超轻多孔金属材料的研究现状

液压系统加载及控制：
轴向载荷加载、测量及控制：
多轴加载试验系统
泡沫金属材料管内凝结和沸腾实验台
实验段
制冷机组
通孔泡沫金属的应用探索研究：散热管理
- Fan heat sink
Foam heat sink
Redesign concept of cooling fan blade
D. Sui, T. Kim, T.J. Lu, ASME J Heat Transfer, 2007
点阵结构承载/散热一体化设计实验研究
最佳孔径/最佳空隙率 材料选择图
流 阻
热 管
换 热 系 数
综合声学与力学特性的结构优化设计
三明治夹层板结构的无量纲化的质量，即一个周期元胞的质量与元胞同样体积板材料 质量的比值：
M h1 h2 lxl y lxt x l y t y d cavlxl y d
• • • • • •
性能特点 超轻 高比强/比刚度 高能量吸收 高效散热 吸波（声/电磁/光等） 材料/结构一体化
超轻多孔材料与结构的分类
泡 沫 金 属
闭孔 通孔
复合结构材料 点阵金属
交通运载工具的轻量化急需超轻多孔金属
多孔金属在汽车、高速列车、 地铁列车、轮船等的应用
刚度
超轻结构 能量吸收
强度
= 0.0

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30
= 0.7

孔形貌对相界面推移及完全凝固所需时间的影响
B. Zhang, T. Kim, T.J. Lu, 2008, Int. J. Heat Mass Transfer
泡沫材料力学本构关系研究
三维超级单元胞模型
m f v0 (m f c X )vD m f c (c X )
压缩波传播过程 控制方程
2. 夹芯梁以塑性拉伸和弯曲的形式进一步吸能直至夹芯梁最终静止。(塑性变形阶 段) 采用理想刚塑性梁冲击响应模型 (Fleck等人) 研究结论为抗冲击夹芯梁的设计提供了更为精确的理论模型 (陈常青等, INT. J. IMPACT. ENG., 2011)
• 厚度:原始值9.9mm,实验后6.2mm • 密度:原始值0.3354g/cm3,实验后 0.5g/cm3 • 第一次压缩变形量:0.856mm（占 总变形量23％）
撞击杆速度：5.53m/s 厚度10mm、直径35mm、 端面平行度小于10μm
泡沫金属缺陷直流电位检测方法
检测线
IN OUT
体芯空孔缺陷 空孔大小的影响
v. s.
K0
8K0 Al H r Dr2Vr2
孔隙率87.88%泡沫材料重量最小化优化结果：
0.020
ar=30g
0.015
()(Hf /Hr)(Df /Dr)2
20g 10g 30g 20g 10g
1.0
r=7MPa
4MPa 7MPa 4MPa 7MPa 4MPa
r=4MPa
研究案例2
针对两端固定的夹芯梁，考虑其在冲击载荷作用下的响应过 程，结合一维“冲击波”理论和理想刚塑性梁冲击响应理论改 进了夹芯梁冲击响应预测的理论模型
夹芯梁冲击响应特性理论
夹芯梁冲击响应特性理论
给出改进的冲击响应理论预测模型； 对六边形蜂窝夹芯梁冲击响应进行有限元模拟，理论预测与有限元模拟结果吻合良 好，并且与以往理论模型相比预测结果更加精确 理论建模分为两个阶段：
2011中德汽车轻量化设计及可靠性论坛
超轻多孔金属材料的研究 现状
报告人：张钱城 西安交通大学
2010年11月9日，上海
提纲
课题组简介 超轻多孔金属材料研究进展
超轻多孔结构简介 超轻多孔金属材料结构和应用研究
第一代轻质多孔结构 第二代轻质多孔结构 第三代轻质多孔结构
超轻多孔金属在汽车中的应用探讨
1.前面板以一定初速度 压缩芯体，最终前后面板和芯体达到共同速度。(压缩阶段) 采用一维冲击波模型 (Reid等人)
D (vD vU )2 (1 D ) dvD D [ cY ] dx D (m f D x)(vD vU )(1 D )
其中， vU
