闭孔泡沫铝研究进展

泡沫铝的性能研究泡沫铝是一种具有微孔结构的新型材料，它由一系列连续分布的气孔所组成，具有较低的密度、较高的比强度和较好的吸能性能。

它的应用领域非常广泛，涵盖了航空航天、汽车、建筑等多个领域。

本文将对泡沫铝的性能进行研究，分析其物理、力学和热学性能，并讨论其应用前景。

首先，泡沫铝的物理性能非常优越。

由于其具有连续分布的气孔结构，泡沫铝的密度较低，一般在0.2-0.8g/cm³之间，相比于实心金属材料显著减小。

这种低密度使得泡沫铝具有优异的浮力，使其在水中或其他液体中具有良好的浮力特性。

此外，泡沫铝还具有较好的导热性能，由于气孔结构的存在，热量传递自由度增大，使得泡沫铝具有较低的热传导系数。

其次，泡沫铝还具有良好的力学性能。

泡沫铝的亲密堆积，使得它具有较好的抗压性能和抗弯性能。

通过控制泡沫铝的孔隙率和孔径分布，可以调控其力学性能，使其在不同应力条件下具有不同的力学特性。

泡沫铝的比强度（比重与抗压强度之比）较高，使得它具有较好的吸能能力和耐用性。

这也使得泡沫铝在汽车碰撞、航空航天领域的结构件中得到广泛应用。

最后，泡沫铝的热学性能也是其研究的重要方向之一、泡沫铝的气孔结构使得其可以较好地阻挡热传导，具有较低的热传导系数。

这使得泡沫铝在热隔离和热保护领域具有广泛应用前景。

此外，泡沫铝还具有较好的吸音性能，使其在建筑领域中可以用作吸音材料。

总之，泡沫铝作为一种新型材料，具有诸多优异的性能，包括物理性能、力学性能和热学性能。

通过研究和优化其孔隙结构和孔径分布，可以调控其性能，满足不同领域的需求。

随着技术的不断发展，泡沫铝在航空航天、汽车、建筑等领域的应用前景将更加广阔。

第44卷 第5期2010年5月西 安 交 通 大 学 学 报JOU RNA L OF XI A N JIAOT ONG UN IVERSIT YVol.44 5May 2010收稿日期:2009 09 29. 作者简介:张健(1981-),男,博士生;赵桂平(联系人),女,教授,博士生导师. 基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2006CB601202);国家自然科学基金资助项目(10632060,10825210).闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析张健1,2,赵桂平1,2,卢天健1,2(1.西安交通大学航天航空学院,710049,西安; 2.西安交通大学强度与振动教育部重点实验室,710049,西安)摘要:通过对具有不同孔隙率的闭孔泡沫铝在不同应变率下的动态压缩试验和数值模拟,研究了泡沫铝的应变率敏感性.结果表明:在准静态(0 001s -1)至2500s -1的应变率范围内,具有相同孔隙率的泡沫铝的静、动态单轴压缩变形模式相似,而具有不同孔隙率的泡沫铝的压缩变形模式则存在差异,高孔隙率和低孔隙率泡沫铝的应变率敏感性明显不同;基体材料的应变率敏感性决定了泡沫铝的应变率敏感性;微惯性、波效应和孔内气体压力对泡沫铝的平台应力不产生明显影响.关键词:闭孔泡沫铝;霍普金森压杆;应变率效应中图分类号:O347 文献标志码:A 文章编号:0253 987X(2010)05 0097 05Experimental and Numerical Study on Strain Rate Effects ofClose -Celled Aluminum FoamsZH ANG Jian 1,2,ZH AO Guiping 1,2,LU T ianjian 1,2(1.Sch ool of Aerospace,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China;2.M OE Key Laboratory forStrength and Vibration ,Xi an Jiaotong Un iversity,Xi an 710049,China)Abstract :T he strain r ate effects of close -celled aluminum foams w ith different porosities w ere ex -perimentally and num er ically investigated at different strain rates.It is found that the dy namic de -form ation behavio r of aluminum foams w ith sam e po rosity is similar to their quas-i static behav io r in the strain rate rang ing from 0 001s -1to 2500s -1.T he strain rate effects of alum inum foamswith v ary ing porosities are sig nificantly different due to different deformation m odes.T he str ain rate sensitivity o f aluminum fo am s o riginates m ainly fro m that o f their matrix m aterial,w hile the effects o f micro -inertia,shock wave,and compressed air pressure in cells are neg ligible.Keywords :close -celled aluminum foam;split H opkinson pressure bar;strain rate effect 泡沫铝是集多种优良性能(高的比强度、比表面积、阻尼、冲击能量吸收、隔声、隔热和电磁屏蔽等性能)于一身的新型结构功能性材料.在承受压力时,其应力 应变曲线上塑性变形阶段的应力几乎恒定不变,使大量的动能转变为应变能,因此可用作优良的撞击防护材料.鉴于泡沫铝在缓冲吸能、防爆隔振等承受动载方面的应用,研究其应变率效应显得尤为重要.但是,由于泡沫铝制备方法的多样性和动态试验技术的差异,迄今为止国内外学者对泡沫铝应变率效应的研究没有得出一致的结论.Deshpande 等[1]指出,相对密度为0 16~0 31的闭孔泡沫铝(A lulig ht)的动态试验和静态试验结果非常相似,应力平台对应变率不敏感,基体材料的应变率效应对泡沫材料性能的影响程度小于泡沫材料自身的离散性,孔内气体对泡沫铝强度的影响也可以忽略不计.但是,M ukai 等[2]随后发现,相对密度为0 106~0 155的闭孔泡沫铝(A lporas)具有明显的应变率效应,且由于孔内气体的作用,随着相对密度的减小,其应变率敏感性增加.凤仪等[3]发现,采用粉末冶金发泡法制备的泡沫铝(相对密度为0 16)存在应变率敏感性,并且指出,铝合金本身的应变率敏感性、微惯性和气体的作用导致泡沫铝具有较高的应变率敏感性.胡时胜等[4]认为,泡沫铝是应变率敏感材料,这种敏感性主要源于胞孔的变形特性、泡沫材料变形的局部化、微观惯性和致密性,致使泡沫铝材料的压缩屈服应力明显提高,但基体的应变率效应以及胞孔的形状大小并不对泡沫材料的应变率敏感性起主导作用.本文通过对具有不同孔隙率的闭孔泡沫铝在不同应变率下的分离式霍普金森动态压缩试验和有限元数值模拟,试图解释基体材料的应变率效应对泡沫铝动态力学性能的影响.1 泡沫铝的动态试验分析试验所用的闭孔泡沫铝采用粉末冶金发泡法制备,其基体材料除了A l 外,还有适量的Si 、T i 等元素.图1为不同孔隙率的闭孔泡沫铝试件.为便于比较,动态试验和静态试验所用试件采用相同尺寸,均为 35mm 10mm 圆柱体,在厚度方向保证至少5个胞元,采用电火花线切割加工试件以减少对胞孔结构的损伤.图1 不同孔隙率的闭孔泡沫铝试件泡沫铝的准静态单轴压缩试验在M TS 材料试验机上进行,高应变率单轴压缩试验采用如图2所示的分离式霍普金森压杆(SH PB)设备.基于弹性波在细长杆中传播时无畸变的特性,当输入杆中的入射脉冲到达试件界面时,一部分脉冲被反射,另一部分脉冲通过试件透射进输出杆,通过测定入射波、反射波和透射波作用在试件上所产生的应变 i (t )、 r (t )和 t (t ),可计算出材料的动态应力 应变曲线.为简单起见,本文采用两波法进行数据处理[5](t)=E AA s t(t)(1) (t)=2c l 0t 0[ i(t)- t (t)]d t (2) (t)=2c l 0[ i(t)- t (t)](3)式中:c 为弹性波在杆中的波速;l 0为试件试验段的原始长度;A 和A s 分别为杆和试件的初始横截面积;E 为杆材料的弹性模量.针对泡沫铝材料,在SH PB 试验中采用了以下技术以获得有效的试验数据.根据阻抗匹配原则,压杆材料选用硬质铝合金,其实测密度为2 78g/cm 3,实测波速为5215 8m/s,弹性模量为75 6GPa,屈服强度在300M Pa 以上.撞击杆(子弹)、输入杆、输出杆和吸收杆的直径均为37m m,长度分别为600、2000、2000和800mm,可以获得较长的加载时间.为了消除弥散现象和获得相对恒定的应变率,试验中采用了脉冲整形技术.经过多次尝试,选用铅皮作为脉冲整形材料,因为铅具有质柔软、延性弱、展性强等特性,尤其是其硬度只有铝硬度的一半,试验中不会伤害到入射杆和子弹,整形效果也较好.整形后一个波大约为300 s,如图3所示.为了避免波形叠加,在入射杆的中间截面各贴2组电阻应变片,在透射杆中间截面贴1组电阻应变片和1组半导体应变片,以便记录相对密度较低时的微弱透射信号.另外,将直径40mm 的PVDF 压电传感器置于试件的前、后表面以监控试件的应力均匀性.由于压电传感器的厚度仅为50 m,可忽略其对应力波传播的影响.采用高速摄影技术(Phanton V9 0)观察泡沫铝的动态压缩变形过程,拍摄条件为:速度21052fps(6417m/s),分辨率128 240dpi(128 240点/(25 4mm )2),曝光时间44 s.试验时,试样夹在输入杆和输出杆之间,在试样的前、后表面涂上凡士林以减小摩擦.图2 分离式霍普金森压杆(SH PB)设备示意图98西 安 交 通 大 学 学 报 第44卷图3 SHP B试验的典型波形图4给出了3种孔隙率的泡沫铝在不同应变率下的单轴压缩应力 应变曲线.可以看出,具有不同孔隙率的泡沫铝的应变率敏感性是不同的.例如,图4a中孔隙率为60%的泡沫铝在应变率为2200s-1时的平台应力较准静态(0 001s-1)时高出40%,图4b中孔隙率为70%的泡沫铝在应变率为1800s-1时的平台应力较准静态时高出25%,均存在较为明显的应变率效应.但是,图4c中孔隙率为79%的泡沫铝在应变率为2500s-1、900s-1和准静态时的平台应力基本重合,没有表现出应变率效应.在研究泡沫金属应变率敏感性的文献中,有关泡沫铝应变率效应产生原因的主要解释有: 微惯性; 波效应; 孔内气体压力; 基体材料的应变率效应.