第３９卷２０１０年第３期３月稀有金属材料与工程ＲＡＩｔＥＭＥＴＡＬＭＡＴＥＲＩＡＩ，ＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ、，０１．３９．Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ２０１０
金属多孔材料压缩行为的评述
乔吉超１，＿，奚正平２，汤慧萍２，王建永２，朱纪磊２（１．西北工业大学，陕西西安７ｌ００７２）（２．西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室，陕西西安７ｌｏｏｌ６）
摘要：主要对金属多孔材料的压缩性能进行分析，并着重介绍了最近几年该领域国内外的最新研究进展。讨论压缩性能对金属多孔材料性质的影响，强调金属多孔材料压缩过程中的能量吸收性质，最后给出了金属多孔材料压缩性能中存在的不足。关键词：金属多孔材料；压缩性能；能量吸收；功能材料；结构材料中图法分类号：ＴＦｌ２５；ＴＢ３８３文献标识码：Ａ文章编号：１００２一１８５ｘ（２０ｌＯ）０３－０５６１．０４
金属多孔材料是一种新型结构材料和功能材料，它具有渗透性好、密度低，抗高温、比表面积大、抗冲击能力强等优点，成为当今材料领域内研究的热点之一【１＿１１１。随着金属材料应用范围的日益扩大，金属多孔材料由单纯的功能材料向功能结构一体化的方向发展，其力学性能的研究也越来越备受关注。在金属多孔材料力学性能研究中，压缩性能是力学性能研究的基础之一，金属多孔材料的压缩性能是金属多孔材料应用的一个重要参数。金属多孔材料的研究主要集中在粉末金属多孔材料、泡沫金属多孔材料和金属纤维多孔材料这３个方面，本文主要介绍国内外近年来这３大类金属多孔材料压缩性能及其能量吸收特性的最新研究进展。
１金属多孔材料的压缩过程
金属多孔材料的压缩应力．应变曲线通常由３个阶段组成：线弹性区、屈服平台区和致密化区【５】。金属多孔材料在压缩过程中所表现出来的一个重要性质就是其具有良好能量吸收能力，它与聚合物多孔材料相比，具有更高的强度和能量吸收能力。图１为金属多孔材料典型的压缩应力．应变曲线。从图中可看出，金属多孔材料在压缩过程中能量吸收能力取决于压缩应力．应变曲线下平台屈服区的面积。金属多孔材料抗冲击能力取决于线弹性区下的面积。根据图１中金属多孔材料的应力．应变曲线，吸收ｂ
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图１金属多孔材料的压缩应力．应变曲线Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎｃｕ“ｅｏｆｐｏｒｏｕｓｍｅｔａｌ【５１
能可由面积积分来确定，即：
形＝ｆ础
式中，形代表吸收的能量，￡ｍ为给定的应变，硝应力，它是应变ｓ的函数。在材质相同的情况下，金属多孔材料吸收能随着相对密度增大而增大。这主要是因为随着相对密度的增大，其压缩应力不断增大，因此，压缩压力一应变曲线下面积也不断增大，Ｇｉｂｓｏｎ和Ａｓｈｂｙ给出了理论分析【２】：
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式中，唧ｌ为平台区应力，毋。为制备金属多孔材料所
收稿日期：２００９．１１．２３基金项目：国家‘‘９７３’’资助项目（２００６ｃＢ６０１２０ｌＢ）作者简介：乔吉超，男，１９８０年生，博士生，西北工业大学材料科学与工程学院，陕西西安７１００７２，电话：０２９．８６２３１０９５，Ｅ．ｍｉｌ