4. 声学：辛锋先、金峰、江俊、卢天健 5. 振动和智能化：江俊、卢天健 6. 传热：金东范、屈治国、卢天健 7. 无损检测：陈振茂、卢天健 8. 机械和产品设计：张钱城、徐敏、慈军
博士后、博士和硕士 研究生30余人
超轻多孔金属材料研究进展
超轻多孔结构简介
自然界中超轻多孔结构
鸟的翅膀截面
人的头盖骨截面 植物的茎截面
课题3
泡沫材料最小重量优化设计
4m f Hf min m f 1 Al H r Dr2 Hr Df D r
2

s.t. amax / ar 1, max / r 1, 0<H f / H r 1, 0<D f / Dr 1
SDM
STL D M
点阵夹芯材料焊接缺陷/裂纹的涡流检测
建模
芯板及焊缝 裂纹
面板 夹层材料 裂纹 焊缝
点阵金属材料的应用探索研究
高档机床移动部件最小重量及最大刚度设计
H w D
b b
w L
z
H
x
y
机床中多孔方梁结构
最小重量设计
考虑了不同拓扑构形对优化结果，建立优化模型，实现最小重量设计。 论文Int. J. Solids Struct. (2007, Vol.44, 4742) 被列为TOP 15.
空孔位置的影响
结论： • 空孔大小和位置变化时电位 变化率分布明显不同； • 空孔的位置与信号峰值位置 一致，信号大小与空孔大小 相关； • 定位定量可能。
金属泡沫材料传热研究相关仪器开发
PIV同步触发器：解决了 PIV激光 测量系统的同步触发问题。
具有叶片位置检测功能的散热 风扇：用于 PIV 速度场测量过 程中的信号触发
2
进一步无量纲化为：
Dx Dx Ed 3
Dy Dy Ed 3
简化考虑为 t x t y 和 lx l y ，则有 Dx Dy，只需考虑一个无量纲化的刚度参数 D 综合以上定义的无量纲化的参数 M , D 及结构传声损失STL，可以定义结构高比刚度 和优良隔声能力综合性能的评价指标：
犀鸟嘴部横截面图
生物分级多孔构造
国内外研究现状——各国研究现状
美 1996年(1999年）， “超轻金属结构” （1500万美圆） 国 2004年， “用于冲击防护的超轻金属结构” （1000万美圆） 欧 2000年 , “金属泡沫在汽车工业的应用” （1000万欧圆） 盟 2004年，“多孔金属在精密数控机床中的应用” （500万欧圆） 其 与工业界相配合，英国、日本、韩国政府也有强力资助 它 2009年， 加拿大，金属泡沫高温气体回热器（多伦多大学） 2010年， 澳大利亚，金属泡沫气体冷却器（昆士兰大学） 国际 ASME Annual Conference on Cellular Materials (since 2001) 会议 International Conference on Metal Foams (since 1999) 中 在973计划、科技支撑计划、基金重点、863重点支持下已有相 国 当基础，在某些方面甚至领先国际，有可能在近期取得重大突
超轻多孔金属材料结构和应用 研究
•第二代轻质结构
新型点阵金属夹层板
蜂窝结构
夹层多孔圆管受内压优化设计最小重量设计
夹层点阵圆管结构示意图及其最小重量设计参数 相关工作发表在Int. J. Solids Struct.（2007, Vol. 44, 3231），得到了论文评 阅人积极评价“Although the general area of weight minimization of sandwich structures is not new, this paper presents two very important contributions…”和 “At the best of the reviewer's knowledge, this is being done for the first time…”。
点阵金属材料的应用探索研究
爆震脉冲式发动机燃烧室优化设计 散热、承载双功能优化设计
破，正在开展由国家重大需求牵引的有关超轻多孔材料及其构 成结构多功能化应用的重大基础研究
