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多孔材料的研究現(xiàn)狀

多孔芯層在多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)中起重要的作用。對(duì)多孔金屬材料的研究興趣始于二十世紀(jì)四十年代，最早的報(bào)道是Sosnick發(fā)明的利用金屬中低熔點(diǎn)物質(zhì)汽化而得泡沫金屬的專利。 在隨后的二十年中，出現(xiàn)了另外一些泡沫金屬的應(yīng)用和專利技術(shù)，如將金屬噴射到填料的孔隙中，填料通過化學(xué)反應(yīng)或熱分解而去除。然而，二十世紀(jì)九十年代以前，泡沫金屬的制備和研究工作都處于較低迷的狀態(tài)。近年來，各國(guó)科學(xué)家開展了大量的研究工作，主要集中在描述單個(gè)胞孔的特征和性質(zhì)上，例如胞孔的形狀、尺寸或支柱的截面形狀是如何影響周期性排列胞孔的力學(xué)特性的。具有代表性的工作是由Gibson和Ashby"完成的。為了用于泡沫材料均勻特性的研究，提出了多種重復(fù)單元模型。Warren和Kraynik，Papka和Kyriakides，Triantafyllidis和Schraad，Chen和Gu等提出了二維的泡沫和蜂窩材料模型。Warren和Kraynik，Gibson和AshbyZhu，Gong及其同事分別給出了三維立方體、四面體和十四面體模型。使用這些發(fā)展的重復(fù)單元模型，評(píng)估了泡沫材料的彈性力學(xué)特性。研究中發(fā)現(xiàn)，所預(yù)測(cè)的力學(xué)參數(shù)，包括體積模量和靜水屈服強(qiáng)度都比真實(shí)泡沫材料的值大。考慮到這一現(xiàn)象可能是所使用模型沒有反應(yīng)真實(shí)材料可能存在的非規(guī)則性、非周期性及胞孔的無序排列等特性引起的。Warren和Kraynik，Grenestedt，Simone和Gibson以及Chen等在模型中引入各種形態(tài)學(xué)上的缺陷，以期改善這些缺點(diǎn)。但這種模型的另外：個(gè)問題是在理論上僅僅可應(yīng)用于具有規(guī)則和周期泡孔的多孔材料。但對(duì)于人多數(shù)真實(shí)的泡沫材料來說，其微觀結(jié)構(gòu)一般不具有周期性，因此有必要用具有大量不規(guī)則泡孔的隨機(jī)模型來模擬多孔材料的微結(jié)構(gòu)以預(yù)測(cè)其力學(xué)性能。將Voronoi隨機(jī)模型與有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的分析技術(shù)可用于分析多孔材料力學(xué)性能。Gibson與同事們發(fā)展了二維的Voronoi模型。Chen等采用隨機(jī)Voronoi模型描述泡沫材料的微觀結(jié)構(gòu)，給出了在多軸載荷下彈塑性泡沫的橢圓屈服面。采用隨機(jī)Voronoi模型描述泡沫材料的熱力學(xué)特性的分析由Lu和Chen完成。到日前為全，三維Voronoi泡沫的研究主要被限制于研究其泡沫材料的彈性性能，其中Shulmeister，Roberts和GarbocziZhu等做了很好的工作。Li等采用Voronoi隨機(jī)模型和有限單元法相結(jié)合的方法，研究了非規(guī)則泡孔形狀和非均勻支柱橫截而組合不完整性對(duì)開孔泡沫材料彈性特性的影響。

國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，研究成果也不甚多。早期的工作有盧子興等利用隨機(jī)模型對(duì)低密度開孔泡沫材料的彈性模量的研究。Shen等也開展了這方面的研究工作。他們發(fā)展了一個(gè)三維的隨機(jī)Voronoi模型，用于研究開孔泡沫材料的力學(xué)性能。評(píng)估了材料楊氏模量、Poisson系數(shù)和體積模量對(duì)相對(duì)密度的依賴性。發(fā)現(xiàn)在低密度范圍內(nèi)，隨機(jī)Voronoi泡沫材料的楊氏模量和體積模量可用Kelvin模型很好地描述，且敏感于泡沫材料微觀結(jié)構(gòu)所固有的幾何不完整性。相反，材料的壓縮“平臺(tái)”應(yīng)力對(duì)泡沫材料微觀結(jié)構(gòu)所固有的幾何不完整性有較少的依賴性。同時(shí)還研究了泡沫材料的屈服面，從數(shù)值分析過程中觀察到泡孔“邊”的彈性屈曲是壓縮失效的主要原因。韓福生和朱振剛的研究發(fā)現(xiàn)基體組 分對(duì)鋁泡沫的變形、失效和斷裂有明顯的影響。另外，金屬泡沫材料的壓縮力學(xué)性能明顯高于拉伸的力學(xué)性能，可按照位錯(cuò)理論和應(yīng)力集中行為進(jìn)行解釋。鄭明軍和何德坪等研究了鋁合金泡沫的壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線與孔隙率，孔徑等胞休結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。劉培生等針對(duì)高孔隙率金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立起一個(gè)簡(jiǎn)化的八面體模型。基于該模型，他們推導(dǎo)了單向拉伸下，高孔率金屬材料的抗拉強(qiáng)度與孔隙率之間的計(jì)算公式，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較。王曦和虞吉林也對(duì)泡沫鋁進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，討論了宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并用Ramberg-Osgoo模型描述了一維拉伸應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。曹曉卿和楊桂通應(yīng)用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)國(guó)產(chǎn)工業(yè)用泡沫鋁材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單向壓縮試驗(yàn)，分析了試件尺寸、材料相對(duì)密度及泡孔尺寸對(duì)材料靜態(tài)壓縮性能的影響。