我们通过高速摄影,在应变率从0 001s-1至2500s-1的范围内未发现具有相同孔隙率的泡沫铝在变形模式上的差异,故不考虑微惯性效应.试件的最大压缩速度为20m/s左右,远小于考虑波效应的临界速度.此外,采用PVDF压电传感器监测试件前、后端面压力的变化,发现除孔隙率为79%的泡沫铝在压缩初始的几十微秒有些差异外,其他低孔隙率试件的整个压缩过程均可满足应力均匀性要求.孔内气体压力的问题较为复杂,但根据文献[6]的估算,孔内气体对闭孔泡沫铝压缩平台应力的贡献小于0 1M Pa,这样小的影响即使对于孔隙率为79%的泡沫铝来说,也可以忽略.所以我们认为,关于泡沫金属应变率的敏感性问题只能从基体材料的性能方面予以解释.2 泡沫铝的二维数值模拟为了进一步探讨泡沫铝基体材料的本构关系及相对密度对泡沫铝变形特性的影响,本文采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对泡沫铝的动态压缩性能进行数值模拟.根据不同孔隙率泡沫铝的胞孔形状和分布,分别建立了孔隙率为60%、70%和80%(a)孔隙率为60%(b)孔隙率为70%(c)孔隙率为79%图4 不同孔隙率泡沫铝的静动态名义应力 应变曲线(试验)的泡沫铝的二维有限元模型,其中孔隙率为60%的泡沫铝的模型如图5所示.模型尺寸均为10m m 10mm,选用平面应变单元.材料的塑性本构关系选用幂硬化模型[6],表达式为dy= sy1+C1/P(4)式中: d y、 s y分别为材料的动态和静态屈服应力; 为应变率;C、P为Cow per-Sym onds应变率参数,对铝合金取C=6500s-1,P=4[7],以考虑基体材料的应变率效应,另外,假定参数C=6 5 106s-1以不考虑基体材料的应变率效应.其他材料参数如弹性模量、泊松比和密度分别取为75GPa、0 33和2 7 g/cm3,未考虑单元失效.计算时选用单面接触算99第5期 张健,等:闭孔泡沫铝应变率效应的试验和有限元分析法,考虑模型全部表面在整个计算中任一点都可能发生接触.试件夹在两个刚性平面之间,一刚性平面静止,另一刚性平面以恒定速率对试件进行压缩加载,摩擦因数均取为0 01.图5 泡沫铝的二维有限元模型图6为有限元计算得到的不同孔隙率泡沫铝的压缩变形图.图7是分别采用考虑和不考虑基体材料应变率效应的本构模型计算得到的泡沫铝单轴压缩应力 应变曲线.计算结果表明,是否考虑基体材料的应变率效应并不会影响泡沫金属的变形模式,在应变率从准静态增加到1000s-1时,并未发现试件变形模式的差异,与试验结果吻合.(a)孔隙率60% (b)孔隙率70% (c)孔隙率80%图6 泡沫铝的二维有限元模型变形图从图7a可以发现,当考虑基体材料的应变率效应时,有限元计算结果和试验结果的趋势基本一致.当孔隙率为60%和70%时,试件破坏主要由胞孔的缩小和孔壁材料的塑性流动引起,泡沫金属继承其基体材料的应变率敏感性;当孔隙率为80%时,试件破坏主要缘于孔壁结构的屈曲和失稳,基体材料的性能得不到有效发挥,这时,泡沫金属的力学性能主要取决于孔的形状和分布,不会表现出明显的应变率效应.因此,基体材料的应变率敏感性是泡沫金属应变率敏感性的源头,如果基体材料有应变率效应,则泡沫金属的应变率敏感性随孔隙率的增大而降低.另外,从图7b可以看出,如果基体材料没有或只具有很弱的应变率效应,则相应的泡沫金属也不会表现出明显的应变率效应.(a)考虑基体应变率效应(b)未考虑基体应变率效应图7 不同孔隙率泡沫铝在不同应变率下的名义应力 应变曲线(有限元计算)3 结 论通过对具有不同孔隙率的闭孔泡沫铝在不同应变率下的试验和有限元模拟,发现高孔隙率和低孔隙率泡沫铝具有不同的应变率敏感性.在应变率从准静态至2500s-1的变化范围内,基体材料的应变率敏感性决定了泡沫金属的应变率敏感性,其影响程度随孔隙率的增大而降低,而微惯性、波效应和孔内气体压力对泡沫铝的应变率效应不产生明显影响.对于高孔隙率泡沫铝,在实际应用中不必考虑其应变率敏感性问题.参考文献:[1] DESH PA N DE V S,FL ECK N A.H ig h strain r atecompressive behavio r of aluminum alloy fo ams[J].Internatio nal Journal o f Impact Engineer ing,2000,24(3):277 298.[2] M U K AI T,M IY OSH I pr essiv e response of aclo sed-cell aluminum fo am at high str ain rate[J].Scripta M ater ialia,2004,54(4):533 537.[3] 凤仪,朱震刚,潘艺,等.应变速率对闭孔泡沫铝力学100西 安 交 通 大 学 学 报 第44卷性能和能量吸收性能的影响[J].材料热处理学报,2004,25(2):268 271.F ENG Yi,ZH U Zheng ang,PA N Yi,et al.Influenceof strain r ate on the mechanical pr operties and energ yabsor pt ion capacit y o f aluminum allo y fo am[J].T ransactions of M ater ials and Heat T reatment,2004,25(2):268 271.[4] 胡时胜,王悟,潘艺,等.泡沫材料的应变率效应[J].爆炸与冲击,2003,23(1):13 18.H U Shisheng,W AN G Wu,P AN Yi,et al.Strainrate effect o n the propert ies o f foam material[J].Ex plo sion and Shock W aves,2003,23(1):13 18.[5] 王礼立.应力波基础[M].2版.北京:国防工业出版社,2005:52 54.[6] M A G W,YE Z Q,SH A O Z S.M odeling lo adingr ate effect o n cr ushing str ess of metallic cellular mate-rials[J].Int ernational Journal of Impact Engineer ing,2009,36(6):775 782.[7] SU X Y,Y U T X,REID S R.I ner tia-sensit ive impactenerg y absor bing structur es:part II,effect of str ainr ate[J].I nter nat ional Journal of Impact Engineer ing,1995,16(4):673 689.(编辑 葛赵青)(上接第79页)[6] BO SO D P,L EFI K M,SCH REF LER B A.A mult-ilevel ho mog enised model for superconducting st randther momechanics[J].Cr yog enics,2005,45(4):259271.[7] G EN N,K AZ U O W,T AD AH IRO A,et al.Effect oftransverse compressive stress on int ernal reinfor cedNb3Sn super conducting w ir es and coils[J].Cr yog en-ics,2005,45(10/11):653 658.[8] ZH A NG Ping x iang,LIA N G M ing,T AN G X iande,etal.St rain influence o n J c behavio r of N b3Sn multifila-mentar y str ands fabr icated by internal tin pr ocess fo rIT ER[J].P hy sica:C,2008,468(15/20):1843 1846.[9] M U L L ER H,SCH N EIDER T h.Heat tr eatment ofNb3Sn co nducto rs[J].Cry og enics,2008,48(7/8):323 330.[10]BO T T U RA L,CA L V I M,SIEM K O A.Stabilityanalysis of the LH C cables[J].Cryo genics,2006,46(7/8):481 493.[11]方进,张永,丘明.H T 7U管内电缆导体稳定性的仿真与实验研究[J].中国电机工程学报,2008,28(15):147 152.F ANG Jin,Zhang Yo ng,Q iu M ing.Simulation andexperimental study o n H T 7U cable-in-conduit co nduc-to r stability[J].Pr oceeding s of the CSEE,2008,28(15):147 152.[12]M A RT O V ET SK Y N N.St abilit y and design criter ionfor cable-in-co nduit-conductor s w it h a broad t ransitionto no rmal st ate[J].Fusion Engineering and Desig n,2005,75/79(4):215 219.[13]BO T T U RA L.Stability and pr otectio n o f CICCs:anupdate desig ner s view[J].Cryo genics,1998,38(1):491 502.[14]W A NG Q iuliang,W ENG Peide,HE M o yan.Simula-tio n of quench for the cable-in-conduit-co nducto r inH T-7U superconducting T okamak magnets using po r-ous medium model[J].Cry og enics,2004,44(2):8192.[15]蒋华伟.管内电缆导体仿真设计算法模型研究[J].中国电机工程学报,2009,29(15):125 128.JIA N G H uaw ei.Research on ar ithmetic model forcable-in-conduit co nducto r simulation and design[J].P roceedings of the CSEE,2009,29(15):125 128. 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《泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，新型材料的研究与应用在各个领域中显得尤为重要。

