第一章 绪论

1.1引言

泡沫金属是一种新型多用途材料，常用多孔金属材料的材质有青铜、镍、钛、铝、不锈钢，以及其他金属和合金，在所有多孔金属材料中受到特别重视的是泡沫铝。现代工艺技术的发展，使得泡沫铝的制备技术日趋完善，制造成本不断降低。以泡沫铝为代表的泡沫金属是近年来发展较快的一种新型功能结构材料，它具有优良的机械阻尼、消声降噪、吸能、电磁屏蔽等功能，而且质轻、坚固、耐热、美观，在国民经济建设和国防高科技等诸多领域有着广泛的应用前景.

1.2泡沫铝简述

泡沫铝是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料,它兼有连续金属相和分散空气相的特点。按孔结构划分，泡沫铝通常可分为胞状铝(闭孔泡沫铝)和多孔铝(通孔泡沫铝)两类[4]，前者孔隙率在80%以上，孔径一般为φ2mm--5mm，各孔互不相通;后者的孔隙率在60%--75%，孔径一股为φ0.8mm--2mm，各孔相互连通。泡沫铝以其独特的结构而具有许多优异的性能，它不仅具有多孔材料所具有的轻质特性，还具有金属所具有的优良的力学性能和热、电等物理性能，如渗透、阻尼、能量吸收、高比表面积、电磁屏蔽等性能。现在，泡沫铝的应用主要有:防火和吸音板、冲击能量吸收材料、建筑板、半导体气体扩散盘、热交换器、电磁屏蔽物等方面。也可用于冶金、化工、航空航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域，应用范围不断扩大。

1.3 泡沫铝的性能特点

泡沫铝以其独特的结构而具有许多优异的性能，具体如下：

1) 重量轻、密度低

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2) 力学性能

泡沫铝的抗拉强度比较低，比强度也较低，但是抗压强度和抗弯强度较高。泡沫铝的抗拉强度只有铝的1/ 100 左右，比强度约为铝的1/ 10。泡沫铝的刚性较差，如泡沫铝没有铝铝所具有的延展性，受到压力几乎不发生塑性变形，由弯曲试验测得泡沫铝的弹性模量约为铝合金的1/ 50～1/ 100。

3) 吸收冲击功特性

泡沫铝材料具有独特的网状、无方向性多孔结构，而又无反弹作用。通过对这种材料进行应力-应变试验，发现它的应变强烈滞后于应力，在压缩应力-应变曲线中包含一个很长的平稳段，因而泡沫铝是一种具有高冲击功吸收特性的材料。

4) 热物理性能

泡沫铝一般有高的耐热性能，即使温度达到基体合金的熔点也不溶解，例如，ALMAG合金的使用温度范围为560～640℃，但是ALMAG合金的泡沫合金在大气中加热到1400℃也不溶解。

5) 透过性能

透过性能是通孔泡沫铝的又一特性，通过对泡沫铝孔结构（如孔隙度、孔径大小、通孔度等）的调整，可以获得不同透过性能要求的泡沫铝材料。

6) 导电性

多孔铝材料横断面积只有一小部分为铝，而大部分有充满了气体的气孔组成，起导电性由基体铝的性能决定。此外，气孔壁上有一层氧化表面，它和气体都不能导电。所以，横断面上铝和气孔的比值决定了泡沫材料导电性的强弱。因此，当空隙率越大时，导电性就越差。当泡沫铝的密度增加，其导电性也会增加。

7) 声学及电磁性能

对于通孔泡沫铝，当声波接触铝表面时，经过漫反射进入泡沫铝的孔隙内，使铝内部振动，将声能转变为热能，起到消音的作用。用电磁波对泡沫铝进行试验，发现泡沫铝也有吸收电磁波的作用，因此泡沫铝还有对电磁波的屏蔽作用。

1.4泡沫铝材料的应用

泡沫金属以其独特的结构而具有许多优异的性能，已经被广泛的应用于航天、航空、运输、建筑、环保、能源、生物等各种高科技领域以及一般工业领域应用的需要也正是对这种新型材料开发的意义.

