泡沫金屬孔隙度

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(dá)到90%以上，并且具有一定強(qiáng)度和剛度的多孔金屬。這類金屬孔隙度高，孔隙直徑可達(dá)至毫米級。

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(jié)多孔金屬相比，泡沫金屬的氣孔率更高，孔徑尺寸較大，可達(dá)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(fù)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(jié)構(gòu)，并受制備工藝的影響。通常，泡沫金屬的力學(xué)性能隨氣孔率的增加而降低，其導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性也相應(yīng)呈指數(shù)關(guān)系降低。當(dāng)泡沫金屬承受壓力時(shí)，由于氣孔塌陷導(dǎo)致的受力面積增加和材料應(yīng)變硬化效應(yīng)，使得泡沫金屬具有優(yōu)異的沖擊能量吸收特性。

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(fù)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(jié)時(shí)發(fā)泡劑揮發(fā)，留下孔隙。用電化學(xué)沉積法可以制得規(guī)則形狀孔隙、孔隙率高達(dá)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(xué)沉積在多孔體上的金屬，經(jīng)燒結(jié)使沉積組分連接成整體，強(qiáng)度達(dá)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。

已實(shí)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(dǎo)彈、飛行器和其回收部件的沖擊保護(hù)層，汽車緩沖器，電子機(jī)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(jié)構(gòu)和高的氣孔率，因此具有高通氣性、高比表面積和毛細(xì)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(dǎo)電性和延展性好，且制備成本比泡沫鎳低，導(dǎo)電性能更好，可將其用于制備電池負(fù)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(diǎn)，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(yīng)用。

因?yàn)榕菽饘倬哂幸欢ǖ膹?qiáng)度、延展性和可加性，可作輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。這種材料很早就用于飛機(jī)夾合件的芯材。在航空航天和導(dǎo)彈工業(yè)中，泡沫金屬被用作輕質(zhì)、傳熱的支撐結(jié)構(gòu)。因其能焊接、膠粘或電鍍到結(jié)構(gòu)體上，故可做成夾層承載構(gòu)件。如作機(jī)翼金屬外殼的支撐體、導(dǎo)彈鼻錐的防外殼高溫倒坍支持體（因其良好的導(dǎo)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(shí)具備吸能和承載特性的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)來降低能耗。圓柱形殼體廣泛存在于工程結(jié)構(gòu)中，如飛機(jī)機(jī)身和遠(yuǎn)離岸邊的油井平臺。薄壁圓柱殼在受到載荷作用時(shí)易于損壞，但若外殼由連續(xù)的泡沫：卷材支持，則該結(jié)構(gòu)比同樣直徑和大小的未加強(qiáng)中心殼體具有較大的強(qiáng)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(jī)、無機(jī)和金屬材料的增強(qiáng)材料。如在泡沫鎳中充入熔融鋁凝固后制成泡沫鎳增強(qiáng)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(fù)合材料。多孔材料用于結(jié)構(gòu)件的典型例子即是制作夾層鑲板?，F(xiàn)代飛機(jī)上采用的夾層板則使用了玻璃或碳纖維復(fù)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(qiáng)度。同樣的技術(shù)已被延伸到另外一些重量為關(guān)鍵指標(biāo)的應(yīng)用場合：太空飛船、雪橇、賽艇和可移動(dòng)的建筑物等。

緩沖保護(hù)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(shí)將作用于被保護(hù)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(yīng)用場合。通過控制其相對密度，泡沫金屬的強(qiáng)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(yīng)力作用下承受很大的壓縮應(yīng)變，故大量的能量被吸收而不致產(chǎn)生高的應(yīng)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(jī)材料由于此時(shí)的強(qiáng)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(huì)受到載荷作用。在保持較高力學(xué)性能的同時(shí)實(shí)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(shí)保持較高的力學(xué)性能，這對絕大多數(shù)不具備自恢復(fù)效應(yīng)的人骨材料來說是極為重要 。

泡沫金屬材料填充鋼管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，它可通過在鋼管中直接澆注或其它工藝實(shí)現(xiàn)。其思想來源于對以自然界草本植物莖桿的結(jié)構(gòu)觀察和研究。在鋼管中填充泡沫金屬材料后，從靜力學(xué)角度，一方面可以通過泡沫結(jié)構(gòu)生成的小尺度框架結(jié)構(gòu)增加構(gòu)件的整體剛度，提高構(gòu)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(dòng)力學(xué)角度， 2100433B

泡沫金屬具有優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。從構(gòu)件的強(qiáng)度、吸能和維護(hù)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(fù)合結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)最佳力學(xué)性能，多數(shù)情況下是作為夾芯結(jié)構(gòu)的芯層材料。目前，對泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的研究主要集中在常溫條件下，而對其高溫力學(xué)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的潛在應(yīng)用背景和越來越廣泛的應(yīng)用需求。因此，深入研究泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)在高溫下的力學(xué)性能以及熱力耦合效應(yīng)變得十分迫切。 本項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)研究為主，結(jié)合理論分析和數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)研究了在不同溫度環(huán)境下泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(diǎn)彎曲力學(xué)行為；（3）不同溫度下泡沫金屬夾芯板的壓入和侵徹力學(xué)行為；（4）基于多層結(jié)構(gòu)的泡沫金屬夾芯板多功能設(shè)計(jì)。主要討論了不同溫度條件下泡沫金屬夾芯結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)研究了泡沫金屬夾芯梁在不同溫度下的壓入和三點(diǎn)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(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。將夾芯梁結(jié)構(gòu)的失效模式圖擴(kuò)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(zhǔn)靜態(tài)和低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)和壓入實(shí)驗(yàn)，研究了溫度對泡沫金屬夾芯板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在高溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和靜態(tài)力學(xué)性能之間差異。 從夾芯結(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型，并通過隔熱性能和承載吸能性能的比較進(jìn)行了優(yōu)選。通過準(zhǔn)靜態(tài)壓入實(shí)驗(yàn)研究了傳統(tǒng)夾芯板和優(yōu)選的多層夾芯板結(jié)構(gòu)在不同溫度下的壓入力學(xué)性能，得到了兩種夾芯板結(jié)構(gòu)的承載和吸能性能隨溫度的變化關(guān)系。 2100433B