其中，泡沫铝合金作为一种轻质、高强度、且具备良好吸能特性的材料，在汽车、航空航天、建筑等领域有着广泛的应用前景。

本文旨在研究泡沫铝合金的动态力学性能及其吸能机理，以期为相关领域的应用提供理论依据。

二、泡沫铝合金的动态力学性能研究1. 实验材料与方法本研究采用不同密度的泡沫铝合金作为研究对象，通过动态力学测试设备进行实验。

在实验过程中，对泡沫铝合金进行不同速度的冲击，以获取其动态力学性能数据。

2. 实验结果与分析（1）应力-应变曲线分析通过对泡沫铝合金进行动态力学测试，得到其应力-应变曲线。

从曲线中可以看出，泡沫铝合金在受到冲击时，具有较高的能量吸收能力。

在低速冲击下，泡沫铝合金表现出较好的塑性和韧性；而在高速冲击下，其应力-应变曲线呈现出明显的平台效应，表明其具有较好的能量吸收性能。

（2）能量吸收性能分析通过对不同密度、不同速度下的泡沫铝合金进行动态力学测试，发现其能量吸收能力与密度和冲击速度密切相关。

在低速冲击下，密度较高的泡沫铝合金具有更好的能量吸收能力；而在高速冲击下，密度较低的泡沫铝合金则表现出更好的吸能效果。

此外，泡沫铝合金的能量吸收能力还与其内部结构、材料组成等因素有关。

三、泡沫铝合金的吸能机理研究1. 吸能机理概述泡沫铝合金的吸能机理主要与其内部结构、材料组成及冲击过程中的变形行为有关。

在受到冲击时，泡沫铝合金内部的孔洞结构能够产生较大的变形，从而吸收大量的能量。

此外，其材料组成中的合金元素也能提高其强度和韧性，进一步增强其吸能能力。

2. 吸能过程分析在低速冲击下，泡沫铝合金主要通过孔洞的压缩、剪切和屈曲等变形行为来吸收能量。

而在高速冲击下，其吸能过程则更加复杂，涉及到材料的动态响应、能量传递与耗散等多个方面。

此外，泡沫铝合金在吸能过程中还会产生一定的热效应和声发射等现象。

第22卷　第3期V ol 122　N o 13材　料　科　学　与　工　程　学　报Journal of Materials Science &Engineering总第89期Jun.2004文章编号:10042793X (2004)0320452205收稿日期:2003208225;修订日期:2003211212基金项目:云南省自然科学基金重点资助项目2000E0003Z作者简介:左孝青(1964-),男,副教授.研究方向:泡沫金属.E mail :zxqdzhhm @h 泡沫金属制备技术研究进展左孝青1,孙加林2(11昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南昆明　650093;21昆明贵金属研究所,云南昆明　650221) 【摘　要】　本文对泡沫金属制备技术研究现状进行了综述,并就其发展的前沿问题进行了讨论,指出了泡沫金属制备技术的理论研究和工业化规模生产技术的发展方向,对泡沫金属的研究和开发具有重要意义。

【关键词】　泡沫金属;制备;综述中图分类号:T B383,T B34 文献标识码:AR evie w on Foam Metal Manu facture T echniquesZU O Xiao 2qing 1,SUN Jia 2lin2(11I nstitute of Materials and Metallurgy E ngineering ,K unming U niversity of Science and T echnology ,K unming 650093,China ;21K unming Precious Metals I nstitute.K unming 650221,China)【Abstract 】　The present manu facture techniques of foamed metals are reviewed and the problems of making foamed metals arediscussed in this paper.Ideals of further research and development of theory foundation and making metal foams ,especially on a large industrial scale ,are put forward.Therefore ,this research is very significant in the production of cellular metals.【K ey w ords 】　cellular metals ;foamed metals ;manu facture ;review1　前　言泡沫金属是一种结构一功能一体化的结构和功能材料,具有低密度、高孔隙率、闭孔或开孔的结构特征,其性能表现有能量吸收、吸音、电磁屏蔽、低的热电导率、结构阻尼性能、高比刚度等,是不同结构仪器或装置的可选材料,在汽车、航空航天、建筑、包装、热交换、电池极板等领域有广泛的应用。

泡沫铝的动态压缩性能和吸能性研究*程和法1,黄笑梅1,许玲2(1.合肥工业大学安徽合肥230009; 2.安徽工程科技学院安徽芜湖241000)摘要:通过测量泡沫铝在动态和准静态压缩条件下的应力-应变曲线,研究了泡沫铝的准静态和动态压缩行为以及不同应变条件下的吸能性,并对其应变率效应进行了分析。

结果表明,在高应变速率和准静态压缩下,泡沫铝的R-E曲线均表现出弹性变形段、平缓段和密实段三阶段特征;泡沫铝的压缩性能具有明显的应变速率敏感性,随应变速率的提高,流动应力上升,吸能性升高。

关键词:泡沫铝;动态压缩;应变率效应;吸能性中图分类号:T G146121文献标识码:A文章编号:1004)244X(2003)05)0037)03泡沫铝是一种具有独特力学性能的轻质结构材料,作为夹层填充材料、冲击防护材料以及冲击波衰减材料,泡沫铝在民用、工业、航空航天及军事等方面具有广泛的应用前景。

而所有这些应用均须对泡沫铝的力学行为特别是动态压缩条件下的力学行为有深入的了解,近几年来有关泡沫铝静态与动态力学行为研究的报道逐年增多[1-3],但是能够从理论上建立力学模型来描述泡沫材料力学响应规律的还仅限于静态加载条件下[4,5]。

