泡沫金屬

泡沫金屬的制備有粉末冶金法和電鍍法，前者通過向熔體金屬添加發(fā)泡劑制得泡沫金屬；后者通過電沉積工藝在聚氨酯泡沫塑料骨架上復制成泡沫金屬。

粉末冶金法制造泡沫金屬，是在粉末中加入發(fā)泡劑（如NH₄Cl），燒結時發(fā)泡劑揮發(fā)，留下孔隙。用電化學沉積法可以制得規(guī)則形狀孔隙、孔隙率高達95%的泡沫金屬，包括以Cu，Ni，NiCrFe，ZnCu，NiCu，NiCrW，NiFe等金屬和合金為骨架的泡沫材料。將電化學沉積在多孔體上的金屬，經(jīng)燒結使沉積組分連接成整體，強度達到要求的高孔隙泡沫金屬，孔隙度高，使用中可以填充更多的物質(zhì)，如催化劑、電解質(zhì)等。

孔隙度是指多孔體中所有孔隙的體積與多孔體總體積之比，常常衡量多孔體的空隙空間大小。

泡沫金屬的孔隙度常常達到90%以上，并且具有一定強度和剛度的多孔金屬。這類金屬孔隙度高，孔隙直徑可達至毫米級。

因為泡沫金屬具有一定的強度、延展性和可加性，可作輕質(zhì)結構材料。這種材料很早就用于飛機夾合件的芯材。在航空航天和導彈工業(yè)中，泡沫金屬被用作輕質(zhì)、傳熱的支撐結構。因其能焊接、膠粘或電鍍到結構體上，故可做成夾層承載構件。如作機翼金屬外殼的支撐體、導彈鼻錐的防外殼高溫倒坍支持體（因其良好的導熱性）以及宇宙飛船的起落架等。在建筑上，需要泡沫金屬制作輕、硬、耐火的元件、欄桿或這些東西的支撐體?，F(xiàn)代化電梯高頻高速的加速和減速，亦特別需要泡沫金屬這種同時具備吸能和承載特性的輕質(zhì)結構來降低能耗。圓柱形殼體廣泛存在于工程結構中，如飛機機身和遠離岸邊的油井平臺。薄壁圓柱殼在受到載荷作用時易于損壞，但若外殼由連續(xù)的泡沫：卷材支持，則該結構比同樣直徑和大小的未加強中心殼體具有較大的強度。泡沫銅較易制得，且便于變形，故適合作緊固器。泡沫金屬還可作為許多有機、無機和金屬材料的增強材料。如在泡沫鎳中充入熔融鋁凝固后制成泡沫鎳增強的鋁合金（NFRA）材料等。

泡沫金屬非常適于用作多種承載鑲板、殼體和管體的輕質(zhì)j卷材，制成多種層壓復合材料。多孔材料用于結構件的典型例子即是制作夾層鑲板?，F(xiàn)代飛機上采用的夾層板則使用了玻璃或碳纖維復合材料蒙皮。這層蒙皮由金屬鋁或紙張·樹脂蜂窩材料隔開，也可由剛性的聚合物泡沫體隔開，以便使該夾層鑲板具有很大的比彎曲剛度和比彎曲強度。同樣的技術已被延伸到另外一些重量為關鍵指標的應用場合：太空飛船、雪橇、賽艇和可移動的建筑物等。

緩沖保護也是泡沫金屬的主要用途之一，它必須具有吸收能量的能力，同時將作用于被保護物體上的最大作用力控制在引起損害的極限之下。多孔泡沫材料可很好地適合于這種應用場合。通過控制其相對密度，泡沫金屬的強度可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。此外，該材料幾乎可在恒定的應力作用下承受很大的壓縮應變，故大量的能量被吸收而不致產(chǎn)生高的應力。在制備人工骨方面，根據(jù)孔徑為150¨m～250¨m且孔率較大的要求，無機材料由于此時的強度不能滿足使用要求，于是逐漸發(fā)展成泡沫金屬的人工骨。這類泡沫金屬都采用常規(guī)方法即主要為電鍍法等生產(chǎn)，它們在成型等加工過程中以及在人體內(nèi)均會受到載荷作用。在保持較高力學性能的同時實現(xiàn)人骨所需的較大孔率，即在滿足人骨所需較大孔率的同時保持較高的力學性能，這對絕大多數(shù)不具備自恢復效應的人骨材料來說是極為重要 。

