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多孔材料的研究現狀

多孔芯層在多孔金屬夾芯結構中起重要的作用。對多孔金屬材料的研究興趣始于二十世紀四十年代，最早的報道是Sosnick發明的利用金屬中低熔點物質汽化而得泡沫金屬的專利。 在隨后的二十年中，出現了另外一些泡沫金屬的應用和專利技術，如將金屬噴射到填料的孔隙中，填料通過化學反應或熱分解而去除。然而，二十世紀九十年代以前，泡沫金屬的制備和研究工作都處于較低迷的狀態。近年來，各國科學家開展了大量的研究工作，主要集中在描述單個胞孔的特征和性質上，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。使用這些發展的重復單元模型，評估了泡沫材料的彈性力學特性。研究中發現，所預測的力學參數，包括體積模量和靜水屈服強度都比真實泡沫材料的值大。考慮到這一現象可能是所使用模型沒有反應真實材料可能存在的非規則性、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學上的缺陷，以期改善這些缺點。但這種模型的另外：個問題是在理論上僅僅可應用于具有規則和周期泡孔的多孔材料。但對于人多數真實的泡沫材料來說，其微觀結構一般不具有周期性，因此有必要用具有大量不規則泡孔的隨機模型來模擬多孔材料的微結構以預測其力學性能。將Voronoi隨機模型與有限元數值計算相結合的分析技術可用于分析多孔材料力學性能。Gibson與同事們發展了二維的Voronoi模型。Chen等采用隨機Voronoi模型描述泡沫材料的微觀結構，給出了在多軸載荷下彈塑性泡沫的橢圓屈服面。采用隨機Voronoi模型描述泡沫材料的熱力學特性的分析由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隨機模型和有限單元法相結合的方法，研究了非規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。

國內在該領域的研究起步較晚，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。他們發展了一個三維的隨機Voronoi模型，用于研究開孔泡沫材料的力學性能。評估了材料楊氏模量、Poisson系數和體積模量對相對密度的依賴性。發現在低密度范圍內，隨機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構所固有的幾何不完整性。相反，材料的壓縮“平臺”應力對泡沫材料微觀結構所固有的幾何不完整性有較少的依賴性。同時還研究了泡沫材料的屈服面，從數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現基體組 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性能明顯高于拉伸的力學性能，可按照位錯理論和應力集中行為進行解釋。鄭明軍和何德坪等研究了鋁合金泡沫的壓縮應力一應變曲線與孔隙率，孔徑等胞休結構參數的關系。劉培生等針對高孔隙率金屬材料的結構特點，建立起一個簡化的八面體模型。基于該模型，他們推導了單向拉伸下，高孔率金屬材料的抗拉強度與孔隙率之間的計算公式，并與實驗值進行了比較。王曦和虞吉林也對泡沫鋁進行了拉伸實驗，討論了宏觀力學性能與微觀結構的關系，并用Ramberg-Osgoo模型描述了一維拉伸應力一應變關系。曹曉卿和楊桂通應用電子萬能材料試驗機對國產工業用泡沫鋁材料進行準靜態單向壓縮試驗，分析了試件尺寸、材料相對密度及泡孔尺寸對材料靜態壓縮性能的影響。

上述研究的目的主要是為改善其比強度和比剛度，即主要興趣在研究其小變形下的力學性能。多孔材料的另一個重要應用是被用于吸收能量，緩沖高速撞擊及振動的結構中。在服役環境中常受到爆炸、高速沖擊等強動態載荷作用。因此研究高速撞擊情況下多孔金屬材料的大變形、動態特性及能量吸收機理十分重要，特別是其動態變形過程所表現的動態力學性能和微觀變形機理之間的關系。到目前為止，這方面的研究工作才剛剛開始。如，Parkash等人認為金屬泡沫材料能量吸收能力不儀與胞體結構的彈塑性有關，還與其它的一些耗散過程有關，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等研究了胞體結構的細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力-應變行為的強烈影響，為了達到最優的比能量吸收，胞體尺寸、胞體壁厚度和其它微幾何參數不應該變化太大。因為強烈的細觀不均勻性導致了應變局部化，因此，也導致初始平臺應力的降低和平臺區斜坡的增加，兩者都降低能量吸收效益。國內，韓福生等研究了兩種不同基體鋁泡沫的變形、能量吸收機制。胡時勝等對泡沫材料的應變率敏感性進行了系統深入的討論。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)實驗技術和MTS材料實驗機對兩組不同孔徑、不同密度的開孔泡沫鋁合金進行了準靜態和動態壓縮實驗研究，結果表明在沖擊載荷作用下，泡沫鋁合金的屈服應力隨著應變率的增加而增加，但其變化在誤差范圍內。

由于實驗研究的困難性，理論分析又存在較多不確定因素，許多專家、學者等轉而采用有限元分析的手段研究多孔材料的動態特性。如，Ruan等采用ABAQUS程序研究了規則蜂窩結構的面內動態沖擊問題，模擬結果發現，改變孔壁厚度和沖擊速度，結構會出現“X”和“V”形的變形。分析還發現結構的平臺應力與相對密度之間滿足立方的關系。當沖擊速度很大時，甚至平臺應力與相對密度之間滿足平方的關系。Tan等在有關泡沫鋁動態壓縮強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則性和沖擊速度對變形模態和平臺應力的影響。研究結果顯示，增加泡孔的不規則程度將導致平臺應力的增加，從而可改善其能量吸收能力等研究的重點是規則六邊形蜂窩材料及采川隨機擾亂規則六邊形峰窩材料的方法形成的隨機結構(包括胞孔形狀的非規則掛列和孔壁厚度的非均勻性)的動力特性(包括平臺應力、應變能密度和初始應變等)。其思想是將采用隨機擾亂規則六邊形蜂窩形成的模型作為規則六邊形蜂窩材料的不完整性模型。發現在較低的沖擊速度下，平臺應力和密實化應變能隨著模型不規則度的增加反而減小，Zheng和Li得出了不一致的結論。有必要對多孔材料的動態特性進行系統深入的研究。