(1) 利用优异的热物理性能

泡沫金属具有很大的比表面积，通孔泡沫金属可以用来制作热交换器及散热器；闭孔泡沫金属可以作绝热材料。

(2) 利用吸收冲击功特性

用于制造缓冲器、吸震器是泡沫金属的重要用途之一。其应用从汽车的防冲挡板直至宇宙飞船起落架，此外已成功地用于升降机、传送器安全垫、高速磨床防护罩吸能内衬。

(3) 利用透过性能

利用泡沫金属的透过性能，可将其应用于制备过滤器的重要材料。由于它与粉末冶金多孔性金属相比，有孔径大、孔隙度高的特点，用它制作的过滤器应用范围较广，如滤掉液体、气体中的固体颗粒等。

(4) 利用声学及电磁性能

利用泡沫金属的吸音性能，主要用于消音降噪方面，如用于蒸汽发电厂、气动工具、小汽车等的衰减消音器。日本在高速列车配电室、播音室及新干线吸音等方面获得有应用前景的结果。

(5) 其他用途

泡沫金属还可用于建筑业，如建筑物内外装饰件、幕墙、内墙壁等;也可做计算机台架；各种包装箱等等。利用泡沫金属的耐火性；可以用于建筑等工业上的耐火材料；或通过对其孔洞进行处理，用于阻燃材料等。在化工方面，可用它作为催化剂的载体。另外泡沫金属还可以作多孔电极。胞状泡沫对高频电磁波有很高的屏蔽系数，已被用于制作电子仪器外壳和构建电磁屏蔽室等。

1.5 国内外研究现状和发展趋势

由于采用少量金属实现了结构材料多功能化，开拓了解决众多高技术领域内现存问题的新途径，泡沫铝已显示出广阔的应用前景，成为美、日、英、中、德等国21世纪的前沿热点材料。泡沫铝已有50余年的发展史，Sosnik于1948年最早提出利用汞在铝中气化而制取泡沫铝合金的想法。Ellist发展了这一想法，并于1956年成功地制造了泡沫铝。60年代美国乙烷公司（Ethyl公司）成立了研制泡沫铝的中心。在开发应用方面，1968年，美国ERG公司用一种―Duocel‖方法制得的泡沫铝材已在美国航天飞机上获得应用。日本九州工业金属研究所1991年开发出泡沫铝工业化生成的工业路线,目前已能用发泡法和渗流法生产大型和小型部件，并在日本的高速列车制造中获得应用。德国卡曼汽车公司与夫雷弗研究所合作用三明治式复合泡沫铝材制造吉雅轻便轿车顶盖板。1990年以来，美国、日本、德国相继推出了制备高性能泡沫铝的方法并申请了许多专利。

目前国外对泡沫铝的研究较为深入并且己取得较大成功，现已成功地应用到汽车、建筑、包装、机床等领域并正致力于其他方面的应用研究。世界上生产技术较为成熟并能批量提供的泡沫铝材料商品有：加拿大Cymat公司提供的Cymat、美国加州ERG公司提供的Duocel，德国Fraunhofer研究所提供的IFAM，日本Shinko—Wire公司提供的Alporas、英国Porvair公司提供的Metpore、奥在利Alulight国际公司提供的Alulight等。这些泡沫铝材料生产商和高校以及研究所开展了密切的研究合作。哈佛大学、剑校大学、普林斯顿大学、麻省理工大学和弗吉尼亚大学等大学制定了有关泡沫铝的多学科大学研究创新计划。英国剑校大学材料科学与冶金系复合材料和涂层材料研究小组主要在泡沫铝材料制备工艺和结构特性进行了较多的研究。受到劳斯莱斯公司（Rolls Royce）和英国航空协会的资助，英国国家物理实验室泡沫金属研究小组目前主要开展的研究项目有―开孔泡沫金属在功能性应用上的特性评估‖和―闭孔泡沫金属在能量吸收和结构性应用上的特性评估‖。目前这些研究主要集中在：

