泡沫金属及其复合材料性能的研究进展_尹文艳.pdf

泡沫金属及其复合材料性能的研究进展尹文艳，马巍（兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州730000）摘要：泡沫金属因其优异的孔结构和金属特性而具备吸热能力好、吸能效果好、降噪和隔热性好等优异特点，引起了研究学者的广泛关注。为使泡沫金属及其复合材料得到更好的应用，主要以泡沫铝为研究对象，对多孔泡沫金属的结构特点、性能、应用的研究进展进行阐述，并对其未来的研究发展进行展望，以供同行参考借鉴。关键词：泡沫金属；吸能；压缩；降噪；过滤中图分类号：TB33文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0076-030引言因泡沫金属具有轻质、吸能、阻尼、减震、耐冲击、隔热、吸声、耐腐蚀等特性，已应用在航天、建筑业、电化学工业、化工业等领域。泡沫金属根据孔洞状态分为两种，一种是闭孔泡沫金属，它的特点是泡沫金属中的气泡是相对独立的，气孔之间不互相串通。另一种是开孔泡沫金属，它的特点是气泡之间不独立，而是互相连通的。孔结构不同其主要用途也不同，比如开孔结构大多应用于当需要物质、液体或气体可在泡沫金属内流通的情况，闭孔结构大多应用在承重件层面，因此提高泡沫金属的性能成为近几年研究的重点，所以许多学者从不同方面（物理性能、力学性能等）展开研究，这些研究也促进了中国在泡沫铝工业化生产与应用里的发展。现阶段，中国己具有了大批工业化生产泡沫铝的前提条件。本文重点对泡沫金属各种主要性能的研究进行综述，并提出泡沫金属的未来研究及发展方向。1泡沫金属及其复合材料性能的研究1.1泡沫金属复合材料热物理性能研究闭孔泡沫铝的表观传热系数比较低，大约为高密度铝合金的 1/51/150，因而具有非常好的隔热性能。除此之外，开孔泡沫铝因有非常大的比表面和弯曲孔道，因此当液体利用其孔道时，会带来繁杂的三维流动性，故具有较强的热交换和热分离作用。针对泡沫金属的传热分析，很多人早已做过许多理论分析和模拟计算。现阶段，大部分专家学者将泡沫金属里的金属骨架简化为一个具有固定大小及外形的模块，并在空间中规律性排序1-2。许多外国科学家打造了泡沫金属的骨架模型，并用传热系数进行计算。杜尔涅夫利用六面体三维骨架模型结合传热系数网络法求得导热系数的公式。基尤 Gibson-Ashby 针对孔隙度和直径对导热系数产生的影响开展了讨论。王晓等研究了利用将泡沫金属构造简化为二维周而复始的六边形网格图方式完成传热。张文杰构造了简化理论模型来描述合金钢泡沫，并对其导热-辐射耦合传热进行分析，同时研究了有效导热在这些参数影响下的变化。在数值模拟方面，构造了关于求解合金钢泡沫导热-辐射耦合传热有效热导率的简化三维几何模型，并探讨有效热导率的影响因素，包括孔隙率、孔隙尺寸及温度等；习磊朋利用晶体不同结构，分析了石墨泡沫的容积导热性能；黄鹏等也通过不同结构模型分析泡沫技术的导热性能；周红梅等研究了气凝胶和泡沫金属进行复合制备出有良好隔热性能的新型隔热材料，并考查了材料在不同温度下的隔热性能变化情况。许多学者从工艺方面开展研究3-5，王辉等人针对泡沫铝制备工艺的传统工艺法和渗流铸造法的两种方法进行对比，结果表明，泡沫铝通过渗流铸造法制备后具有较高的导热系数，晶体结构比较完整，且孔隙率较高。刘长松等分析了用粉末冶金制备泡沫铝金属情况下，材料在相同孔径下，内耗随着孔隙率增大而增大。而在相同孔隙率下，内耗随孔径增大而减小。泡沫金属传热主要通过热对流、热辐射和热传导三种形式传递热量。赵军等针对这三种导热形式进行分析，并在最终得到结论，泡沫金属导热性主要受热传导和热辐射的共同影响。1.2泡沫金属的吸能性能研究因泡沫金属具有独特的吸能性能，泡沫铝已广泛应用于仪器仪表产品的包装、汽车保险杠、军事工业的防爆型冲击性材料等方面。泡沫金属因具有很好的吸能性，已在汽车的保险杠等部件上得到广泛应用，一方面可以减轻汽车重量，另一方面可以较好吸能。