非晶合金泡沫材料的研究發(fā)展

洪思遠(yuǎn) 關(guān)永港 杜偉 河南理工大學(xué)

1 非晶合金泡沫的發(fā)展

1.1 非晶合金泡沫

非晶合金泡沫材料是融合了泡沫材料和非晶合金兩者的益處成為的一種新型材料。這類材料具有以往金屬泡沫的輕質(zhì)、吸聲、散熱、隔熱、等多種特質(zhì)，而且非晶合金的特質(zhì)它也都有，比如低楊氏模量、高強(qiáng)度和耐腐蝕性等特征。非晶合金泡沫還擁有不低的平臺(tái)應(yīng)力和大的變量，從而能量吸收性能表現(xiàn)較高，抗沖擊能力也隨之變高。由此可見，非晶合金泡沫材料的超能力學(xué)性能完美的填補(bǔ)了一般金屬泡沫在承載結(jié)構(gòu)材料方面的不足之處，其具有優(yōu)勢(shì)的方面就是能量吸收本領(lǐng)高。在此之后，社會(huì)上很多科研工作者都開高度重視這樣的新型結(jié)構(gòu)功能材料，并對(duì)此展開研究，鑄造出不同樣本的非晶合金泡沫材料備用。在表1中我們可以看到不同基體的非晶合金泡沫材料的大小、比重和第一次報(bào)道的年份。鑒于孔的添加，致使非晶合金泡沫材料的密度比相應(yīng)的快體非晶合金低很多。非晶合金泡沫材料的制備是從玻璃態(tài)產(chǎn)生比較強(qiáng)的Z r基非晶合金、P d基。之后N i基、Mg基、Cu基以及F e基等非晶合金泡沫材料連續(xù)不斷的出現(xiàn)。

1.2 金屬泡沫

多孔材料大多數(shù)都來源于自然界中，比如蜂窩、木材、泡沫海綿、珊瑚等。人類早在千年之前就開始使用這些材料至今，早些年間，羅馬人制造酒瓶賽就利用了軟木，因?yàn)槠涑休d能力比較好，所以受到了材料和工程力學(xué)方面研究人員的極度關(guān)注和興致。這樣對(duì)于研究發(fā)展非晶合金泡沫材料是很有意義的。所以，為了生活一些人造的多孔材料比如聚酯泡沫、泡沫陶瓷和金屬泡沫等逐漸問世，人們最為了解的就是20世紀(jì)50年代商業(yè)化的聚合物泡沫材料，不論什么場(chǎng)合都能應(yīng)用到它，比如我們了解的飛機(jī)座艙的沖擊墊還有可降解的咖啡杯。在20世紀(jì)70年代時(shí)，泡沫陶瓷材料就開始發(fā)展了，它擁有耐高溫、強(qiáng)度高的性能，所以廣泛的應(yīng)用到了化工和冶金等領(lǐng)域。但是如果有較高的載荷要讓構(gòu)件承受的話，那樣聚合物強(qiáng)度不夠，陶瓷也易碎，而對(duì)于它來說最好的選擇就是強(qiáng)度和延性都有的金屬。初次試用在巖溶鋁液中加入貢蒸汽制備閉孔泡沫鋁時(shí)，人類第一次在金屬發(fā)泡體上有了想法。因?yàn)閾]發(fā)性金屬貢有毒而且造價(jià)高，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中從來沒有用過。

2 非晶合金泡沫材料的制備技術(shù)

2.1 非晶合金泡沫材料的制備原則

只有做好以下三點(diǎn)要求才能制作出非晶合金泡沫材料，第一要保證非晶合金基體中有孔的引入；第二不能讓造孔劑和非晶合晶基體產(chǎn)生反應(yīng)，也就是兼容性原則；第三阻止非晶合金泡發(fā)生晶化行為在制備的過程中。制備非晶合金泡沫可以根據(jù)造孔劑引入的方式，比如熔體發(fā)泡法、易溶顆粒滲流鑄造法以及粉末燒結(jié)法。

