多孔材料的研究现状

多孔芯层在多孔金属夹芯结构中起重要的作用。对多孔金属材料的研究兴趣始于二十世纪四十年代，最早的报道是Sosnick发明的利用金属中低熔点物质汽化而得泡沫金属的专利。 在随后的二十年中，出现了另外一些泡沫金属的应用和专利技术，如将金属喷射到填料的孔隙中，填料通过化学反应或热分解而去除。然而，二十世纪九十年代以前，泡沫金属的制备和研究工作都处于较低迷的状态。近年来，各国科学家开展了大量的研究工作，主要集中在描述单个胞孔的特征和性质上，例如胞孔的形状、尺寸或支柱的截面形状是如何影响周期性排列胞孔的力学特性的。具有代表性的工作是由Gibson和Ashby"完成的。为了用于泡沫材料均匀特性的研究，提出了多种重复单元模型。Warren和Kraynik，Papka和Kyriakides，Triantafyllidis和Schraad，Chen和Gu等提出了二维的泡沫和蜂窝材料模型。Warren和Kraynik，Gibson和AshbyZhu，Gong及其同事分别给出了三维立方体、四面体和十四面体模型。使用这些发展的重复单元模型，评估了泡沫材料的弹性力学特性。研究中发现，所预测的力学参数，包括体积模量和静水屈服强度都比真实泡沫材料的值大。考虑到这一现象可能是所使用模型没有反应真实材料可能存在的非规则性、非周期性及胞孔的无序排列等特性引起的。Warren和Kraynik，Grenestedt，Simone和Gibson以及Chen等在模型中引入各种形态学上的缺陷，以期改善这些缺点。但这种模型的另外：个问题是在理论上仅仅可应用于具有规则和周期泡孔的多孔材料。但对于人多数真实的泡沫材料来说，其微观结构一般不具有周期性，因此有必要用具有大量不规则泡孔的随机模型来模拟多孔材料的微结构以预测其力学性能。将Voronoi随机模型与有限元数值计算相结合的分析技术可用于分析多孔材料力学性能。Gibson与同事们发展了二维的Voronoi模型。Chen等采用随机Voronoi模型描述泡沫材料的微观结构，给出了在多轴载荷下弹塑性泡沫的椭圆屈服面。采用随机Voronoi模型描述泡沫材料的热力学特性的分析由Lu和Chen完成。到日前为全，三维Voronoi泡沫的研究主要被限制于研究其泡沫材料的弹性性能，其中Shulmeister，Roberts和GarbocziZhu等做了很好的工作。Li等采用Voronoi随机模型和有限单元法相结合的方法，研究了非规则泡孔形状和非均匀支柱横截而组合不完整性对开孔泡沫材料弹性特性的影响。

国内在该领域的研究起步较晚，研究成果也不甚多。早期的工作有卢子兴等利用随机模型对低密度开孔泡沫材料的弹性模量的研究。Shen等也开展了这方面的研究工作。他们发展了一个三维的随机Voronoi模型，用于研究开孔泡沫材料的力学性能。评估了材料杨氏模量、Poisson系数和体积模量对相对密度的依赖性。发现在低密度范围内，随机Voronoi泡沫材料的杨氏模量和体积模量可用Kelvin模型很好地描述，且敏感于泡沫材料微观结构所固有的几何不完整性。相反，材料的压缩“平台”应力对泡沫材料微观结构所固有的几何不完整性有较少的依赖性。同时还研究了泡沫材料的屈服面，从数值分析过程中观察到泡孔“边”的弹性屈曲是压缩失效的主要原因。韩福生和朱振刚的研究发现基体组 分对铝泡沫的变形、失效和断裂有明显的影响。另外，金属泡沫材料的压缩力学性能明显高于拉伸的力学性能，可按照位错理论和应力集中行为进行解释。郑明军和何德坪等研究了铝合金泡沫的压缩应力一应变曲线与孔隙率，孔径等胞休结构参数的关系。刘培生等针对高孔隙率金属材料的结构特点，建立起一个简化的八面体模型。基于该模型，他们推导了单向拉伸下，高孔率金属材料的抗拉强度与孔隙率之间的计算公式，并与实验值进行了比较。王曦和虞吉林也对泡沫铝进行了拉伸实验，讨论了宏观力学性能与微观结构的关系，并用Ramberg-Osgoo模型描述了一维拉伸应力一应变关系。曹晓卿和杨桂通应用电子万能材料试验机对国产工业用泡沫铝材料进行准静态单向压缩试验，分析了试件尺寸、材料相对密度及泡孔尺寸对材料静态压缩性能的影响。