不同研究者对各种闭孔或开孔泡沫铝进行了动态加载实验研究,但对于这类材料的应变率效应问题得出了不尽相同甚至相互矛盾的结论[6-8]。

究其原因,不仅有所用泡沫铝的基体材料及其制备工艺的不同,而且还有结构上的差异,如孔的几何形状、孔径大小、孔结构(开孔或闭孔)等因素。

因此,不论从理论上还是从实验上对泡沫铝动态力学行为的研究还有待继续深入。

本文的目的是用渗流法制备开孔泡沫铝,并对其动态力学行为进行研究。

1实验方法与过程1.1泡沫铝的制备实验中所用泡沫铝由工业纯铝采用加压渗流法制备而成,因此具有开孔结构,这种工艺的主要过程是:用一定粒径的NaCl粒子作填料置于模具中预热至400~500e,再将过热至700~750e的铝液浇入模具中,通过施加1~4@105N/m2的压力使铝液渗入粒子的缝隙之中,凝固后通过水溶解的方法去除其中的NaCl粒子,便可得具有三维连通孔结构的开孔泡沫铝。

合肥工业大学硕士学位论文泡沫铝的熔体发泡法制备及其性能研究姓名：郑海务申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：凤仪2003.2.1泡沫铝的熔体发泡法制备及其性能研究摘要０ｒ泡沫锅是一种结构和功能～体化的材料√本文采用熔体发泡法，／透跫提关理论分耩帮控秘发遐滠度、搅拌隧阕、爨溢黠闻、诞节发泡裁含黧等铡铸出了孰结构蒸本可控、孔洞分布均匀的闭孔泡沫铝样品。

在此基础上，礤究了泡沫铝的动态力学性能以及导逛、导热程电磁屏蔽嚣锈莲饿髓。

使用撵普金淼压杆测试了泡沫铝试样的动态压缩性能。

实验结果表强，泡沫锤熬聪鼹强发涟着澎交率魏罐热蘧增麴；瘟交黠露钵豺瓣的成变率敏感度影响很小，但是泡沫铝的应变率敏感度不是常数，而是睫饕真应交翦璞热霭耀大，在秘榉的盛变下，夔着寂交率变铯糕度黎增大而增大：泡沫铝的能量吸收随着成变率的增加而增加并且和泡沫铝戆密度鬻关；溅沫铝憋吸能效率睫麓应变率瓣增糖略有下降。

研究了泡沫绢的导热系数耩电导鬻与箕徽结构（孔隙率、孔径）的关系，结果表明随着孔隙率的增加，泡沫铝的导热系数、电导率部降鬣，琵在魏豫率慕本耦霹条｛孛下琵径辩予泡沫锈韵静热系数与奄嚣率影响很小，可以忽略不计。

涎试了淹濠锱翡电磁孱薮效麓。

缨果表鹾，在孔径摇避时，熬麓嚣隙率的增大，泡沫铝的屏蔽效能随之下降。

幽孔隙牢相近时，随着孔径懿增大，泡沫铝静羼蔌效鼹瞧下降。

瑟蓐发见乎对泡沫镪匏爨菠效能笼影响。

美键键；泡沫锈凄态艨缩导熬系数窀露牵邀磁鬓激ＭｅａｎｓｏｆＭＦＴａｎｄＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙｔｈｅｔｈｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙＦｏａｍＡｂｓｔｒａｅｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｌｏｓｅｄ．ｃｅｌｌｆｏａｍｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｕｎｉｆｏｒｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｐｏｒｅｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｍｅｌｔｆｏａｍｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏａｍａｇｅｎｔ，ｆｏａｍｉｎｇ（ＭＦＴ）．Ｂｙｒｅｌａｔｉｖｅｔｈｅｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｔｉｒｒｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｈｏｌｄｔｉｍｅ，ｍｅａｎｓｏｆｇｅＲｉｎｇｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｈａｓｂｅｅｎｆｏｕｎｄ。

一、引言现代工艺技术的发展，使得泡沫金属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。

作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特点；作为功能材料，它具有减震、吸收冲击能、耐高温、隔声、吸声[1]、隔热、不燃烧、抗腐蚀、电磁屏蔽等物理性能[2-6]。

最主要的是它可以将低密度、高刚度、冲击吸能性、低热导性、低磁导率和良好的阻尼性综合在一起[7]。

在需要综合利用这些性能的领域内，泡沫金属有着广泛的应用前景[8-9]。

泡沫铝按照基体材料的不同，可将其分为泡沫纯铝和泡沫铝合金两类。

由于泡沫铝合金同时具有纯铝和其它合金元素的性能，与泡沫纯铝相比其强度和吸能能力通常得到了提高。

常见的泡沫铝合金有泡沫铝硅合金、铝镁合金和铝铜合金。

按照孔结构的不同，可将泡沫铝分成开孔和闭孔两种[10]。

泡沫铝具有较高的压缩强度，同时具有较长的平台应力。

压缩过程中的大量能量在近似恒定的应力下被吸收[11]，从而使得泡沫铝具有很强的吸能能力。

关于泡沫铝吸能性能的研究文献很多。

Pkarash等人[12]认为泡沫铝的能量吸收能力不仅与基体材料的弹塑性有关，还与其它一些耗散过程有关，如破碎的孔壁之间的摩擦。

Beals等[13]通过对密度不均匀的Alcna 泡沫材料的测试分析，指出密度梯度是削弱泡沫材料能量吸收能力和效率的重要原因。

在传统的管式吸能装置中，采用泡沫铝作为填充物可以提高结构的刚度和吸能能力，从而改进缓冲吸能装置的性能。

国外许多文献都报道了由泡沫铝充当芯材的夹心式组合结构的静动态压缩力学行为的实验研究，国内该方面的文献比较少。

泡沫铝,是一种新型的功能材料, 其发明只有四十余年的历史。

Sosnik 在1948 年提出利用汞做发泡剂, 在液态铝合金中气化制取泡沫铝的想法。

在1956 年, Ellist根据这一想法成功地制造了泡沫铝。

20 世纪60 年代, 美国Ethy l 公司已成为研制泡沫铝的科研中心基地。

泡沫铝研究综述班级:材科102班姓名：***学号：*********指导教师：***泡沫铝研究综述吴凯青岛理工大学摘要：泡沫铝是一种新型的轻质结构功能材料。

本文首先介绍在制造泡沫铝的过程中起了至关重要的作用的发泡剂。

泡沫铝中气源主要分为H2源和C02气源，氢化物发泡剂应用较为普遍；其次对泡沫铝动态压缩力学性能的实验测量技术进行了总结；另外分析总结了泡沫铝随着气孔孔径的减小，它的力学性能、电磁屏蔽效能、吸音性能的变化；最后，介绍了泡沫铝作为结构材料、功能材料及功能结构一体化材料应用的研究现状。

关键词：泡沫铝；发泡剂；力学性能；冲击荷载；小孔径Abstract:Foam aluminum is a new lightweight structure and function of materials. This paper describes the process in the manufacture of aluminum foam played a crucial role in the blowing agent. Aluminum foam in the gas source is divided into H2gas supply sources and CO2, hydrides foaming more general; followed by dynamic compression of aluminum foam mechanical properties of experimental measurement techniques are summarized; another analysis summarizes the aluminum foam with pore size decreases, its mechanical properties, changes in electromagnetic shielding performance, acoustic performance; Finally, the research status of aluminum foam as a structural material, structural and functional integration of functional materials materials applications.Keywords:Foam aluminum；Vesicant；Mechanical Properties；Impact load；Small Aperture引言泡沫铝是一种新型的轻质结构功能材料，粉末冶金法是一种制备泡沫铝的重要的方法。

《泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，泡沫铝合金作为一种新型的轻质材料，因其独特的物理和力学性能在多个领域得到广泛应用。

尤其在涉及高强度冲击、震动以及能量吸收的场景中，泡沫铝合金的性能尤为重要。

因此，研究其动态力学性能及其吸能机理具有重要的学术价值和实践意义。

本文旨在探讨泡沫铝合金在动态条件下的力学性能及吸能机理，以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。