它的透氣性很高，幾乎都是連通孔，孔隙比表面積大，材料容重很小。

泡沫金屬在石油化工、航空航天、環(huán)保中用于制造凈化、過濾、催化支架、電極等裝置。

含有泡沫狀氣孔的金屬材料與一般燒結多孔金屬相比，泡沫金屬的氣孔率更高，孔徑尺寸較大，可達7毫米。由于泡沫金屬是由金屬基體骨架連續(xù)相和氣孔分散相或連續(xù)相組成的兩相復合材料，因此其性質(zhì)取決于所用金屬基體、氣孔率和氣孔結構，并受制備工藝的影響。通常，泡沫金屬的力學性能隨氣孔率的增加而降低，其導電性、導熱性也相應呈指數(shù)關系降低。當泡沫金屬承受壓力時，由于氣孔塌陷導致的受力面積增加和材料應變硬化效應，使得泡沫金屬具有優(yōu)異的沖擊能量吸收特性。

已實用的泡沫金屬有鋁、鎳及其合金，此外，泡沫銅也擁有一定的發(fā)展空間。

泡沫鋁及其合金質(zhì)輕，具有吸音、隔熱、減振、吸收沖擊能和電磁波等特性，適用于導彈、飛行器和其回收部件的沖擊保護層，汽車緩沖器，電子機械減振裝置，脈沖電源電磁波屏蔽罩等。

泡沫鎳由于有連通的氣孔結構和高的氣孔率，因此具有高通氣性、高比表面積和毛細力，多作為功能材料，用于制作流體過濾器、霧化器、催化器、電池電極板和熱交換器等。

泡沫銅的導電性和延展性好，且制備成本比泡沫鎳低，導電性能更好，可將其用于制備電池負極（載體）材料、催化劑載體和電磁屏蔽材料。特別是泡沫銅用于電池作電極的基體材料，具有一些明顯的優(yōu)點，但由于銅的耐腐蝕性能不如鎳好從而也就限制了它的一些應用。

泡沫金屬材料填充鋼管結構是在鋼管中全部或部分填充泡沫金屬材料而得到的一種新型結構，它可通過在鋼管中直接澆注或其它工藝實現(xiàn)。其思想來源于對以自然界草本植物莖桿的結構觀察和研究。在鋼管中填充泡沫金屬材料后，從靜力學角度，一方面可以通過泡沫結構生成的小尺度框架結構增加構件的整體剛度，提高構件的穩(wěn)定承載力；另一方面，由于填充材料對管壁的支撐作用，可改善受均勻壓力圓柱殼的對缺陷特別敏感的情況。從動力學角度， 2100433B

泡沫金屬具有優(yōu)異的力學和熱學性能，廣泛應用于航空航天等領域。從構件的強度、吸能和維護等方面綜合考慮，泡沫金屬通常要與傳統(tǒng)的致密金屬組成復合結構才能實現(xiàn)最佳力學性能，多數(shù)情況下是作為夾芯結構的芯層材料。目前，對泡沫金屬夾芯結構的力學性能的研究主要集中在常溫條件下，而對其高溫力學性能的研究還比較匱乏。泡沫金屬具有作為空間飛行器中輕質(zhì)承載吸能結構構件的潛在應用背景和越來越廣泛的應用需求。因此，深入研究泡沫金屬夾芯結構在高溫下的力學性能以及熱力耦合效應變得十分迫切。 本項目以實驗研究為主，結合理論分析和數(shù)值計算系統(tǒng)研究了在不同溫度環(huán)境下泡沫金屬夾芯結構的力學行為。研究內(nèi)容包括：（1）梯度溫度場中泡沫金屬材料犧牲層的抗沖擊分析；（2）不同溫度下泡沫金屬夾芯梁的壓入和三點彎曲力學行為；（3）不同溫度下泡沫金屬夾芯板的壓入和侵徹力學行為；（4）基于多層結構的泡沫金屬夾芯板多功能設計。主要討論了不同溫度條件下泡沫金屬夾芯結構的變形/失效模式、承載和能量吸收性能，取得的主要成果如下： 實驗研究了泡沫金屬夾芯梁在不同溫度下的壓入和三點彎曲變形/失效行為和承載吸能性能，探討了一些主要參數(shù)對夾芯梁結構響應的影響。將夾芯梁結構的失效模式圖擴展到高溫情況下，得到了泡沫鋁夾芯梁的初始失效模式圖隨溫度的變化趨勢。 通過夾芯板在不同溫度下的準靜態(tài)和低速沖擊實驗和壓入實驗，研究了溫度對泡沫金屬夾芯板結構的變形/失效模式、承載和能量吸收性能的影響，探討了夾芯板結構在高溫下的動態(tài)力學性能和靜態(tài)力學性能之間差異。 從夾芯結構承載、吸能與隔熱等多功能綜合考慮出發(fā)，通過添加高效輕質(zhì)的隔熱層氧化鋁纖維板發(fā)展了多種多層復合結構拓撲構型，并通過隔熱性能和承載吸能性能的比較進行了優(yōu)選。通過準靜態(tài)壓入實驗研究了傳統(tǒng)夾芯板和優(yōu)選的多層夾芯板結構在不同溫度下的壓入力學性能，得到了兩種夾芯板結構的承載和吸能性能隨溫度的變化關系。 2100433B