多孔材料力學(xué)性能研究應(yīng)用分析

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［摘要］多孔材料是一種具備結(jié)構(gòu)和功能雙重性能的工程材料，具有很高的應(yīng)用價值。近年來，隨著多孔材料在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對其復(fù)雜化的應(yīng)用場景也提出了更高的要求。因此，本文從力學(xué)性能的理論研究等各個方面來綜合分析多孔材料存在重要意義。

［關(guān)鍵詞］多孔材料；力學(xué)性能；土木工程；前景

1多孔材料概論

1.1多孔材料的含義及分類

多孔材料[1]是20世紀80年代迅速發(fā)展起來的一種由剛性骨架和內(nèi)部孔隙組成的新型材料。其材料主要特征包含兩點，一是材料中包含有許多孔隙；第二個是材料中包含的這些孔隙被用來滿足一種或多種設(shè)計要求來達到所期待的使用性能指標。多孔材料的分類主要有多孔金屬、多孔高分子以及多孔陶瓷材料三大類，自材料問世后，因其獨特多樣的性能特點，在國際上收到廣泛關(guān)注，逐漸成為了諸多領(lǐng)域?qū)W者研究的重點和熱點。

1.2多孔材料的性能特點

多孔材料具有任意大小和形狀、隨機分布的孔隙結(jié)構(gòu)等特征，其具有的機械、吸附、滲透、光電及生物活性等獨特性，使得多孔材料在結(jié)構(gòu)與功能上具有廣闊前景，根據(jù)孔隙形狀的不同，多孔材料[2]可分為獨立孔隙型和連續(xù)孔隙型兩大類型。其中，獨立孔隙型多孔材料的特點包括比重小、強度好、吸聲性能好等；連續(xù)孔隙型多孔材料除了以上這些特點，還具備透氣性強、通風(fēng)良好等優(yōu)勢。隨著材料制備技術(shù)的不斷進步，多孔材料的類型也豐富多樣，泡沫型、蜂窩型等更多類型的材料應(yīng)用也越來越普遍，在此基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了纖維型的多孔材料。每種材料都具備自身的優(yōu)勢和特性，適用于不同的行業(yè)，這就使得多孔材料有了更大更多的被選擇空間，這也促使其得以不斷更新、改進，也能更好地發(fā)揮其作用。如圖1圖2分別表示為電鏡下獨立孔隙型泡沫材料、連續(xù)孔隙型泡沫多孔材料。

2多孔材料的力學(xué)性能

2.1理論分析

從專業(yè)理論的視角來分析，多孔材料并不完美。當它們被應(yīng)用于建筑行業(yè)時，可能會因無法控制自身的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力而產(chǎn)生一些不利的影響，其力學(xué)性能受到影響，甚至可能造成嚴重的后果。由于多孔材料本身的性能和致密性不穩(wěn)定且差異較大，在實際工程建設(shè)行業(yè)中有必要關(guān)注其力學(xué)性能指標，以便更好地應(yīng)用。與此同時，我們也應(yīng)該看到一些金屬多孔材料的發(fā)展仍存在很多不足之處。多孔材料的壓縮應(yīng)力是關(guān)鍵力，在實際應(yīng)用過程中發(fā)揮著很重要的作用，因此對多孔材料力學(xué)性能相關(guān)的分析，主要以分析壓縮應(yīng)力為主。多孔材料[3]多為脆性材料，其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為彈性、屈服、強化和破壞四個不同階段。在彈性階段內(nèi)，多孔材料因為占主導(dǎo)地位的非均布、非均勻的孔隙結(jié)構(gòu)變形而表現(xiàn)出顯著的非線性彈性的特征?？紫堵蔥4]對多孔材料的性能起決定性作用，具體表現(xiàn)為孔隙率越高，其壓縮屈服應(yīng)力和彈性模量就越低，塑性屈服段降低且延長，進入密實段較晚；不同的學(xué)者對孔徑對多孔材料的壓縮性能的影響有幾種不同的看法。有學(xué)者認為孔徑對多空材料壓縮性能的影響微乎其微，甚至沒有影響；部分學(xué)者認為孔徑越小，材料的壓縮性能越大。甚至還有學(xué)者得出了多孔材料的壓縮性能隨著孔徑的減小而減小的觀點。另外，拉伸斷裂時多孔材料的應(yīng)變要比壓縮斷裂時的小很多，這是由泡沫金屬的性質(zhì)決定的[5]。例如一種多孔材料的應(yīng)變力若不強大，那它的線性張力和區(qū)域伸長，它的應(yīng)變力也會因此而變大。當一些建筑行業(yè)選擇使用壓縮多孔金屬材料時，其吸附能力是由自己的壓縮應(yīng)力和應(yīng)變力屈服的曲線和平臺面積決定的。與泡沫型材料相比，纖維型多孔金屬材料的吸能力更強，在實際應(yīng)用中得更廣泛的選擇。我們必須要準確地了解各種多孔材料的不同力學(xué)性能，才能將材料充分具體地運用到實際中去。