超轻多孔金属材料与结构具有多功能化特性
超轻多孔金属是非连续性金属基结构材料， 其密度仅为水的1/10 ~ 1/2，是国民经济和 国家安全必不可少的多功能工程结构材料
卢天健等， Progress in Materials Science, 2005, 50: 789-815 卢天健等，《力学进展》，2006， 36（4）：517-535 卢天健等, Science in China (B), 2003, 46(6): 521-532
双重功能
散热 吸音
பைடு நூலகம்
理想的多 功能应用
热交换
声音吸收
奥巴马车
超轻多孔金属材料结构和应用 研究
•第一代轻质结构
特点
•孔结构无序 •力学性能相 对较低 •能量吸收性 能好
东南大学的泡沫铝
特点
•孔结构无序 •力学性能相 对较低
NIN纤维毡
•磁屏蔽性能 好
制备理论：铝及铝合金熔体泡沫凝固规律研究
1 0.9 0.8 0.7 0.6
0.0 -0.5 -1.0
33 / Es (10 )
-5
-1.5 -2.0 -2.5 -3.0 =2% and Dimp=0
Box A
Periodic super-cell model
最大压缩主应力准则
Q
3L
Sub-box B
L
-3.5
=2% and Dimp=2% =1% and Dimp=0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5
项目团队
依托西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实 验室和金属材料强度国家重点实验室，建立了一支材料 工程、先进制造工艺、工程力学、声学和无损检测的跨 学科研究团队：
1. 材料制备：张钱城、王斌、乔冠军、王飞、卢天健 2. 优化设计：金峰、陈常青、卢天健
3. 本构关系/能量吸收：陈常青、金峰、赵桂平、徐明龙、 田晓耕、卢天健
-5
Q
-1.0
-0.5
0.0
3L
L
11 / Es (10 )
三维超级单元胞及其二维示意图
弹性屈曲面的数值和试验结果
所建立的三维超级单元胞模型是下一步建立泡沫材料宏观唯象本构行为与微观 组织间定量关系的基础，Int. J. Solids Struct. (2005, 42, 6648)。
泡沫金属动态力学特性
ar=10g
0.8
ar=20g
Hf /Hr
r=7MPa
0.010
0.6
0.4
0.005
0.2 0.000 0.0
ar=30g
0.2
0.4
0.6
2 2 r
0.8
1.0
0.0 0.0
0.2
0.4
0.6
2
0.8
1.0
8K0 /(Al Hr Dr V )
8K0 /(Al Hr Dr V2 r)
同约束条件下泡沫材料最小重量与冲击能量的关系以及泡沫材料最优厚度与冲击能量的关系
恒定功率高密度加热器： 实 现 室 温 ~+125℃ 地 快 速 恒定功率加热。用于传热 研究。
多孔材料多轴加载试验研究
非比例复杂加载情况和大变形引起的各向异性行为
解决了如下关键技术：
静水压多 轴试验腔
高静水压下的应变测量： 利用液压腔壳体作为电极，实现 多通道应变信号的二线制测量
100MPa 程控液压源
课题组简介
卢天健教授
• 哈佛大学博士；历任剑桥 大学讲师、Reader和讲席教 授（Chair Professor）；现 任西安交通大学教授 •超轻多孔结构973项目首席 科学家(2006CB601200, 2011CB610300），共发表 学术期刊论文300余篇（其 中186篇被SCI收录，SCI他 引1623余次，单篇最高102 次，h因子=22），获授权国 家发明专利30余项。
3）综合结构质量、力学刚度和传声损失的结构优化设计
lxl y d h1 h2
对于外部的力学载荷，正交加筋三明治夹层板的弯曲刚度最为重要：
2 Eh3 Eh d h Ed 3 t x Dx 12 2 12 l y
2
2 Eh3 Eh d h Ed 3 t y Dy 12 2 12 lx