2.2 閉孔非晶合金泡沫的變形機(jī)制

鋸齒流動(dòng)行為是閉孔非晶合金泡沫應(yīng)力應(yīng)變曲線的表現(xiàn)行為，當(dāng)表現(xiàn)為線彈性時(shí)是在低應(yīng)力的作用下，根據(jù)進(jìn)行加載，孔壁的外觀被連續(xù)伸展，導(dǎo)致氣孔塌陷，就在應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了一個(gè)很長(zhǎng)的凹陷臺(tái)面；之后因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)勻稱變樣致使部分的低應(yīng)變下的應(yīng)力聚集，造成了一個(gè)有限制的變形帶，最后材料發(fā)生破壞的面積就是順著變形帶。這就可以證實(shí)SEM形貌是給出的閉孔Pd基非晶合金泡沫變形后發(fā)生的。材料在抵達(dá)到量的壓縮應(yīng)變時(shí)，氣孔就會(huì)凹下去，與此同時(shí)因?yàn)椴糠肿冃螌?dǎo)致材料向一方發(fā)生裂紋，在這種情況接著加載的話、局部材料就會(huì)發(fā)生斷裂。在變形后就可以更加直觀的看見，一部分氣孔發(fā)生塌陷并帶著明顯的裂紋擴(kuò)充表象，此時(shí)沒有受到破壞的氣孔的孔壁上有了高密度的變形帶。所以，大變形出現(xiàn)在了應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，并因?yàn)橛屑羟袔В桶l(fā)生了和裂的紋路上出現(xiàn)的鋸齒狀流動(dòng)現(xiàn)象。之前說到了塊體非晶合金室溫下發(fā)生火災(zāi)大多數(shù)都是因?yàn)榫植炕募羟行袨槠茐膶?dǎo)致的，而現(xiàn)在又增加了多孔結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生多重剪切帶就在材料中誘發(fā)了，與此同時(shí)因?yàn)橛锌紫?，又影響了剪切帶的自由發(fā)展或者調(diào)動(dòng)剪切帶的擴(kuò)展渠道，這樣就可以將材料的室溫塑性提高。

2.3 能量吸收

高強(qiáng)度和大變形的非晶合金泡沫材料促進(jìn)它擁有更高的應(yīng)變能。能量吸收和耗散對(duì)于泡沫材料來說是一個(gè)重要的特質(zhì)。通常情況下，如果出現(xiàn)比較長(zhǎng)的塑性變形段，就是非晶合金泡沫的壓縮應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線出現(xiàn)的，這說明泡沫材料在壓縮的過程中還能堅(jiān)持在較同等情況低的應(yīng)力下吸取比較多的應(yīng)變能。變形過程中的單位體積內(nèi)吸取的能量是用來表示泡沫材料的壓縮吸能性的大小。

3 總結(jié)

結(jié)合以上觀點(diǎn)，非晶合金泡沫在生活的很多方面都有可觀的前景，比如軍隊(duì)裝備、航天航空、能源和通訊等方面。非晶合金泡沫材料的后處理技術(shù)在應(yīng)用上，一些處理技術(shù)還沒有正式開始工作，比如適合的鏈接技術(shù)和成型機(jī)加工還有表面的一些工程。上述提到的這些還要開始深入并且系統(tǒng)的研究，并在實(shí)際工程中廣泛的應(yīng)用到這類新型的材料。

［1］方岱寧，張一慧，崔曉東.輕質(zhì)點(diǎn)陣材料力學(xué)與多功能設(shè)計(jì).北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］郝綱領(lǐng)，韓福生，吳杰，王清周.利用界面能提高多孔鋁阻尼能力的一種新方法.物理學(xué)進(jìn)展，2006，26（3～4）：393～377.

［3］盧天健，徐峰，文婷.周期性多孔金屬材料的熱流性能.北京：科學(xué)出版社，2010.