二、泡沫铝合金的动态力学性能泡沫铝合金的动态力学性能主要包括其承受冲击、振动等动态载荷时的力学响应和变形行为。

通过一系列的动态力学实验，可以获得泡沫铝合金在不同冲击速度、不同温度等条件下的应力-应变曲线，从而分析其动态力学性能。

在实验中，我们采用了高速冲击试验机、振动试验机等设备，对泡沫铝合金进行了不同条件下的动态力学测试。

实验结果表明，泡沫铝合金在受到冲击时具有较好的能量吸收能力，且其应力-应变曲线呈现出典型的塑性变形特征。

此外，我们还发现泡沫铝合金的动态力学性能与其组成成分、孔隙率、孔径大小等因素密切相关。

三、泡沫铝合金的吸能机理泡沫铝合金的吸能机理主要涉及材料的微观结构和能量吸收过程。

在受到冲击或振动时，泡沫铝合金内部的孔隙结构能够有效地吸收和分散能量，从而保护材料本身不受损伤。

此外，其塑性变形行为也为其提供了良好的能量吸收能力。

具体而言，当泡沫铝合金受到外力作用时，其内部的孔隙结构会发生压缩、剪切等变形行为，从而消耗大量的能量。

同时，由于泡沫铝合金的孔隙结构具有较好的韧性和延展性，使得其在变形过程中能够承受较大的能量输入。

此外，泡沫铝合金的塑性变形行为也有助于其吸能能力的提高。

四、研究方法及结果分析为了深入探究泡沫铝合金的动态力学性能及其吸能机理，我们采用了多种研究方法。

首先，通过理论分析，建立了泡沫铝合金的力学模型，为后续的实验研究提供了理论依据。

其次，我们利用扫描电子显微镜等设备对泡沫铝合金的微观结构进行了观察和分析，为其吸能机理的研究提供了有力支持。

㊀第43卷㊀第4期2024年4月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.4Apr.2024收稿日期:2022-10-13㊀㊀修回日期:2023-08-31基金项目:国家自然科学基金项目(51904179);山东省自然科学基金项目(ZR2023ME148);山东省精密制造与特种加工重点实验室项目(5322027)第一作者:曹梦真,女,1999年生,硕士研究生通讯作者:安钰坤,男,1987年生,副教授,硕士生导师,Email:anyukun277@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202210016泡沫铝有限元仿真模型研究现状曹梦真1,邱田伟1,安钰坤1,2(1.山东理工大学机械工程学院,山东淄博255000)(2.山东鸿宇风机有限公司,山东淄博255300)摘㊀要:泡沫铝作为一种兼具结构性和功能性的轻质多孔金属材料,具有优异的阻尼减震㊁吸能防护㊁电磁屏蔽等特性,呈现出广阔的应用前景㊂为改进和拓展泡沫铝在各工业领域的应用,对泡沫铝材料的有限元仿真模拟应运而生,对其的仿真模型也日趋完善㊂综述了泡沫铝仿真模拟中的孔泡建模研究进展,归纳分析了所采用的构建方法与研究结果,总结了各仿真模型的优势和不足,并对泡沫铝仿真建模的发展趋势做出了展望,指出将三维逆向重构技术引入仿真建模,以及将理论分析㊁建模模拟和实验研究相结合是现阶段重要的研究方向㊂关键词:泡沫铝;数值模拟;有限元方法;仿真模型中图分类号:TG146.2;O346㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)04-0323-08引用格式:曹梦真,邱田伟,安钰坤.泡沫铝有限元仿真模型研究现状[J].中国材料进展,2024,43(4):323-330.CAO M Z,QIU T W,AN Y K.Research Status of Finite Element Simulation Model of Aluminum Foams[J].Materials China,2024,43(4):323-330.Research Status of Finite Element SimulationModel of Aluminum FoamsCAO Mengzhen 1,QIU Tianwei 1,AN Yukun 1,2(1.School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China)(2.Shandong Hongyu Ventilator Limited Company,Zibo 255300,China)Abstract :As a kind of lightweight porous metal with both structural and functional performances,aluminum foam presentsexcellent damping,energy absorption protection,electromagnetic shielding,and other characteristics.Hence,aluminum foam shows broad application prospects.To improve and expand the application of aluminum foam in various industrial fields,the finite element simulation of aluminum foam emerges,and the simulation models are constantly improved.This pa-per focuses on the bubble modeling in aluminum foam simulation,summarizing the construction methods,research results,and the advantage and disadvantage of each model.Additionally,the development trend of aluminum foam simulation model-ing is prospected,such as incorporating 3D reverse reconstruction technology into the modeling process and integrating theo-retical analysis,simulation modeling,and experimental research.Key words :aluminum foam;numerical simulation;finite element method;simulation model1㊀前㊀言泡沫铝是一种由铝合金基体和孔泡复合而成的新材料[1,2],既具有金属材料的结构特性,又有多孔材料的功能特性㊂轻质㊁高比强度㊁阻尼减震以及电磁屏蔽等特性使泡沫铝材料在建筑㊁汽车㊁航天航空等领域拥有广阔的应用前景[3,4]㊂然而,在泡沫铝的发泡制备中,发泡剂是否均匀分散㊁孔泡是否稳定,均会显著影响发泡效果进而影响材料性能㊂为准确模拟实际泡沫铝的性能,构建一个多孔泡沫铝模型是仿真模拟的基础㊂有限元法(finite element method,FEM)又称有限元分析(finite element analysis),由Clough [5]在20世纪70年代首次提出,它作为一种可以用来解决力学问题的数值近似方法,随着计算机的发展不断崛起,被逐步引入多孔中国材料进展第43卷金属材料的模拟研究中[6,7]㊂在建模过程中只需改变相应参数,即可得到不同孔隙分布的模型,缩短试验周期,节约成本提高效率,同时解决泡沫铝样品在实验中不可重复的问题,具有一定的前瞻性㊂同时,仿真模拟也可作为理论分析和实验测试强有力的工具,预测多孔材料宏观尺度的力学性能和破坏损伤机制,有效解决实际生产中的诸多问题㊂目前,有许多微尺度模型可以体现出泡沫铝的结构特性,本文将多孔泡沫铝的仿真模型分为3类:简单晶胞模型㊁随机模型和三维CT重构模型㊂本文针对不同类别具有代表性的模型进行详细阐述,并归纳模型的构建方法与研究结果,分析模拟结果与实验结果的差异,对各模型的优势与不足进行深入探究㊂2㊀简单晶胞模型早期学者对泡沫铝的结构不甚了解,仅用简单实体结构模拟泡沫铝的孔隙,即代表体积单元(representative volume