上述研究的目的主要是為改善其比強(qiáng)度和比剛度，即主要興趣在研究其小變形下的力學(xué)性能。多孔材料的另一個(gè)重要應(yīng)用是被用于吸收能量，緩沖高速撞擊及振動(dòng)的結(jié)構(gòu)中。在服役環(huán)境中常受到爆炸、高速?zèng)_擊等強(qiáng)動(dòng)態(tài)載荷作用。因此研究高速撞擊情況下多孔金屬材料的大變形、動(dòng)態(tài)特性及能量吸收機(jī)理十分重要，特別是其動(dòng)態(tài)變形過程所表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和微觀變形機(jī)理之間的關(guān)系。到目前為止，這方面的研究工作才剛剛開始。如，Parkash等人認(rèn)為金屬泡沫材料能量吸收能力不儀與胞體結(jié)構(gòu)的彈塑性有關(guān)，還與其它的一些耗散過程有關(guān)，如破碎的胞壁之間的摩擦等。Beals等通過對(duì)密度不均勻的Alcan泡沫材料的測(cè)試分析，指出密度梯度是削弱能量吸收能力和效率的重要原囚。Gradinger等研究了胞體結(jié)構(gòu)的細(xì)觀非均勻性對(duì)鋁泡沫耐沖擊性的影響，并指出在抗壓碎單元中能量吸收材料的有效性受到單軸壓縮下應(yīng)力-應(yīng)變行為的強(qiáng)烈影響，為了達(dá)到最優(yōu)的比能量吸收，胞體尺寸、胞體壁厚度和其它微幾何參數(shù)不應(yīng)該變化太大。因?yàn)閺?qiáng)烈的細(xì)觀不均勻性導(dǎo)致了應(yīng)變局部化，因此，也導(dǎo)致初始平臺(tái)應(yīng)力的降低和平臺(tái)區(qū)斜坡的增加，兩者都降低能量吸收效益。國(guó)內(nèi)，韓福生等研究了兩種不同基體鋁泡沫的變形、能量吸收機(jī)制。胡時(shí)勝等對(duì)泡沫材料的應(yīng)變率敏感性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的討論。王志華等在這方面也做了許多工作，利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和MTS材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)兩組不同孔徑、不同密度的開孔泡沫鋁合金進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在沖擊載荷作用下，泡沫鋁合金的屈服應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而增加，但其變化在誤差范圍內(nèi)。

由于實(shí)驗(yàn)研究的困難性，理論分析又存在較多不確定因素，許多專家、學(xué)者等轉(zhuǎn)而采用有限元分析的手段研究多孔材料的動(dòng)態(tài)特性。如，Ruan等采用ABAQUS程序研究了規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)的面內(nèi)動(dòng)態(tài)沖擊問題，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改變孔壁厚度和沖擊速度，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)“X”和“V”形的變形。分析還發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力與相對(duì)密度之間滿足立方的關(guān)系。當(dāng)沖擊速度很大時(shí)，甚至平臺(tái)應(yīng)力與相對(duì)密度之間滿足平方的關(guān)系。Tan等在有關(guān)泡沫鋁動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度特性的研究中采用有限單元法和簡(jiǎn)單的二維Voronoi蜂窩材料模型相結(jié)合的方法圖解了為什么伴隨多孔固體的“沖擊”壓縮有較多的能量消耗的問題。Zheng等研究了泡孔形狀的不規(guī)則性和沖擊速度對(duì)變形模態(tài)和平臺(tái)應(yīng)力的影響。研究結(jié)果顯示，增加泡孔的不規(guī)則程度將導(dǎo)致平臺(tái)應(yīng)力的增加，從而可改善其能量吸收能力等研究的重點(diǎn)是規(guī)則六邊形蜂窩材料及采川隨機(jī)擾亂規(guī)則六邊形峰窩材料的方法形成的隨機(jī)結(jié)構(gòu)(包括胞孔形狀的非規(guī)則掛列和孔壁厚度的非均勻性)的動(dòng)力特性(包括平臺(tái)應(yīng)力、應(yīng)變能密度和初始應(yīng)變等)。其思想是將采用隨機(jī)擾亂規(guī)則六邊形蜂窩形成的模型作為規(guī)則六邊形蜂窩材料的不完整性模型。發(fā)現(xiàn)在較低的沖擊速度下，平臺(tái)應(yīng)力和密實(shí)化應(yīng)變能隨著模型不規(guī)則度的增加反而減小，Zheng和Li得出了不一致的結(jié)論。有必要對(duì)多孔材料的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。