2.2.多孔材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)展新型可靠的建筑材料是建筑與土木工程發(fā)展的必然趨勢。多孔材料最顯著的特點是有大小形狀任意且分布隨機的孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑、孔隙率和孔隙形貌之間既相互影響又相互制約，是決定多孔材料性能的最主要因素，同時這種多樣性也使其具有很強的可設(shè)計性和適應(yīng)性。多孔材料具有高強度、輕質(zhì)、比表面積大、體積密度低、吸能減噪等優(yōu)點，使得它在化工、建筑、國防、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。比如在建筑與土木工程中多孔鋁的單位體積重量輕，比普通彩鋼夾芯板密度小，所以被用來建造不承重的內(nèi)墻壁、間壁墻、天花板等；多孔材料具有良好的吸能減噪防振的特性，被用來制作門、窗、建筑物的裝飾材料等；多孔金屬材料的使用壽命長，使得材料能有更多的利用與發(fā)揮。因此，多孔材料在現(xiàn)代建筑的應(yīng)用有著廣闊前景。不同的多孔材料其力學(xué)性能也是不同的，在每個實際的應(yīng)用過程中，都應(yīng)完全了解材料的各項指標數(shù)據(jù)，如壓應(yīng)力、吸能力、適應(yīng)力等，并決定什么樣的材料適合什么樣的建筑材料，適合應(yīng)用的行業(yè)，這些都是在實際的應(yīng)用前必須考慮清楚，否則一旦用錯了材料，將會導(dǎo)致無法預(yù)料的后果，造成生命財產(chǎn)的損失。具體來說，多孔纖維金屬材料的應(yīng)用，應(yīng)充分利用其高吸收性和高密度的優(yōu)勢；泡沫金屬多孔材料的應(yīng)用，應(yīng)充分考慮其輕質(zhì)的優(yōu)點；蜂窩金屬多孔材料的應(yīng)用，應(yīng)充分發(fā)揮其穩(wěn)定性和堅固性的特點，在高層建筑的施工中多使用此類材料，會大大提高建筑的安全性能。另外，更重要的一點是要注意普通多孔金屬材料會反復(fù)燒結(jié)。在這個反復(fù)的過程中，多孔金屬材料原有的力學(xué)性能會產(chǎn)生積極和消極的影響，需要我們關(guān)注，因此每次燒結(jié)后，都要重新判斷和識別其力學(xué)性能。即便是相同的多孔金屬材料，在不同的燒結(jié)工藝條件下也會有不同的力學(xué)性能及應(yīng)用效果。目前，我國對多孔金屬材料燒結(jié)技術(shù)的理論研究還遠遠不夠，并不能很好地適應(yīng)現(xiàn)實生活和建筑行業(yè)的需求。還有很多方面的難題等待著我們?nèi)パ芯俊l(fā)現(xiàn)和解決，這是我們未來關(guān)注的方向，我們應(yīng)該注意更多的實驗來解決這個問題。多孔金屬材料[6]是一種擁有金屬和泡沫雙重特性的新型多孔材料，具有輕質(zhì)、強度高、隔熱、吸能、電磁屏蔽等特點。因此能廣泛地運用在建筑與土木工程行業(yè)，例如建筑鋼鐵結(jié)構(gòu)、建筑節(jié)能、建筑防火板、隔熱板、門窗框架等。多孔材料結(jié)構(gòu)的多樣性，孔隙的大小、形狀和孔隙率，甚至孔隙的分布相互制約、相互影響，其是決定其性能的主要因素。而且這種多樣性使多孔材料具備很強的設(shè)計適應(yīng)性。隨著材料制造技術(shù)的發(fā)展和人們對多孔材料性能的認識的加深，多孔材料將在土木工程領(lǐng)域必然發(fā)揮重要作用。如圖3圖4分別表示為高層建筑防火材料、建筑輕量化隔音材料。