在建筑方面，其被应用于剧院、车站、体育馆、会议大厅等房屋墙壁或地板装潢等方面，能起到隔音、吸能收稿日期：2023-01-12基金项目：兰州资源职业技术大学院级科研能力提升项目（Y2020C-04）；2022 年甘肃省高等学校创新基金项目（2022B-291）第一作者简介：尹文艳（1979），女，山东济南人，毕业于青岛科技大学，硕士，副教授，主要从事材料研发和工艺设计的教学和研究。通信作者：马巍（1990），男，甘肃天水人，毕业于中国科学院大学，博士研究生，讲师，主要从事冶金、吸波材料等方向的研究。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.029行业纵横2023 年第 5 期和降噪作用。对于泡沫金属吸能性能研究，许多研究学者从测试方法、吸能机理、吸能因素等方面展开相关研究。针对泡沫金属的吸声系数和声阻阻抗两个因素，许多学者研究总结了测试方法，包括混响室法、管测法和反射法。前两者属于实验室测试，后者属于现场实践测试。测试中，使用相对较多的就是管测法中的驻波比法和传递函数法。驻波比法就是利用驻声波压的最大值和最小值测量垂直入射的吸声系数。它可以用于小批量测量，对于大批量数据测量，其缺点主要是每次需要寻找波谷和波峰，耗时较长。传递函数法相对于驻波比法，测试较为简单，耗费时间少，测量速度快。Han6等根据泡沫铝以及复合材料的应力测试，探讨了泡沫铝复合材料的结构力学性能和冲击能量消化吸收性能。在吸能因素研究中，贺高锋7等研究表明，泡沫铝-聚氨酯材料复合材料的吸能性能随着相对密度和直径的增加而增加。泡沫铝聚氨酯复合材料的主要吸能高效率伴随着相对密度的增加而减小，随着直径的增加基本没有变化。曾繁波8等提出了泡沫铝填充构造吸能能力的评价指标体系，阐述了泡沫铝与薄管在轴向压缩吸能的关系，得到提高材料的承载能力，从而有效地提高吸能能力。王斌9等阐述了泡沫纯铝和泡沫 AlSi7Mg0.45 在单轴压缩变化中的应力-应变曲线，得到同样气孔率下，泡沫 AlSi7Mg0.45 的吸能能力超过泡沫纯铝，能量吸收高效率与应变相关，且存在一个最高值。曹晓卿10等通过对泡沫铝原材料进行准静态单轴压缩实验，研究了泡沫金属的单向压缩行为及其吸能性，研究结果显示，在准静态环境下，复合材料的孔径越多，弹性模量和塑性模量越低，抗拉强度越大。但是当相对密度超过 32%时，塑性损坏抗压强度伴随着泡孔直径扩大而减小，弹性模量在相对密度为 30%左右发生转折，即孔径越大，能量吸收工作效率越高。同时，理想化能量吸收的最高值随着试件高度的增加而提升。曾斐11等对泡沫铝缓冲吸能特性进行了分析，阐述吸能效率曲线与理想吸能效率曲线结合后泡沫铝的应用方式选择。与此同时，在产品外观设计中，运用能量吸收高效率曲线图对油压缓冲器开展可靠性设计。1.3泡沫金属复合材料压缩性能研究对泡沫金属复合材料压缩性能的探索主要通过对试验手段、试验过程、变形机制进行分析。程和法12等根据对复合材质的准静态压缩试验发现，与泡沫铝对比，复合材料的塑性服务平台地应力和平台横截面都有所下降，吸能效率显著。同时，发现强调复合材料在动态性冲击负荷中有一定的应变效应。田杰13等通过准静态压缩试验，也发现复合材料的力学性能相比纯泡沫铝性能大幅度提高。康颖安14等利用泡沫铝的准静态压缩试验，研究了不同相对密度下，材料压缩力学性能变化规律，结果表明，泡沫铝的平台应力随着相对密度的提高也升高。胡时胜15等经过大量试验表明，泡沫金属在不同应变速率下，应变速率越大，材料平台的应变应力也越大。卢子兴16等利用开孔和闭孔 Voronoi 模型阐述了不同泡沫塑料显微结构对多种力学性能产生的影响，结果表明，所创建的开孔和闭孔模型能够很好地体现泡沫材料的多种力学性能。戴超琳17提出利用 ABAQUS 仿真建立三维任意球模型模拟泡沫铝的实际显微结构，阐述了闭孔泡沫铝的力学性能，模拟数值与实验结论很接近。