element,RVE)[8,9],又称为镶嵌法[10]㊂该三维模型是将一个独立基本单元不断复制与堆砌形成的,多采用简单立方或近球体模拟孔泡形态㊂RVE法可通过增加晶胞点数或面数提高复杂性,但模型构造方法保持不变㊂2.1㊀立方胞体模型受金属晶体晶格结构[11]的启发,研究人员通过不断堆砌实体单元构建出多孔材料结构㊂立方胞体作为最简单的晶格结构,分为简单立方㊁面心立方和体心立方3类,且此构造方式可以形成具有良好对称性和周期性的高孔隙率几何模型㊂图1为Libonati等[12]建立的3类立方胞体单胞模型(其参数特性如表1所示),该模型可在一定程度上模拟泡沫铝的孔隙结构,在准静态压缩状态下呈现典型的线弹性㊁塑性平台和致密化3个变形阶段,且变形失效模式与实验测试结果高度相关[13],如图2所示㊂袁本立等[14]对1/8胞体结构模型沿z轴加载模拟发现,简单立方结构支撑棱柱存在不均匀性,中心位置与节点过渡处部位差异较显著,在结构吻合度方面略逊于面心立方和体心立方结构㊂刘培生等[15]的八面体模型构造原理与面心立方相似,单元错落有致地分布在3个相互垂直的三维方向上,实现结构整体的密堆积,该模型的承载模拟表明结构状态和承载状态是完全等价的,具有三维同性的优势,然而仅适用于孔隙率大于70%的多孔结构㊂简单的整体结构使立方胞体模型在模拟孔隙率高于80%的试样时结果较为准确[16],但它无法模拟复杂多变的孔隙结构,因此建模精度不高,不能真实地反映多孔材料的力学性能㊂2.2㊀Gibson-Ashby模型美国麻省理工大学Gibson和英国大学Ashby在研究泡沫铝力学性能时构建了Gibson-Ashby经典模型[17],如图3所示[18],该模型由1个孔隙单元和12根相互垂直的棱柱组成,立方框架结构简单均匀且具有各向同性㊁普适性及广泛的应用价值[19]㊂同时,Gibson也最早采用三段式分段函数来表征泡沫铝的应力-应变曲线,从细观梁弯曲理论角度展现了线弹性区㊁屈服平台区和致密化区3个变形阶段,并充分考虑到闭孔泡沫铝的胞壁延展变形,给出了泡沫材料压缩强度表达式:σ∗pl=C1φ㊃ρ∗ρs()3/2+C2(1-φ)㊃ρ∗ρséëêùûú㊃σys(1)其中,ρ∗和ρs分别为泡沫和基体的密度,σ∗pl和σys分别表1㊀立方胞体结构参数及与相对密度的定量关系Table1㊀Cubic cell structure parameters and relationships with relative density Cell type Cell structure Ratio of sphere radius Equations of relative densitySingle-centered cubic cell model Open-cellClosed-cell1/2<r s/a<2/20<r s/aɤ1/2ρfsρs=8π3(r s/a)3-3π(r s/a)2+π4+1ρfsρs=1-4π3(r s/a)3Face-centered cubic cell model Open-cellClosed-cell2/4<r f/a<6/60<r f/aɤ2/4ρffρs=80π3(r f/a)3-122π(r f/a)2+22π+1ρffρs=1-16π3(r f/a)3Body-centered cubic cell modelOpen-cellPartial open-cellClosed-cell1/2<r b/a<32/83/4<r b/aɤ1/20<r b/aɤ3/4ρfbρs=52π3(r b/a)3-(7+43π)π(r b/a)2+34+712()π+1ρfbρs=8π(r b/a)3-43π(r b/a)2+34π+1ρfbρs=1-8π3(r b/a)3423㊀第4期曹梦真等:泡沫铝有限元仿真模型研究现状图1㊀3种立方胞体单胞模型及三维实体模型[12]Fig.1㊀Single cells and the three-dimensional solid models of three cubic cell models[12]图2㊀基于3种立方胞体模型模拟的准静态压缩下的变形失效模式及与实验结果对比[13]Fig.2㊀Simulated deformation failure modes of three cubic cell models under quasi-static compression and comparisons with experimental results[13]图3㊀Gibson-Ashby 模型[18]:(a)单胞模型,(b)拉伸位移及应力云图Fig.3㊀Gibson-Ashby model [18]:(a)single cell model,(b)tensile displacement and stress contour523中国材料进展第43卷为泡沫材料和基体材料的屈服强度,φ为孔棱所占基体材料的体积分数㊂然而,由于发泡过程中孔泡的随机分布,无法有效控制孔棱整体分布,且孔棱与孔壁的分界无统一标准,因此,实际微观结构与理论微观结构仍存在差别,造成理论弹性模量与临界屈服应力高于实际所测结果[20]㊂Tereza等[19]在建模时通过增加棱柱厚度压缩中央孔洞体积构建了不同孔隙率的Gibson-Ashby模型,并发现该模型对大于70%的高孔隙率材料可实现有效预测,相对电导率和相对杨氏模量的预测结果与实验结果都相差4%左右㊂Haag等[21]通过实验对比发现,Gibson-Ashby 模型只能对几何模型失稳显著的泡沫结构进行稳态蠕变行为预测,且只能预测泡沫蠕变率的下限,具有很大的局限性㊂刘培生[22]分析发现该模型结构具有无法密堆积㊁棱柱结构不完全等价等缺点,导致受力效果不够理想以及裂纹扩展方式与受力分析存在偏差㊂2.3㊀Kelvin模型Kelvin模型的单胞由8个正六边形和6个正四边形组成,具有26个顶点和36根棱边,又称十四面体模型(图4)㊂该模型单胞可按周期性规则排列填满整个空间,也被认为是最接近泡沫金属的结构模型[23],在模拟低密度的泡沫金属时更具有真实性㊂Kelvin模型属于RVE方法中的一种类型,可通过增加几何结构的复杂性使模型接近真实孔泡㊂Belardi等[24]及Jang等[25]对传统Kelvin 模型进行了改进,建立了沿带离散变化的圆形截面有限元梁模型,并用光束模型校正节点的弹性特性,使该模型在力学性能方面与实体结构的差异大大缩小,且计算量远低于实心Kelvin模型㊂Zheng等[26]与Duan等[27]分别利用LS-DYNA及ABAQUS/Explicit2种有限元模拟软件研究了准静态Kelvin模型单胞的力学响应和变形模式,发现变形模式是从加载端逐渐积累应变,并通过渐进堆积完成整体变形㊂Sun等[28]认为Kelvin模型未考虑顶点对力学性能的影响从而高估了材料的杨氏模量,在应力-应变图中无法准确展现出压缩平台区域㊂对称分布的宏观Kelvin力学模型无法模拟微观结构对整体的影响,致使所得结果与实验结果存在不少偏差㊂图4㊀Kelvin模型结构建模步骤[23]Fig.4㊀Modeling steps for Kelvin modeled structure[23]3㊀随机模型由于用宏观力学模型模拟微观结构特征准确度不高,近年来,诸多学者通过构建随机模型来模拟具有高度复杂孔隙结构的泡沫金属的力学行为㊂与简单晶胞模型同质化连续统一方法不同,随机模型可以模拟泡沫铝发泡成形的过程,实现胞孔随时间/空间的变化,具有非均质多尺度的优势㊂3.1㊀随机胞孔模型随机胞孔模型可分为二维和三维2种,是将简单胞孔在一定平面或空间随机排布而形成的随机模型,可通过调整胞孔尺寸参数和数量来改变孔隙结构,实现随机模型的整体构建㊂Dou等[29]结合C++和ANSYS/LS-DY-NA软件建立了不同相对密度(20%,30%和40%)的二维随机模型,采用圆形孔泡随机分布的建模方式,探究不同相对密度下微惯性效应对应变率效应的影响㊂分析发现相对密度越高应变率效应越明显,该结论与实验结果保持一致,但由于孔壁缺陷,模拟值与实验结果相差10%左右[30]㊂三维随机模型分为球形㊁椭球形和多面体形,该类模型构建步骤如下:先构造一个立方体模型,设定孔隙率㊁孔径范围及最小壁厚等参数,在立方体空间随机生成形核点,使形成的实体胞孔随机排列且不会干涉,最后运用布尔运算即可得到三维随机模型㊂该法得到的模型孔隙结构更接近真实泡沫铝,且仿真结果与实验结果趋于一致㊂Fang等[31,32]利用凸多面体模型模拟泡孔隙单元形成泡沫铝模型并映射生成有限元网格,分析发现多孔材料对冲击作用下的能量吸收源于孔壁的塑性变形(图5)㊂623㊀第4期曹梦真等:泡沫铝有限元仿真模型研究现状图5㊀三维随机多面体泡沫铝模型构建步骤(a)和模拟的准静态压缩时的应力-应变曲线(b)[31,32]Fig.5㊀Modeling steps for three-dimensional random polyhedral aluminum foam model (a)and simulated stress-strain curve during quasi staticcompression (b)[31,32]㊀㊀泡沫铝胞孔内的气体在变形时受到细胞壁坍塌挤压,进而推动下一阶段压缩,因此赋予气体参数并考虑空气效应会更接近实验结果㊂Zhu 