ｑｊｃｚｙ＠ｈｏ仰ａｉｌ．咖；通讯作者：奚正平，博士，教授，博士生导师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｍｔ．蹦＠ｃｍｉｎ．ｃｏｍ
万方数据·５６２·稀有金属材料与工程第３９卷
用实体材料的屈服应力，ｐ’为金属多孔材料的密度，成为制备金属多孔材料所用实体材料的密度，Ｃ为由试验决定的常数，ｐ‘饥即为金属多孔材料的相对密度。
２泡沫金属多孔材料的压缩性能
泡沫金属是金属多孔材料的一个重要分支，对其压缩性能研究较为成熟的是泡沫铝。所有的金属多孔材料在压缩过程中均表现出线弹性区、平台屈服区和致密化区３个区域。通过对采用熔浸工艺制备的泡沫铝在准静态和动态下的压缩性能分析［１２１，可知在这两种压缩状态下，泡沫铝弹性模量和压缩强度不仅与相对密度有关，而且与单元胞的尺寸有关，另外，泡沫铝对应变速率很敏感。相对密度和孔形貌对泡沫金属材料的压缩性能有着较为显著的影响［”】。研究中发现，超过一定应变速率范围后，多孔材料屈服强度和能量吸收对应变速率不敏感，其相对应力和相对密度的关系符合Ｇｉｂｓｏｎ．Ａｓｈｂｖ理论，而对于泡沫铝而言，相对密度是影响其压缩性能的最重要变量，力学性能与单元胞尺寸的关系并不明显，单元胞形貌对冲击能量吸收能力的影响也不显著。复合泡沫材料是一种新型的金属多孔材料，其压缩力学性能变化趋势和泡沫多孔材料完全相同。以ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ９Ｍｇ复合泡沫材料为例【１４】，其屈服强度随着应变速率增加而增加。在压缩过程中，在高应变速率下发生应变强化。与Ａｌ和泡沫铝相比，ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ９Ｍｇ复合泡沫材料对应变速率更加敏感，在较高速率下，ＳｉＣｐ／ＡｌＳｉ９Ｍｇ复合泡沫材料的屈服应力随着ＳｉＣ颗粒体积分数的增大而增大。借助本构模型和计算机模拟技术，可以指导金属多孔材料的结构设计和简化试验方案。通过研究泡沫的粘弹性动态模型，可清楚表述孔壁的泡沫拓扑学和粘弹性质【１５】，而且，还可以清晰地描述泡沫铝纵向和横向的塑性破坏应力【１６】。依据推导出的泡沫压缩应变模型，可研究许用应变与常规渗透性之间的关系，且该模型不受泡沫孔径等因素的影响【１７】。根据泡沫在【００ｌ】，【０１１１和【１１１】作用下单轴压缩的弹性应力模型，可得出横断面面积的非均匀性是影响开孔泡沫屈服行为的一个重要因素【ｌ引。采用熔体发泡工艺制备的Ｚｎ。２２Ａｌ多孔材料中，Ａ１２０３短纤维对ｚｎ．２２Ａｌ压缩性能有着显著的影响【１９】。这种多孔材料具有较好的延展性，压缩屈服强度在很大程度上依赖于多孔材料的相对密度。ｚｎ一２２Ａｌ压缩应力·应变曲线表现出与所有金属多孔材料相同的变形区域：线弹性区、屈服平台区和致密化区域。所制备多孔材料的塑性破坏应力随着相对密度增大而增大，相对塑性破坏应力与相对密度Ｇｉｂｓｏｎ．Ａｓｈｂｙ模型吻合【２们。金属多孔材料中存在着一些结构缺陷，诸如孔壁的破裂和起皱，孔形貌的不规则等，这些因素在一定程度上影响着金属多孔材料的压缩性能。结构缺陷也同样显著降低闭孔泡沫铝的弹性模量和力学性能。因此，通过改进制备工艺，减少结构缺陷来提高多孔材料的压缩性能【２Ｉ】。