上述研究的目的主要是为改善其比强度和比刚度，即主要兴趣在研究其小变形下的力学性能。多孔材料的另一个重要应用是被用于吸收能量，缓冲高速撞击及振动的结构中。在服役环境中常受到爆炸、高速冲击等强动态载荷作用。因此研究高速撞击情况下多孔金属材料的大变形、动态特性及能量吸收机理十分重要，特别是其动态变形过程所表现的动态力学性能和微观变形机理之间的关系。到目前为止，这方面的研究工作才刚刚开始。如，Parkash等人认为金属泡沫材料能量吸收能力不仪与胞体结构的弹塑性有关，还与其它的一些耗散过程有关，如破碎的胞壁之间的摩擦等。Beals等通过对密度不均匀的Alcan泡沫材料的测试分析，指出密度梯度是削弱能量吸收能力和效率的重要原囚。Gradinger等研究了胞体结构的细观非均匀性对铝泡沫耐冲击性的影响，并指出在抗压碎单元中能量吸收材料的有效性受到单轴压缩下应力-应变行为的强烈影响，为了达到最优的比能量吸收，胞体尺寸、胞体壁厚度和其它微几何参数不应该变化太大。因为强烈的细观不均匀性导致了应变局部化，因此，也导致初始平台应力的降低和平台区斜坡的增加，两者都降低能量吸收效益。国内，韩福生等研究了两种不同基体铝泡沫的变形、能量吸收机制。胡时胜等对泡沫材料的应变率敏感性进行了系统深入的讨论。王志华等在这方面也做了许多工作，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术和MTS材料实验机对两组不同孔径、不同密度的开孔泡沫铝合金进行了准静态和动态压缩实验研究，结果表明在冲击载荷作用下，泡沫铝合金的屈服应力随着应变率的增加而增加，但其变化在误差范围内。

由于实验研究的困难性，理论分析又存在较多不确定因素，许多专家、学者等转而采用有限元分析的手段研究多孔材料的动态特性。如，Ruan等采用ABAQUS程序研究了规则蜂窝结构的面内动态冲击问题，模拟结果发现，改变孔壁厚度和冲击速度，结构会出现“X”和“V”形的变形。分析还发现结构的平台应力与相对密度之间满足立方的关系。当冲击速度很大时，甚至平台应力与相对密度之间满足平方的关系。Tan等在有关泡沫铝动态压缩强度特性的研究中采用有限单元法和简单的二维Voronoi蜂窝材料模型相结合的方法图解了为什么伴随多孔固体的“冲击”压缩有较多的能量消耗的问题。Zheng等研究了泡孔形状的不规则性和冲击速度对变形模态和平台应力的影响。研究结果显示，增加泡孔的不规则程度将导致平台应力的增加，从而可改善其能量吸收能力等研究的重点是规则六边形蜂窝材料及采川随机扰乱规则六边形峰窝材料的方法形成的随机结构(包括胞孔形状的非规则挂列和孔壁厚度的非均匀性)的动力特性(包括平台应力、应变能密度和初始应变等)。其思想是将采用随机扰乱规则六边形蜂窝形成的模型作为规则六边形蜂窝材料的不完整性模型。发现在较低的冲击速度下，平台应力和密实化应变能随着模型不规则度的增加反而减小，Zheng和Li得出了不一致的结论。有必要对多孔材料的动态特性进行系统深入的研究。