等[33]通过不同的渐进损伤模型比较孔泡形态对压缩性能的影响,发现椭球形态的孔泡呈现出各向异性几何结构,胞孔内部气体压力对不同方向施加载荷导致非对称变形,进而使材料拥有更高的弹性模量和抗压强度(30~40MPa)㊂三维随机模型在建立之初就能够考虑到实际的泡沫铝形态,既有宏观规律性又有微观随机性,推广性和实用性更强㊂然而模型的模拟过程也会相对繁琐,模型参数的设置比较复杂且随机因素较多,因此编程前的设计准备以及程序运行所耗费的时间和精力会显著增加㊂3.2㊀Voronoi 模型Voronoi 模型是利用空间分割方法,通过定义切割点的距离将空间划分为规定个数的无缝单元㊂Voronoi 模型的二维及三维模型如图6所示[34,35],成形方法是在一个指定的空间中,先生成距离不能小于规定值并随机排列的形核点,以其为中心按相同速率长大形成胞孔,当相邻胞孔彼此相遇时停止生长,边界即为相邻形核点相连的垂直平分线,直至布满整个空间㊂我国的国家游泳中心 水立方 就是采用了这种构造方式[35]㊂Li 等[36]运用LS-DYNA 有限元软件与霍普金森压杆研究泡沫铝试样在70m /s 的速度下的压缩变形行为,实验与模拟所得的应力-应变曲线如图7所示,均呈现典型的线弹性区㊁屈服平台区和致密化区3个阶段且两数据吻合度较高,表明Voronoi 模型具有准确的预测作用㊂除孔洞结构参数外,基体材料的力学性质也将直接决定泡沫金属的压缩行为和变形模式㊂程和法等[37]对纯铝及铝基泡沫金属进行压缩试验,纯铝为基体的泡沫铝表现出典型的塑性泡沫特征和较低坍塌屈服强度,铝基泡沫金属呈现典型的脆性泡沫特征和较高的弹性模量及屈服强度㊂对于三维Voronoi 模型,学者多选择理想的弹塑性模型来表征泡沫铝单元壁材料[38],如采用著名的Cowper-Symonds 关系表征母材的塑性变形[39]:泡沫铝基体的典型弹性模量为69~73GPa,屈服强度为100~300MPa [40];或是利用von Mises 屈服准则及各向同性硬化塑性材料模型[41,42],通过静态单轴拉伸实验提取屈服应力及切线模量作为实际参数增加模拟结果准确率[43,44]㊂Voronoi 模型的建模过程模拟了泡沫铝材料随机发泡成形的过程,在表现材料微观结构复杂性的同时提高了计算效率,因此获得广泛应用㊂然而,二维或三维Voronoi 模型因采用随机形核成长的建模方式,每个孔泡边缘处均呈现较为尖锐的边界,与实际的胞孔圆弧边界不符[45],易造成应力集中等缺陷㊂此外,Voronoi 模型未考虑泡沫铝多孔泡交界处Plateau Border 边界的真实形貌,因此该模型分析结果与实际有较大差异㊂研究表明,图6㊀Voronoi 模型:(a)2D-Voronoi 壳单元模型[34];(b) 水立方 场馆外墙,(c)3D-Voronoi 几何模型[35]Fig.6㊀Voronoi model:(a)2D Voronoi [34];(b)external wall of the building Water Cube and (c)3D Voronoi [35]723中国材料进展第43卷图7㊀基于Voronoi模型的压缩实验模拟(a)及所得应力-应变曲线及与实验结果对比(b)[36]Fig.7㊀Simulation for compression test based on Voronoi model(a)and simulated stress-strain curve and comparison with experiment result(b)[36]该模型与Kelvin模型相比,对泡沫铝材料体积弹性模量的预测结果低20%[46]㊂为改善Voronoi模型,有关学者通过向模型中加入圆形或椭圆形胞孔来减少模型与实际的偏差,但是该法削弱了随机孔隙优势㊂此外,Voronoi 模型的孔壁厚度是通过壳型建模形成的,其孔壁厚度保持一致,难以实现随机分布,因此当泡沫铝试样孔壁厚度不均甚至相差较大时,模拟结果与实际实验出现较大偏差㊂4㊀三维重构模型三维重构建模是结合同步辐射X射线计算机断层照相技术(synchrotron X-ray computed tomography,SXR-CT)进行重构,近乎可实现材料结构1ʒ1无损建模㊂三维重构模型的精度受SXR-CT的扫描步长和分辨率影响,在工业CT技术迅猛发展的背景下,该模型的研究也日趋增多[47,48]㊂此外,对于结构比较复杂的闭孔泡沫结构而言,SXR-CT是一种很有前景的小尺度三维结构研究方法,具有较高的空间分辨率,可以在不破坏原始物体的情况下原位观察结构以及特征的变化[49-51](图8),具有其他模型不具备的真实性和准确性㊂Li等[49]利用SXR-CT技术建立了三维重构模型,有限元方法模拟的应力应变曲线与该试样的真实测试结果如图9所示,2组数据呈现高度吻合;在结构薄弱处首先出现的压缩面逐渐扩展至整个模型,塑性变形带演化规律与实际测试结果契合度较高㊂Kader等[52]发现泡沫铝承载时会在孔壁交界处的Plateau Border形成塑性铰(plastic图8㊀三维重构模型构建流程图[51]Fig.8㊀Flow chart of three-dimensional reconstruction model construction[51]823㊀第4期曹梦真等:泡沫铝有限元仿真模型研究现状hinge),弯曲力矩的存在降低了孔壁的承载性能,而胞壁的速率依赖性和微惯性取决于结构特性[53],从而导致孔隙结构的坍塌㊂目前,基于泡沫铝模型模拟的力学性能与实际测试值之间的误差一般归因于模型构建中忽略了细胞壁的微孔及微缺陷,据统计,直径在30~350μm 范围内的微孔约占金属体积的26%[54]㊂Zhang 等[47]研究发现,在控制微孔缺陷作为单一变量后,垂直载荷和水平载荷方向上的模拟分析结果与真实试样测试结果相比,全局误差分别为15.9%和4.5%㊂图9㊀基于三维重构模型有限元模拟的应力应变曲线及与实验结果对比[49]Fig.9㊀Comparison of stress-strain curves from finite element methodsimulation based on three-dimensional reconstruction model andthe experiment[49]Toda 等[55]关注到应力松弛发生的微裂纹或微孔偏转,他们通过在孔泡之间建立互连来影响金属泡沫的胞孔结构,进而引起显著的裂纹偏转㊂Movahedi 等[56]则认为孔壁中微孔的存在作为裂纹萌生和扩展源进一步诱导了局部应力集中,从而削弱了泡孔结构强度(图10)㊂利用三维重构技术可以真实反映出内部微孔的分布,这也是基于三维重构模型的模拟结果更加准确的原因㊂然而,由于SXR-CT 是基于不同角度的静态图像识别,需要对现有实体进行扫描重构,严重依赖数据收集,因此难以对孔隙率㊁孔径尺寸及分布㊁孔泡壁厚及胞孔形状等参数进行反复多次的定量研究[57]㊂三维重构模型大小受CT 分辨率影响,当试样尺寸过大或分辨率要求太高时,需要大型试验设备及专业人员进行繁琐复杂的重构处理㊂CT 图像阈值的设置会直接决定孔隙率的识别情况,进而导致孔泡与铝基体区域的误判㊂此外,该模型无法实现高通量随机模型的构建,且模型构建成本偏高,这也是制约此技术推广发展的关键因素㊂5㊀结㊀语泡沫铝材料由于发泡条件各不相同,胞孔大小㊁分图10㊀内部微孔分布的三维渲染透视图[56]Fig.10㊀Three-dimensional rendered perspective view of internalmicro-pores distribution [56]布以及胞壁厚度复杂多变,关于泡沫铝模型的构建一直都在不断突破与完善㊂为了分析并预测泡沫铝的承载性能及失效模式,本文分析并讨论了现有的几种泡沫铝有限元模型的优缺点,分别是:以代表体积单元构建的简单晶胞模型,该模型结构简单,但无法反映实际的多孔结构;以随机形核点构建的非均质多尺度随机模型,可实现孔壁和孔泡数目的参数设定;运用X 射线衍射及图像重构技术的三维重构模型,可实体1ʒ1无损建模并能精确反映泡沫材料的微观结构㊂泡沫铝材料内部孔隙具有复杂性和随机性,使材料在承载时表现不同的失效模式,为此寻求并构建一种可精确反映泡沫铝随机孔隙结构的孔泡模型,准确且简单地表征出实际泡沫铝的结构特点并具有一定实用性和推广性,仍是泡沫铝材料数值模拟研究的重要一步㊂参考文献㊀References[1]㊀HU L,LI Y,YUAN G,et al .Journal of Materials Science[J],2022,57(24):11347-11364.[2]㊀AN Y K,YANG S Y,ZHAO E T,et al .Materials and 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21世纪最具潜力新材料之泡沫铝——用孔改变世界！从20 世纪中叶开始，世界各国竞相投入到多孔泡沫金属的研究与开发之中，同时也相继提出了各种不同的制备工艺，根据不同的应用场合和不同的结构要求，所采用的制备工艺也不同。