从泡沫铝合金在高应变速率下的压缩行为可以看出，平台区应力对应变速率很敏感，在动态应变压缩过程中，发生了应变硬化【２２】。在采用累积叠轧焊工艺制备的泡沫Ａｌ—Ｍｇ合金中【２３】，发现不同加载轴对金属多孔材料压缩性能有影响。由于各向异性单元胞的形貌不同导致各向异性的破坏行为，在法线方向上届服应力比其它加载方向上小，这主要是由累积叠轧焊工艺引起的，ＡＬＰＯＲＡＳ的压缩性能很大程度上依赖于材料的密度和测试温度，作用单元胞上屈服载荷在破坏机制中起主导作用阱】。影响泡沫铝动态压缩性能的因素主要有：塑性破坏、平台区的应力和进入致密化区的应变，是名义应力一应变曲线和动态脉冲力的关键参数，动态响应在很大程度上依赖于相关单元模型的受力方向和加载速率【２５１。动态冲击条件下，在Ｚ轴上的密度梯度试样通常具有较高塑性破坏载荷。此外，泡沫铝的模量，通过试验和分析对比，可以由几个经验公式较好地描述闭孔泡沫铝的模量【２６１。对泡沫铝单轴压缩，压缩过程中应力．应变曲线工程应变可达９０％，屈服应力是密度的函数，在很大程度上依赖于泡沫铝的密度【２７１。采用熔体发泡工艺制备的纯泡沫铝，其压缩试验结果和理论模型吻合得较好㈣。随着泡沫铝相对密度增大，其平台区应力也逐渐增大，随着应力增大，其能量吸收能力也逐渐增大。ＳｏｎｇＺｈｅｎｌｕｎ等报道了压缩能量吸收与不同相对密度试样应变函数关系，分别讨论了泡沫铝在压缩过程中３个阶段能量吸收与应变的关系【２９１。
３粉末金属多孑Ｌ材料的压缩性能
粉末金属多孔材料的压缩性能与泡沫多孔材料和金属纤维多孔材料相同都遵循Ｇｉｂｓｏｎ—Ａｓｈｂｙ的经典理论压缩模型。粉末金属多孔材料大多采用高温烧结工艺制备［３０，３１ｌ，相对很多孔形貌杂乱无章的金属多孔材料，加入造孔剂可制备出孔形貌可控的粉末金属多孔材料。采用粉末冶金工艺，以Ｎａ２Ｃ０３颗粒为填料，制备孔隙度为７７．８％～８２．０％的多孔钯【３们，在应变速率为
１０一～１０ＪｓＪ的范围内多孔钯的压缩应力．应变曲线的弹
万方数据第３期乔吉超等：金属多孔材料压缩行为的评述·５６３·性区较短，然后进入一个长而倾斜的平台屈服区，多孔钯在１８ＭＰａ以下就进入致密化区，多孔钯平均致密化应变约５０％，屈服强度对应变速率和相对密度很敏感。孔隙度为２０％一５０％的烧结多孔铜【３１】，低孔隙度试样和高孔隙度试样的压缩性能不同，这主要是因为孔数量和形状对多孔铜的压缩性能有显著影响。表现在孔隙度、试验应力和滑动速度等对烧结多孔铜的磨损率影响显著，尤其是孔隙度和试验应力。采用粒度为５和＜４５ｐｍ的铜粉末，以聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）为造孔剂，制备孔尺寸与形状分布可控的低孔隙度烧结多孔铜。所制备的多孔铜的孔隙度范围为５％～５０％，孔径范围为２００～５００肛ｍ，采用粒度＜４５¨ｍ的粉末，制备多孔铜的孔结构为开孔和极少量闭孔；而采用粒度１５岬的粉末，制备的多孔铜的孔结构为开孔和少量闭孔。因此，粒度＜４５ｕｍ的粉末作为制备多孔材料的原材料更为适合。其力学性能表现为：屈服强度与孔隙度呈线性关系，随着孔隙度的增大，其相对弹性模量降低【３２，３３１。采用粉末冶金方法制备相对密度约３０％的Ｔｉｚｒ多孔材料，该材料表现出与自然骨相仿的交错多孔结构，孔径分布介于２００～５００ｐｍ。Ｔｉｚｒ多孔材料的压缩平台应力和弹性模量分别为７８．４ＭＰａ和１５．３ＧＰａ，孔结构和力学性能与自然骨都非常接近【３４１。