3總結(jié)與展望

3.1總結(jié)

綜上所述，雖然從多孔材料的力學(xué)性能來看已經(jīng)開展了較多的工作，但從目前的研究來看還存在如下問題，有待于進一步深入研究。（1）在多孔材料力學(xué)性能研究中，大部分現(xiàn)有研究，都是對多孔鋁、泡沫金屬合金材料進行壓縮力學(xué)性能的研究，而相對應(yīng)單獨的拉伸、扭轉(zhuǎn)、抗彎等研究試驗甚少。（2）在現(xiàn)有文獻中如有關(guān)于孔隙率、含鋁成分、孔隙結(jié)構(gòu)等對多孔金屬力學(xué)性能的影響，但內(nèi)容卻十分稀少。關(guān)于外界因素（如水份、溫度、添加劑、養(yǎng)護時間等）對多孔金屬材料力學(xué)性能的影響方面的研究也是幾乎沒有。（3）在建筑與土木工程行業(yè)中，作為新型金屬材料的多孔材料，不管是應(yīng)用到結(jié)構(gòu)、道路、橋梁等方向都是莫大的福音，但它同樣不失為一種金屬，若應(yīng)用到實際工程中，就應(yīng)該考慮其耐久性，抗腐蝕性等，但在現(xiàn)有的文獻中很少有涉及關(guān)于此方面的研究。

3.2展望

對于多孔材料的研究，還需要進一步的拓展其范圍以及應(yīng)用領(lǐng)域，例如將其應(yīng)用到電化學(xué)、催化領(lǐng)域以及其他方面。多孔金屬材料的制備方式中，存在孔隙在金屬基數(shù)量和分布體上等一些關(guān)鍵的問題?？讖匠叽纭⒖紫堵实目煽匦阅?、分布的均勻性以及多孔金屬的作用機制還需要加強研究和探討。一些多孔金屬材料的開發(fā)，還在實驗當中，距其在生活和相關(guān)行業(yè)中批量產(chǎn)出和運用還存有很大差距，需要我們?nèi)ド钊胙芯?。當前，中國?jīng)濟發(fā)展迅速，隨之而來的是多孔材料的需求將會成為普遍存在，其應(yīng)用范圍將會越來越廣泛。與其他類材料相比，金屬多孔材料以比例小、比強度高、吸能性好、減振效果好等優(yōu)異的性能受到許多行業(yè)的青睞。因此，多孔材料必然有著可觀的發(fā)展前景，在未來的發(fā)展中，應(yīng)加強對金屬多孔材料相關(guān)的研究，在這一專業(yè)培養(yǎng)更多的高素質(zhì)人才，不斷地克服多孔材料的不足處，不斷地改進提升技術(shù)，在未來交通業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑業(yè)、制造業(yè)、等領(lǐng)域得到充分有效地利用。

參考文獻

[1]劉培生.多孔材料引論（2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]李傳福，李艷芳.金屬多孔材料力學(xué)性能的研究進展[J].裝備制造技術(shù)，2015（8）：244-245.

[3]蘇淑蘭，饒秋華，賀躍輝，等.基于微極理論的新型FeAl多孔材料彈性模量研究[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，49（7）：1643-1649.

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[5]王展光，陳選，李書琴，等.球形孔泡沫鋁及其合金的拉伸性能[J].機械工程材料，2009，33（10）：75-77.

[6]魏劍，桑國臣.金屬多孔材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用展望[J].熱加工工藝，2009，38（22）：59-63.

作者：胡正龍 單位：中南林業(yè)科技大學(xué)