（1）解决应用所需的大型件制品的制备，实现孔结构、尺寸及其分布可控，降低制备成本并开发出孔结构可控、均匀少缺陷的泡沫铝制备技术。

（2）研究胞状铝结构与性能的关系，尽可能满足某一性能或多功能兼容性能的要求，为设计者提供设计指南，并选准有前景的应用对象进行应用研究，逐步推广泡沫铝制品的应用。

我国研究较晚，国内自80年代中期开始进行泡沫铝材料的研究。东南大学、大连理工大学、东北大学、山东工程学院、哈尔滨工业大学、中国科学院固体物理研究所、中国船舶工业总公司第725研究所、太原科技大学、昆明理工大学等研究机构都先后作过许多研究，取得了一系列的研究成果。但多集中于制备工艺的研究，而对该材料的性能研究很少，应用研究还仅限于做吸声结构，如高速公路的吸音墙，其他方面的应用几乎未涉及。为此，如何立足我国实际情况，吸收国外的先进经验，加快、完善泡沫铝材料的制备方法、性能及该材料的应用研究，充分发掘和应用这种材料具有的特殊性能，成为具有重要理论和现实意义的课题。

从目前的报道来看，尽管对于泡沫铝材料的取得了一系列的研究成果，但还有很多问题有待进一步研究：

（1）泡沫铝制备方法很多，从目前的制备工艺来看，仍然对工艺过程了解不全面，导致了泡沫的可控性不高，尚没有一种工艺技术能够达到像聚合物泡沫生产那样准确控制结构组态的水平。

（2）关于泡沫铝结构的表征和测试方法还没有统一的标准。泡沫铝是一种多孔金属材料，既具有金属的性能又具有多孔材料的性能，所以有的研究者按泡沫塑料的国家标准对其测试，而有的研究者则按金属材料的国家标准对其进行测试，没有统一的标准。

（3）有关泡沫铝性能的研究主要停留在测试阶段，泡沫铝材料的性能与结构组态的相关性，使泡沫铝材料的性能在实际测试中所得的结果再现性差，结构参数与性能之间的关系难进行表征。围绕泡沫结构的表征和力学性能的数值模拟方面研究不足，尤其是国内对这方面的研究涉及很少。

（4）泡沫铝的实际应用范例相对来说较少，特别是国内对其应用方面的研究还仅限于吸声结构，其它方面的应用几乎没有涉及，而泡沫铝具有许多优异的性能，还有广阔的应用前景有待开发。

1.6 本文的研究内容及意义

泡沫金属材料研究的核心问题之一是结构和性能关系，对材料的结构与性能关系进行计算机模拟或用相关的理论进行运算，以预报泡沫金属的性能和制备方案，选择、寻找更多的实际应用前景的对象。很多研究者已用试验的方法对泡沫

材料的某个方面的性能与结构关系进行了研究，也有一部分人开始用计算机进行模拟研究。利用计算机对真实系统进行模拟―试验‖、提供实验结果、指导泡沫金属的研究，是有效的方法之一。

本课题在了解、熟悉泡沫金属结构和性能的前提下，采用计算机模拟二者关系。对于多孔泡沫铝材料而言，由于其内部结构的复杂性以及计算机容量的限制，通常不可能把整体结构作为对象进行分析，而只能取其具有代表性的体积单元(RVE)——体胞为具体对象。国内的研究者为更确切建立体元所作的大量研究，为用有限元法对三维编织复合材料力学性能进行数值仿真奠定了基础。

随着计算机技术的进步和人类对物质不同层次的结构及动态过程理解的深入，可以用计算机精确模拟的对象日益增多。在许多情况下，用计算机模拟比进行真实的实验要快要省，因此可以根据计算机模拟的结果来判断其结构与性能的关系，以提高工作效率。对于泡沫金属结构和和性能及用途的适应性研究，大多采取实验研究的方法，已取得了初步成效。但鉴于有限元理论的不断发展和完善，本课题拟采用有限元仿真模拟的方法进行探索性研究。