由于泡沫铝材料反映了结构材料与功能材料多学科互相渗透的新趋势，在学术领域展示了广泛的空间，在高技术领域及一般工业领域有广阔的应用前景，因而成为21 世纪美、英、日、德及中国竞相研究的前沿热点材料。

到目前为止，泡沫铝行业的研究已近70年，通过这几十年的研究，全球泡沫铝行业发展的究竟怎么样了呢？中国的泡沫铝研究起步较晚，是否后来居上了呢？一、泡沫铝简介泡沫铝是指在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡特征，是一种集结构和性能一体化的新型功能材料。

泡沫铝性能超轻性密度为0.2~0.4g/cm3，约为铝密度的1/10，钛密度的1/20，钢密度的1/30，钢密度的1/30，以及木材密度的1/3。

吸音性泡沫铝可以通过气孔壁的振动来吸收声音的能量，用来消声。

去除噪声。

耐热性具有较高的耐热性，一般铝合金的溶解温度在560·700℃左右，单泡沫铝即使加热到1400℃也不溶解，而且在高温下不释放有害气体。

电磁波屏蔽性泡沫铝对高频电磁波有良好的屏蔽左右，能够使电磁干扰降低80%以上。

二、泡沫铝发展历程三、泡沫铝产品四、泡沫铝制备办法泡沫铝的制备方法有很多种，具体分类如图所示。

其中对于闭孔泡沫铝来说，主要的制备方法有熔体发泡法和粉末冶金法。

通孔泡沫铝的制备方法主要有渗流铸造法和熔模铸造法。

五、泡沫铝应用与产业链泡沫铝应用十分广泛，在军工行业，建筑行业，航空航天行业，机械制造行业，汽车制造行业等都有较多的应用。

泡沫铝产业链上游铝土矿、焦炭、氟化铝、冰晶石等中游铝合金锭、铝合金铸棒、泡沫铝下游建筑行业、机械行业、军工行业、航空航天、交通运输、海洋船舶六、泡沫铝发展现状及趋势发展现状世界上泡沫铝研究较早，在美国、日本、加拿大等国家已广泛应用于工业实际，我国泡沫铝的研发起步较晚，虽然取得了一定的研究成果，并使其产业化，但与发达国家相比工业化水平与规模仍有很大差距。

闭孔泡沫塑料结构与性能研究进展
闭孔泡沫塑料结构与性能研究进展
综述了近年来对闭孔泡沫塑料,主要是发泡聚烯烃的结构与性能关系研究的进展.总结了有关泡沫塑料的常见结构模型以及性能结构关系的解析式表达,并介绍了常见表征泡沫塑料结构、性能的方法以及近年来出现的新的表征手段.文章讨论了近年来研究塑料泡沫结构与性能尤其是力学性能之间关系的新结果、新进展,并对研究进行了展望.
作者：刘浩韩常玉董丽松 LIU Hao HAN Chang-yu DONG Li-song 作者单位：刘浩,LIU Hao(中国科学院长春应用化学研究所,长春,130022;中国科学院研究生院,北京,100080)
韩常玉,董丽松,HAN Chang-yu,DONG Li-song(中国科学院长春应用化学研究所,长春,130022)
刊名：高分子通报ISTIC PKU英文刊名：CHINESE POLYMER BULLETIN 年，卷(期)：2008 ""(3) 分类号：O6 关键词：泡沫塑料结构模型结构性能。

《泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，新型材料的研究与应用在工程领域中显得尤为重要。

泡沫铝合金作为一种轻质、高强度的材料，在汽车、航空航天、建筑等领域具有广泛的应用前景。

本文旨在研究泡沫铝合金的动态力学性能及其吸能机理，为该材料在实际工程中的应用提供理论依据。

二、泡沫铝合金的制备与性能泡沫铝合金的制备主要采用发泡法，通过添加发泡剂、调节合金成分及热处理工艺等手段，获得具有特定孔隙结构和性能的泡沫材料。

其性能包括静态力学性能和动态力学性能。

静态力学性能主要研究材料的拉伸、压缩等基本力学行为；而动态力学性能则是本文研究的重点，涉及到材料在高速冲击、振动等动态载荷下的响应。

三、泡沫铝合金动态力学性能研究1. 实验方法采用落锤冲击实验、SHPB（分裂霍普金森压杆）实验等方法，对泡沫铝合金在动态载荷下的应力应变响应进行测试。

通过改变冲击速度、温度、应变率等参数，研究这些因素对材料动态力学性能的影响。

2. 实验结果与分析实验结果表明，泡沫铝合金在动态载荷下表现出优异的能量吸收能力。

在高速冲击下，材料能够通过塑性变形、孔洞塌缩等方式消耗能量。

此外，材料的动态力学性能受温度、应变率等因素的影响较大。

在高温和高应变率下，材料的强度和能量吸收能力有所提高。

四、吸能机理研究1. 孔隙结构对吸能的影响泡沫铝合金的孔隙结构对其吸能性能具有重要影响。

孔隙的大小、形状和分布决定了材料的能量吸收能力。

较大的孔隙有利于塑性变形和孔洞塌缩，从而提高材料的能量吸收能力。

而较小的孔隙则有利于提高材料的刚度和强度。

2. 吸能机理分析泡沫铝合金在受到动态载荷时，首先发生弹性变形，随后进入塑性变形阶段。

在塑性变形过程中，材料内部的孔洞发生塌缩，消耗大量能量。

此外，材料的粘弹性和阻尼效应也有助于能量吸收。

这些机理共同作用，使泡沫铝合金在动态载荷下表现出优异的能量吸收能力。

五、结论与展望本文通过对泡沫铝合金的动态力学性能及其吸能机理进行研究，得出以下结论：1. 泡沫铝合金在动态载荷下表现出优异的能量吸收能力，具有广泛的应用前景。

《泡沫铝合金动态力学性能及其吸能机理的研究》篇一摘要：本文针对泡沫铝合金的动态力学性能及吸能机理进行了深入研究。

通过实验测试和理论分析相结合的方法，探讨了泡沫铝合金在动态冲击下的力学响应及能量吸收机制。

研究结果表明，泡沫铝合金具有良好的吸能性能和优异的力学性能，为相关领域的应用提供了理论依据和实践指导。

一、引言泡沫铝合金作为一种轻质高强材料，在汽车、航空航天、建筑等领域具有广泛的应用前景。

其独特的孔隙结构和优异的力学性能使得它在动态冲击下表现出良好的能量吸收能力。

因此，研究泡沫铝合金的动态力学性能及吸能机理对于提高材料的性能和应用范围具有重要意义。

二、实验方法与材料制备1. 材料制备：采用适当的合金成分，通过发泡工艺制备出不同孔隙率和密度的泡沫铝合金。

2. 实验方法：采用落锤冲击实验、动态压缩实验等手段，对泡沫铝合金进行动态力学性能测试。

同时，利用扫描电镜、X射线衍射等手段对材料微观结构进行分析。

三、动态力学性能研究1. 应力-应变行为：在动态冲击下，泡沫铝合金表现出典型的应力-应变关系，即经历弹性变形、平台应力和密实化阶段。

其中，平台应力阶段是材料能量吸收的主要阶段。

2. 能量吸收：泡沫铝合金在动态冲击下能够有效地吸收能量，其吸能能力与材料的孔隙率、密度等因素密切相关。

高孔隙率、低密度的泡沫铝合金具有更好的吸能性能。

四、吸能机理分析1. 孔隙结构：泡沫铝合金的孔隙结构为其提供了优异的能量吸收能力。

在动态冲击过程中，孔隙结构能够有效地分散冲击能量，使得材料在经历较大变形后仍能保持较高的能量吸收能力。

2. 塑性变形：泡沫铝合金在动态冲击下发生塑性变形，通过塑性流动和剪切滑移等方式吸收能量。

这种变形方式使得材料在受到冲击时能够有效地消耗能量，提高材料的吸能能力。

3. 应力传递：在动态冲击过程中，泡沫铝合金内部的应力能够通过孔隙间的连接和应力传递机制进行传递，使得材料在受到局部冲击时能够迅速响应并分散冲击能量。