张涛18等将大量聚氨酯填充在球形开孔泡沫铝中，发现由于大量聚氨酯的填充，泡沫铝的塑性变形能力和承载能力被显著改善。刘少波19依据复合材料在循坏负载下压缩应力-应变曲线的特征，用指数函数线性拟合复合材料应变曲线。在低应变幅下，与原材料的压缩曲线图具有较好的一致性。高凯20等研究了不同温度下泡沫铝复合材料的变化，最终结果表明，随着温度的增加，材料的承载能力变差，耗能和变形材料恢复能力也变差。1.4泡沫金属复合材料降噪性能研究开孔泡沫铝比闭孔泡沫铝贵，但也有其优异的特性，尤其是在吸音层面。泡沫铝因其较好的吸音性能，获得了广泛的认可，与此同时，其环境适应能力强。因为泡沫金属是一种具有一定弯曲刚度和阻尼特征的性能结构一体化材料，其阻尼、减震和减噪运用一直是课题研究的重点。刘仁辉21等试选用厚钢板泡沫铝复合结构，为降低发生爆炸承载力对下架构底柱的影响程度，探讨了厚钢板泡沫铝复合结构的防爆原理，结果表明，该复合结构能够较好地吸能减震。王瑞斌22等发现在方钢中填充泡沫铝，其耗能性能可被很好地改善。李晓佳23等研究了不同 5 种孔径、每种孔径 3种不同厚度的通孔，发现了泡沫铝的吸声性能特点，在小孔径（孔径 1 mm）泡沫铝的复合后，更有助于低频率段吸音性能，而大孔径（孔径1 mm）更有助于提升中频频段的吸音性能。袁文文24等发现设置背腔相对于未设置背腔的泡沫铝材料的吸声性能要好，其降噪系数要高出未设置背腔材料 2 倍左右。梁李斯25等也通过对打孔率、打孔孔径、打孔后背后空腔深等参数进行研究，发现通过打孔方式能够提高闭孔泡沫铝的吸声性能。1.5泡沫金属复合材料过滤性能研究开孔泡沫金属具备出色的透气性能，适宜制造多类型过滤装置，其渗透率伴随着气孔率和孔径的提高而变化。利用泡沫金属孔道对液体中含有的固态颗粒进行阻拦和收集，能够对气体或液体进行过滤和分尹文艳，马巍：泡沫金属及其复合材料性能的研究进展77山西冶金E-mail:第 46 卷离。气/液分离和液/液分离是利用毛细管作用的基本原理，根据一些过滤系统对液体渗入的可选择性来完成。泡沫金属由不透光液体的原材料制成，当压力低于液体对多孔结构论的表面张力时，仅有润滑性好一点的气体或液体可以通过，即润滑性不好的液体才会被分离。气/气分离是利用气体根据多孔结构论的速度气体含量间相互关系，在泡沫金属的孔径小至分子水平时达到的。龚为佳26等对泡沫金属基柴油机微粒过滤器的设计进行研究，最终试验结果表明，当滤过的横截面积、厚度和孔径分别为 150 cm2、100 mm 和 1.5 m 时，可以达到 86.4%的过滤效果，获得了低于 0.2 kPa 的排气背压，使得过滤效果达到最佳。同时，课题组将泡沫金属应用到柴油机排气净化中。经过试验比对泡沫金属在不同因素过滤条件下试验情况，分析转速、排气流速、负载、温度因素对泡沫金属过滤的影响，并进行热再生模拟试验，为泡沫金属过滤器设计提供一个新思路。邢洪宪27等鉴于泡沫金属材料挡砂机理制备出一种泡沫金属防砂筛管。通过对挡砂性能、过流能力、耐堵塞能力和耐冲蚀性能的考查，经过综合对比后，泡沫金属防砂筛管性能较为优异，可以为气田的防砂措施提供新的方向。课题组王尧28等利用防砂试验平台对筛管开展了挡砂性能试验、耐压强度试验和抗冲蚀能力试验，结果表明，该泡沫金属防砂筛管的过流与抗堵塞能力优异，抗冲蚀能力都比较优异，具有一定的市场前景。石锦芸29等将多孔泡沫金属应用到柴油机净化的除尘器中，并设计一款实用性较高的除尘器，并分析该装置具有使用周期长、运行成本低的优点。2结论从泡沫金属的热物理性能、吸能性能、降噪性能和过滤性能四个方面展开分析与阐述。因为泡沫金属具有高孔隙率、表面积大、吸声、减噪、阻尼、隔热阻燃、抗腐蚀、良好的导热和导电性、电磁屏蔽等多种优点，所以其具有较好的使用性能。从泡沫金属发展来看，该材料将会被广泛地应用在汽车材料、隔热材料、航空航天等领域，将有很大的开发前景和应用市场。随着泡沫金属制备工艺的改进，选择合适第二相形成泡沫金属复合材料，进行多方面多学科交叉研究，使得泡沫金属材料性能逐步实现大规模商业化、工业化