泡沫金属力学性能的若干问题

5期
刘培生：泡沫金属力学性能的若干问题
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诚然，抗拉强度是工程材料中最基本的力学性 能[28, 36] ，而实际工程结构所受载荷常常不是单向的， 其中双向拉伸是最基本的受力方式。所以，研究高孔 率泡沫金属的双向拉伸破坏机制，以及建立该材料的 双向拉伸破坏应力（综合强度）与孔率的关系模型， 就有着基础性的理论和实践意义。研究结果可为该材 料的优化设计和实际应用，以及开发和制备工艺的优 选等方面，提供指导作用。Gibson 等
[1~7] [5]
３ 力学性能研究的重要性
泡沫金属在加工过程中和在作为功能材料时都经 常会受到一定的载荷作用[20]，而上述主要作为结构材 料的场合，更会处处受到各种型式的载荷作用。所以， 力学性能的研究对其是非常重要和很有必要的。 因此， 人们在对泡沫金属进行广泛的功能性能研究的同时， 也逐渐关注并越来越重视起其力学性能来，已投入了 大量的工作[21~36]。
因为泡沫金属具有一定的强度、延展性和可加工 性，可作轻质结构材料。这种材料很早就用于飞机夹 合件的芯材
[52]
６ 结 语
泡沫金属材料的使用市场在不断扩大，具有很好 的应用前景。 由于其轻质多孔和其它很多优秀的性能， 故结构用途也日益看好。所以，该材料的力学性能研 究非常重要。 特别是力学性能与孔率的关系十分密切， 致使这种关系的研究很有必要。因此，值得在该问题 上进行多方面的研究，以进一步促进泡沫金属材料的 研制、开发和应用，进而更好地推动国民经济的发展。 电沉积制备的泡沫金属产品在欧、美、日及国内 都有很高的产量，使用市场极大。其特点是产品孔率 高、孔隙连通且分布均匀，呈三维网状结构，具有优 良的使用性能。而普通的粉末冶金烧结法、金属熔体 发泡沫、颗粒铸造法、包铸法、颗粒渗流法、气泡法 等[2, 4, 5, 16]制备的多孔金属则一般来说孔率较低，结构 较不均匀，且多为闭孔。但在力学性能方面，闭孔的 高孔率多孔金属所表现出来的性能孔率关系，有类似 于三维网状体的一面，可由其修正而得。所以，往往 可以从三维网状结构入手，得出具有普适性的近似函 数关系。
在本领域
取得了较大成绩，其单向拉伸的研究结果在多孔陶瓷 方面得到了很好的应用和验证， 而在多向拉伸研究中， 也较满意地得出了确定相对密度下破坏时各向应力之 间的关系，但其数学表达式中的常数项与相对密度有 关，也未解决好各向应力与不同孔率的多个量之间的 联合破坏关系规律。
５ 作为结构材料的应用简介
。 作为电池电极基体
的泡沫金属，其抗拉强度极大地影响着整个电极的强 度和卷成品率等，是关系到电池能否大批量工业化生 产的关键[8] 。其实，泡沫金属在很多应用中都需加工 成各种复杂的形状，等等，但均存在明显的强度问题。 三维网状高孔率泡沫金属主要由金属沉积法制
收到初稿日期： 2002-10-21；收到修改稿日期： 2004-01-15 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（50201003） 、北京市科技萌芽计划支持项目（MY01-18）和北师大青年基金项目 作 者 简 介 ：刘培生，男，1969 年生，博士，副教授，北京师范大学材料科学系, 北京 100875, 电话: 010-62205350, e-mail: liu996泡沫铜的断裂韧性被提高；文献 [36] 则 对这类高孔率泡沫金属的各方面性能已取得的研究成 果进行了较系统的总结。后来 Ashby 等 高孔率泡沫体的蠕变行为。 有关泡沫材料的研究表明，其压缩应力 -应变曲线 在低应力下表现为线弹性，接着是 1 个长长的坍塌平 台，被应力陡然升高的密实化区所截断。变形机制关 联着泡沫金属的每个区域。 线弹性由孔壁弯曲所控制， 而若孔穴是闭合的，则由孔面延伸所控制，杨氏模量 E*是应力 -应变曲线的初始斜率。当压缩加载时，平台 与孔穴坍塌相关联：在会产生屈服的泡沫金属中是通 过塑性铰接的形成。当孔穴已几乎完全坍塌，以致相 对的壁面接触时，进一步的应变使固体本身压缩，得 出最后的应力迅速增大区。