４金属纤维多孔材料的压缩性能
金属纤维多孔材料的压缩行为和泡沫金属的压缩性能表现出很多相似性，但是，在材料的内部结构中，金属纤维多孔材料的孔壁是可控制的，根据采用的金属纤维丝径，可以使金属纤维多孔材料的孔壁为等径，而泡沫金属的孔壁大多是非均匀的，这样在压缩性能以及吸收能上表现得更加明显。烧结工艺对金属纤维多孔材料的压缩性能影响也很明显。采用冶金工艺制备孔隙度为３３．９０％一５６．２７％，孔径为２５。１３００Ｌｌｍ的多孔钢丝网的压缩性能【３５】，表现在：烧结温度越高、保温时间越长、所得到多孔材料孔结构越好，金属丝之间结点越粗糙，孔隙度越小。在压缩过程中，钢丝网表现出与其它多孔材料一样的弹．塑性行为。随着孔隙度增大，多孔钢丝网屈服强度和弹性模量降低。当孔隙度从３３．９０％增加到５６．２７％时，其屈服强度从４６．９ＭＰａ降低到１４．８ＭＰａ，其弹性模量从１．４２ＧＰａ降低到Ｏ．４２ＧＰａ。从以上分析中可以看出，所制备金属多孔材料的压缩屈服应力都相对较低。针对金属多孔材料这一性质，西北有色金属研究院开展了金属纤维多孔材料力学性能的研究工作，其静态压缩性能表明，制备的金属纤维多孔材料具有较高压缩屈服应力和优良能量吸收能力‘３６１。在孔隙度基本相同时，金属纤维多孔材料的力学性能是泡沫铝的８—１０倍【３７，３引。
５影响金属多孑Ｌ材料压缩性能的因素
无论从实验角度，还是从计算的角度来分析，影响金属多孔材料压缩性能的主要因素有相对密度（孑乙隙度）…、单元胞尺寸【２４１、应变速率‘３们、烧结工艺【２３】和热处理工艺【３５Ｊ等。有些因素对压缩行为的影响并不完全一致，这主要与所制备的金属多孔材料材质、制备方法等紧密相关。材质和制备方法对金属多孔材料性能本身的影响很显著，金属多孔材料压缩机制与致密金属的压缩机制有较大差别【３９＇４０１。除制备工艺外，热处理工艺对金属多孔材料力学性能影响也很明显。如对锻造铝合金从６０６ｌ压缩性能，热处理后的压缩强度比未处理的高６０％～７５％【４¨。采用定向凝固法制备的藕状多孔纯铜棒【４２】压缩性能表明，藕状金属多孔铜压缩性能存在明显各向异性。将采用定向凝固法制备的金属多孔材料与其它方法制备的金属多孔材料进行对比，发现采用定向凝固法制备的金属多孔材料具有较高压缩屈服应力ｆ４３—７１。综合国内外研究现状，现阶段对泡沫铝静态压缩和动态压缩的研究较为透彻，泡沫铝具有较好压缩应力和优良能量吸收能力。但是，泡沫铝在压缩过程中所表现出来的屈服应力比较低，这在很大程度上限制其在相关工业领域的应用。所以，越来越多的科研工作者在研究其它金属多孔材料方面傲了大量工作【４８．５２１。
６结语
影响金属多孔材料压缩性能的主要因素有：金属多孔材料的孔隙度、制备工艺、缺陷、温度、热处理工艺、孔形貌、单元胞尺寸以及应变速率等。金属多孔材料所具有的优良能量吸收特性，其与压缩性能紧密相连。因此，研究金属多孔材料压缩性能是其力学性能中非常重要的基础部分。但是，在研究金属多孔材料压缩过程中还存在亟待解决的一些问题：１）现在大多数金属多孔材料都是基于泡沫铝的产品，但是，泡沫铝的静态压缩应力和动态压缩应力都比较低，这样就在很大程度上限制了其广泛应用，可通过热处理、掺杂等方法来提高其压缩性能。２）现阶段金属多孔材料的压缩性能研究主要集中在单轴（单向）压缩方面，其多轴压缩性能有待进
一步的研究。
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