且其導(dǎo)熱性能的好壞有孔隙率有直接的關(guān)系,閉孔結(jié)構(gòu)比通孔結(jié)構(gòu)絕熱性能更好。在對(duì)流條件下,提高孔隙率以及擴(kuò)大孔徑能夠促進(jìn)對(duì)流換熱能力的提升。
1.4 電學(xué)性能
因?yàn)榫哂锌紫督Y(jié)構(gòu),因此阻尼性很好,倘若將高分子聚合物填充在孔隙中,則能夠有效的提高阻尼特性。對(duì)于泡沫金屬材料而言,阻尼特性與表面積的大小有直接的關(guān)系。
2 泡沫金屬材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)
人們?cè)趯?duì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行研究和使用的時(shí)候首先就要考慮到材料的力學(xué)性能,因此,力學(xué)性能是材料性能評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。而人們要對(duì)材料本身所具有的力學(xué)性能進(jìn)行深入的研究首先就要先認(rèn)識(shí)材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)。
泡沫金屬材料的主體為金屬骨架和氣孔,氣孔又包括通孔和閉孔兩大類(lèi)。通孔結(jié)構(gòu)又稱(chēng)為開(kāi)孔,即泡沫金屬內(nèi)部的單個(gè)氣孔是開(kāi)放式的,氣孔之間呈相互連接的狀態(tài)。閉孔結(jié)構(gòu)的氣孔呈封閉狀態(tài)并且各自獨(dú)立,與母體金屬是分離狀態(tài)。需要注意的是在大部分的泡沫金屬內(nèi)容結(jié)構(gòu)中閉孔和開(kāi)孔是同時(shí)存在的。
坡面金屬的支架結(jié)構(gòu)可分為孔壁、筋、節(jié)。在開(kāi)孔結(jié)構(gòu)中氣孔之間是相互關(guān)聯(lián)的,隔離的孔壁是不完整的,而閉孔結(jié)構(gòu)則是由完整孔壁將氣孔進(jìn)行隔離。在孔壁較之筋要薄得多的情況下,孔壁對(duì)泡沫金屬材料整體的力學(xué)性能的影響是非常薄弱的,可以將其作為準(zhǔn)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)來(lái)看待。
3 泡沫金屬材料的壓縮力學(xué)性質(zhì)
3.1 靜態(tài)壓縮行為
泡沫金屬材料的應(yīng)力到應(yīng)變的曲線(xiàn)分為三個(gè)階段(參見(jiàn)圖1):第一階段為彈性變形階段,第二階段為屈服平臺(tái)階段,第三階段為崩塌壓實(shí)階段。開(kāi)始時(shí)應(yīng)變很小,應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)バ某示€(xiàn)性彈性;接著應(yīng)變不斷增加,應(yīng)力處于一個(gè)平臺(tái)期,幾乎處于一個(gè)不變或者變化很小的狀態(tài),最后隨著泡沫金屬材料內(nèi)部孔洞不斷擠壓被壓在一起,材料呈壓實(shí)狀態(tài),應(yīng)力快速增加。泡沫金屬材料在受到壓縮力的作用下,變形機(jī)制主要為棱桿的彎曲和孔壁薄膜的彎曲和拉伸。但是材料內(nèi)部一些孔洞本身較弱,當(dāng)應(yīng)變?cè)诰植课恢眉袝r(shí),原本就較弱的孔洞最先在擠壓作用下被壓壞,再帶動(dòng)與其相鄰的孔洞繼續(xù)被壓壞,形成依次傳遞的局面,最終造成了“變形帶”的產(chǎn)生。隨著“變形帶”的不斷擴(kuò)大,破壞應(yīng)力的擴(kuò)大和傳遞影響到材料整體時(shí),就表現(xiàn)為材料整體被壓壞。由此可見(jiàn),泡沫金屬材料的壓縮塑性變形是逐層傳遞依次破壞的。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,泡沫金屬材料在受到壓縮力的作用時(shí),發(fā)生彈性變形的階段是非常短暫的,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到2%的時(shí)候就會(huì)進(jìn)入到屈服平臺(tái)期,也就是說(shuō)對(duì)于泡沫金屬材料而言,壓縮屈服應(yīng)力和屈服平臺(tái)期的應(yīng)力是相等的。
3.2 動(dòng)態(tài)壓縮行為
泡沫金屬所具有減震性能,使其成為一種很好的減震緩沖材料在多種場(chǎng)合中應(yīng)用,研究泡沫金屬在動(dòng)態(tài)壓縮載荷作用下的力學(xué)性能是新材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。相對(duì)于靜態(tài)壓縮載荷下的力學(xué)性能,動(dòng)態(tài)壓縮載荷的力學(xué)性能問(wèn)題更為復(fù)雜,動(dòng)態(tài)壓縮需要充分的考慮到動(dòng)態(tài)效應(yīng)的一系列的問(wèn)題,包括慣性效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)等。根據(jù)泡沫金屬材料的壓縮變形機(jī)制,在應(yīng)變率較高的情況下,材料的屈服強(qiáng)度有所提高。在靜態(tài)壓縮載荷條件下,泡沫金屬材料是逐層發(fā)生壓縮變形,有一層氣孔孔壁發(fā)生彎曲變形,也就是塑性變形的第一階段到第二層氣孔的塌陷,隨著一層層氣孔在載荷作用下逐層塌陷直至全部的氣孔被彎曲壓實(shí)達(dá)到致密程度,這個(gè)變形過(guò)程是不均勻的,而且在某一局部是呈不穩(wěn)定的狀態(tài)。那么在動(dòng)態(tài)壓縮載荷條件下,應(yīng)力增加,材料強(qiáng)化主要受兩種因素的影響。一種是隨著沖擊速度的不斷提高,沖擊表面的氣孔壓實(shí)更加緊密,從而使屈服應(yīng)力隨之不斷的增加。另一種是動(dòng)態(tài)壓縮具有突出的局部化特點(diǎn),這就使得壓縮塑性變形帶的應(yīng)變速率提高,加上微慣性的作用,造成了變形的對(duì)稱(chēng)模式和非對(duì)稱(chēng)模式的增強(qiáng)。