随着泡沫材料相对密度的 提高，杨氏模量增大，坪应力升高，密实化开始点的 应变降低。 泡沫材料拉伸响应的初始线弹性是由孔壁弯曲产 生的，若孔穴是闭合的，则加上延伸因素。塑性泡沫 体中的孔壁向拉伸轴旋转（由塑性弯曲） ，产生 1 个屈 服点，接着是一段上升的应力-应变曲线，该曲线最终 被断裂所截。如同蜂窝材料一样，泡沫材料的力学性 能依赖于制备泡沫体的固体孔壁材料的力学性能。用 拉伸或弯曲试验对孔壁模量进行直接测量是困难的， 这是由于试样的尺寸小，且其横截面沿长度方向有变 化。 军事、航空航天和自动化等应用，常常需要掌握 高变形速率和非室温下的泡沫材料性能。刚性泡沫材 料（金属以及聚合物）的模量和强度随温度的升高而 线性地降低。增大应变速率不会影响其模量，但会增 加其强度。这些效果直接关系到温度和孔壁性能的应 变速率相依性：它们是制备泡沫体所用材料的内在性 质。但泡沫体的孔穴几乎总是包含有流体，如空气或 氮气。 当泡沫体变形时， 孔穴中的流体会受到压缩 （若 孔穴为闭合的）或从 1 个孔穴流向另 1 个孔穴（若它 们是开口的） ， 而这又引入了对温度和应变速率的新的 依赖性。 最后，还存在着多向加载的问题。如在复杂包装 和作隔热之用等泡沫体中， 材料承受双向或三向载荷。 弹性响应是直接的，并由传流方式来作处理。但强度
式中： σ 是泡沫体的破坏强度； σ 0 是多孔体对应致密 材料的抗拉强度； θ 是多孔体的孔率；K 是由材质种 类和多孔体制备工艺条件共同决定的常数。对应的柔 性材质泡沫体的表达式为： σ = K (1 − θ )σ 0 材质多孔体的抗拉强度为： 1.25 σ = K (1 − θ ) σ 0 式中符号意义与（4）式相同。 （5 ） 式中符号意义与（ 4）式相同。而泡沫金属等中度塑性 （6 ）
１ 引 言
泡沫金属是 1 种优秀的工程材料，具有功能和结 构的双重属性，是 1 种用途广泛且有巨大市场潜力的 功能结构材料。其功能方面的应用，已在很多文献
[1~7]
备 [9~11] ，也可由特殊的粉末冶金工艺 [12] 和渗流铸造 法[13, 14] 等技术制得。利用电沉积法改变不同镀液组成 可镀制很多高质量的高孔率泡沫金属[9] 。如镀：镍、 铬、锌、铜、锡、铅、铁、金、银、铂、钯、铑、镉、 钴、铟、钒、铊、镓等。也可电镀合金：如黄铜、青 铜、钴 - 镍合金、铜 - 锌合金和其它合金。一些不适宜 用水溶液电解的金属，可用特殊镀液，如铝和锗最通 常使用的方法是由有机镀液中电解或溶盐电解。人们 较熟悉的泡沫镍、泡沫铜和泡沫铝是生产量最大和应 用最多的代表性高孔率泡沫金属。其中泡沫镍已在欧 美、日本等国以及国内都有连续性的大批量生产，普 遍采用电沉积法制备，产品可用于过滤、热交换、隔 热、减震、催化剂载体及其它一些支撑体结构等领域， 目前主要用作二次氢镍和镉镍电池的电极基板[15~18] 。 抗拉强度是泡沫镍的主要指标之一，抗拉强度差会导 致电池极片在卷绕过程中发生断裂[18] 。泡沫铜的导电 性和延展性好，比镍便宜，将其用于电池作电极的基 体材料，具有一些明显的优点，但因铜的耐蚀性不如 镍，从而限制了它的一些应用[19]。
* cr * 3
（2 ）
式中： σ cr 是泡沫材料的脆性破坏应力； σ fs 是多孔体 对应致密材料的断裂模量； C2 是由实验确定的常数。 其它符号意义与（1）式相同。 从上述公式的表达形式可以看出，泡沫体的 2 种 破坏方式均可描述成： σ = K (1 − θ )2
3
（3 ）
式中：σ 是泡沫材料的破坏强度；θ 是多孔体的孔率； K 是由实验和多孔体对应致密材料共同确定的常数。 此外，还有人在八面体模型[47] 基础上对泡沫材料 抗拉强度作出了相应的研究结果，其脆性材质泡沫体 的表达式为： 1.5 σ = K (1 − θ ) σ 0 （4）
[36, 40~42]
