泡沫鋁的性能研究

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1、泡沫鋁的性能研究及其在汽車制造業(yè)上的應(yīng)用摘要:池沫鋁是一種新型多功能材料,具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和許多優(yōu)異的性能,其應(yīng)用前景可觀,應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。介紹了泡沫鋁的若干性能,并針對其性能特征較為詳細(xì)地?cái)⑹隽嗽谄囍圃鞓I(yè)上的應(yīng)用前景,指出了池沫鋁材料作為未來汽車材料的優(yōu)越性。關(guān)健詞：池沫鋁應(yīng)用汽車制造業(yè)中圖號(hào)引言泡沫金屬由金屬骨架及孔隙組成,泡沫鋁是泡沫金屬的一種,是以鋁或鋁合金為基體的多孔金屬材料。它是一種功能和結(jié)構(gòu)一體化的新型工程材料,具有緩沖減震吸能特性和其他優(yōu)良的物理和化學(xué)性能。因此,目前在汽車工業(yè)、航天工業(yè)、建筑工業(yè)和

2、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都已獲得了廣泛的應(yīng)用并且應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。2泡沫鋁的性能研究泡沫鋁的性能主要取決于分布在三維骨架間的孔隙特征,即氣孔的形態(tài)和分布,包括孔的類型（通孔或閉孔）、孔的形狀、孔的分布、孔的結(jié)構(gòu)（孔徑、孔隙率、比重等）。2.1物理性能泡沫鋁最明顯的特點(diǎn)就是重量輕、密度低,隨孔的變化而變化,比重僅為同體積鋁的0.1—0.6倍，但其牢固度卻比泡沫塑料高達(dá)4倍以上。泡沫鋁材料的導(dǎo)電性要比實(shí)心鋁材料小得多,相反電阻率就大得多,是電的不良導(dǎo)體。泡沫鋁的導(dǎo)熱性能比實(shí)心鋁小得多,約為實(shí)心鋁的0.1—0.2倍。另外,泡沫鋁還具

3、有剛性大、不易燃、不易氧化、不易產(chǎn)生老化、耐候性好、回收再生性好等特點(diǎn)。對于承受彎曲負(fù)載的裝置,所用材料應(yīng)具有較高的比強(qiáng)度,通過對泡沫鋁和幾種常見結(jié)構(gòu)材料（鋁、鋼）的比強(qiáng)度值（泡沫鋁：鋁：鋼=5:2.5:1）比較,可知泡沫鋁具有高比強(qiáng)度的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)研究表明,適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢蕴岣咂浔葟?qiáng)度。因此,泡沫鋁可用于承受較大的彎曲負(fù)載裝置中。2.2力學(xué)性能同其他多孔材料一樣,泡沫鋁的彈性模量、剪切模量、彈性極限等均隨孔隙率的增大而呈指數(shù)函數(shù)下降。(1)抗拉強(qiáng)度泡沫鋁的抗拉強(qiáng)度很低,幾乎無延伸率,表現(xiàn)為半脆性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)孔徑大小對其

4、拉伸性能有一定的影響。相對密度相同時(shí),孔徑小的拉伸強(qiáng)度比孔徑大的高。(2)抗壓強(qiáng)度泡沫鋁的抗拉強(qiáng)度雖然很低,但它的抗壓強(qiáng)度卻較高。泡沫鋁壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線可以分3個(gè)區(qū)域：線彈性區(qū)、屈服平臺(tái)區(qū)、致密化區(qū)?？讖讲煌呐菽X的壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線形狀基本相似,不同主要表現(xiàn)在塑性平臺(tái)的高度上,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),孔徑大小與塑性平臺(tái)的高度并不是某種簡單的線性關(guān)系,而是在某一孔徑下塑性平臺(tái)最高。由泡沫鋁的抗壓強(qiáng)度與其密度及壓縮率之間的關(guān)系圖可知,密度增加,抗壓強(qiáng)度增加。2.3吸能特性多孔結(jié)構(gòu)材料可用作能量吸收材料。單位質(zhì)量小、能量吸收能力大

5、的材料就具有較大的作用。泡沫鋁單位質(zhì)量小、強(qiáng)度較高,因此泡沫鋁具有很高的能量吸收能力。泡沫鋁在壓縮過程中,有高而寬的應(yīng)力平臺(tái),可以在基本恒定的應(yīng)力下通過應(yīng)變來吸收能量。吸能能力由應(yīng)力應(yīng)變曲線下方的面積來求,因此屈服平臺(tái)高而寬時(shí),吸能能力越大?？讖酱笮η脚_(tái)的高度有一定的影響,所以可以找到一個(gè)合適的孔徑,使屈服平臺(tái)較高來提高其吸能能力。另外,其吸能能力隨孔隙率呈非單調(diào)變化,在某一孔隙率下具有最大的吸能能力。2.4阻尼性能材料的阻尼性能是指材料由于內(nèi)部的原因,將機(jī)械振動(dòng)能不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能的本領(lǐng)。利用材料的這種本領(lǐng),

6、可減小所不希望的噪聲和振動(dòng)。根據(jù)Zener的經(jīng)典理論,提高金屬材料阻尼性能的重要途徑之一,就是設(shè)法使缺陷之間的交互作用達(dá)到最大,以獲得最大的線性阻尼,或?qū)⒘W(xué)放大機(jī)制引人材料,以獲得較高的非線性阻尼。多孔材料顯然符合高阻尼材料的組織特征,而且實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明孔洞的存在,可在某些非金屬或金屬材料的阻尼響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。泡沫鋁作為一種宏觀多孔材料,由金屬骨架和孔隙組成,組織極不均勻,應(yīng)變強(qiáng)烈滯后于應(yīng)力,壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線中包含一個(gè)很長的平穩(wěn)段,因而它是一種具有高能量吸收特征的輕質(zhì)高阻尼材料,在消聲減震等領(lǐng)域有著可觀的應(yīng)用前

7、景。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：（1）孔徑一定時(shí),泡沫鋁的內(nèi)耗隨孔隙率的增大而增大；（2）孔隙率一定時(shí),泡沫鋁的內(nèi)耗隨孔徑的減小而增大；（3）泡沫鋁的內(nèi)耗與應(yīng)變振幅密切相關(guān),隨振幅的增大而增大；（4）泡沫鋁的內(nèi)耗在低頻范圍內(nèi)與頻率的變化無顯著關(guān)系。在低阻尼的鋁中加人大量孔洞以后,可以顯著提高其阻尼本領(lǐng)。是由孔洞本身彈性模量近乎為零的軟質(zhì)性以及孔洞與基體之間形成的大量界面引起的。另外泡沫鋁內(nèi)部還存在其他大量微觀和宏觀的缺陷,泡沫鋁的阻尼機(jī)制是其缺陷的綜合效應(yīng),缺陷阻尼是其主要的阻尼機(jī)制。2.5吸聲性能泡沫鋁材料尤其是通孔泡沫鋁,當(dāng)聲

8、音透過泡沫鋁時(shí),由于聲波也是一種振動(dòng),可以在材料內(nèi)部發(fā)生散射、干涉和漫反射,將聲音吸收在其氣孔中,使內(nèi)部骨架振動(dòng),聲能部分轉(zhuǎn)化為熱能并且通過熱傳遞消耗掉,起到了吸聲的作用,因此,泡沫鋁具有良好的聲音吸收能力。吸聲性能用吸聲系數(shù)來衡量,吸聲系數(shù)越大則吸聲性能越好,泡沫鋁的吸聲性能主要取決于孔隙特征,通孔吸聲性能較好?？自郊?xì)小,吸聲性能越好。3泡沫