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?？紤]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開孔泡沫材料彈性特性的影響。

國內(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。評估了材料楊氏模量、Poisson系數(shù)和體積模量對相對密度的依賴性。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。劉培生等針對高孔隙率金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立起一個(gè)簡化的八面體模型?；谠撃Ｐ?，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)對國產(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、材料相對密度及泡孔尺寸對材料靜態(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等通過對密度不均勻的Alcan泡沫材料的測試分析，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。有必要對多孔材料的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。