最大作用力控制在引起损害的极限之下[58~60] 。多孔泡 沫材料可很好地适合于这种应用场合。通过控制其相 对密度，泡沫金属的强度可在很宽的范围内调节。此 外，该材料几乎可在恒定的应力作用下承受很大的压 缩应变，故大量的能量被吸收而不致产生高的应力。 在制备人工骨方面[61]， 根据孔径为 150 µm~250 µm 且孔率较大的要求，无机材料由于此时的强度不能满 足使用要求，于是逐渐发展成泡沫金属的人工骨。这 类泡沫金属都采用常规方法即主要为电镀法等生产， 它们在成型等加工过程中以及在人体内均会受到载荷 作用。在保持较高力学性能的同时实现人骨所需的较 大孔率，即在满足人骨所需较大孔率的同时保持较高 的力学性能，这对绝大多数不具备自恢复效应的人骨 材料来说是极为重要的[61]。 其它方面的结构应用还在不断发展。
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稀有金属材料与工程
33 卷
对于孔率较低（一般在 40%以下）的多孔金属， 其力学性能得到了较为广泛的研究
[21~33]
更复杂一些。 破坏机制则取决于应力状态和孔壁性能。
，其中包括拉
压强度、杨氏模量、断裂韧性、硬度、变形性和延伸 率等，已形成较为成熟和深入的系统性理论。而对于 高孔率 (>70%)的泡沫金属，其力学性能的研究工作相 对较少。在单向力学性能方面，Chen 等[34] 研究了泡沫 铜的杨氏模量、屈服强度和变形性；Choi 等
在强化其力学性能研究意识的同时，提出了泡沫金属双向拉伸性能研究的基础性和必要性。并从其应用发展趋势、制 备方法和结构特点出发，指出该材料双向力学性能与孔率关系研究的重要意义。 关键词： 多孔材料；泡沫金属；多孔金属 中图法分类号： TB383 文献标识码： A 文章编号： 1002-185X(2004)05-0473-05
[35]
４ 力学性能与孔率关系的研究
需要和利用孔隙是多孔材料的最大特点。泡沫金 属的力学性能强烈地依赖于其孔率或表观密度[28,36,39] 。 因此，研究该材料力学性能与孔率的关系，就具有十 分重大的理论意义和实用价值。文献[28, 39] 指出，这 种关系研究主要集中于孔率较低的多孔金属，结果一 般只适合低孔率，且多限于 1 种或少数几种的具体材 料。在高孔率泡沫材料方面，也取得了一些相应的成 果[36, 40~49] ，其中主要为单向拉压强度与孔率的关系。 具有代表性的是 Gibson 等[36,38,40,42,50,51]关于泡沫 材料抗拉强度的关系公式。虽然他们在不同时间发表 的不同论文中其具体表述略有差异，但均可归纳为如 下 2 个公式，其一是塑性破坏关系： ρ* 2 * σ pl = C1 ρ σ ys s
[37, 38]
还研究了
3
（1 ）
式中： σ 是泡沫材料的塑性破坏应力； σ ys 是多孔体 * 对应致密材料的屈服应力； ρ 是泡沫材料的表观密 度； ρ s 是多孔体对应致密材料的密度； C 是由实验确
1
定的常数。另一个是脆性破坏关系： ρ* 2 σ = C2 σ fs ρ s
中进行过介绍，如大家熟悉的分离、过滤、布气、催 化、消音、吸震、热交换和电磁屏蔽等。而作为结构 材料，也已用于很多的场合
[2~6]
。在此，在概述该材料
结构用途的基础上，提出其力学性能研究的重要性。
２ 制备、结构与力学性能
多孔金属的生产方法很多，但总的看来这些技术 均朝着高孔率、结构均匀、力学性能优良的方向发展， 从而扩大其应用范围 。除作隔热材料等少数用途在 追求高孔率的同时还需要闭合孔隙外，绝大多数应用 均是在保证基本强度使用要求的基础上追求高孔率、 高比表面积和高通孔率，以使产品的使用性能达到最 佳值，这就促成了三维网状结构泡沫金属材料的大规 模生产。目前，三维网状的高孔率泡沫金属的用途差 不多覆盖了原多孔金属的所有应用领域并有所拓宽， 如电池等电极基板、过滤器、流体混合器、热交换器、 阻尼材料、夹层承载材料、复合金属材料、填充材料 及其它功能和结构方面的材料
第 33 卷 2004 年
第5期 5月
稀有金属材料与工程
RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING
Vol.33, No.5 May 2004
泡沫金属力学性能的若干问题
刘培生 1,2
(1. 北京师范大学，北京 100875) (2. 北京市辐射中心 材料物理研究室，北京 100875) 摘 要 ： 泡沫金属在结构方面的应用日益增多，其力学性能随之显得越来越重要。本文列举了该材料的一些结构用途，