非晶合金泡沫材料的研究發展

洪思遠 關永港 杜偉 河南理工大學

1 非晶合金泡沫的發展

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、吸聲、散熱、隔熱、等多種特質，而且非晶合金的特質它也都有，比如低楊氏模量、高強度和耐腐蝕性等特征。非晶合金泡沫還擁有不低的平臺應力和大的變量，從而能量吸收性能表現較高，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性能完美的填補了一般金屬泡沫在承載結構材料方面的不足之處，其具有優勢的方面就是能量吸收本領高。在此之后，社會上很多科研工作者都開高度重視這樣的新型結構功能材料，并對此展開研究，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產生比較強的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不斷的出現。

1.2 金屬泡沫

多孔材料大多數都來源于自然界中，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，因為其承載能力比較好，所以受到了材料和工程力學方面研究人員的極度關注和興致。這樣對于研究發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50年代商業化的聚合物泡沫材料，不論什么場合都能應用到它，比如我們了解的飛機座艙的沖擊墊還有可降解的咖啡杯。在20世紀70年代時，泡沫陶瓷材料就開始發展了，它擁有耐高溫、強度高的性能，所以廣泛的應用到了化工和冶金等領域。但是如果有較高的載荷要讓構件承受的話，那樣聚合物強度不夠，陶瓷也易碎，而對于它來說最好的選擇就是強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，人類第一次在金屬發泡體上有了想法。因為揮發性金屬貢有毒而且造價高，所以在實際生產過程中從來沒有用過。

2 非晶合金泡沫材料的制備技術

2.1 非晶合金泡沫材料的制備原則

只有做好以下三點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生反應，也就是兼容性原則；第三阻止非晶合金泡發生晶化行為在制備的過程中。制備非晶合金泡沫可以根據造孔劑引入的方式，比如熔體發泡法、易溶顆粒滲流鑄造法以及粉末燒結法。

2.2 閉孔非晶合金泡沫的變形機制

鋸齒流動行為是閉孔非晶合金泡沫應力應變曲線的表現行為，當表現為線彈性時是在低應力的作用下，根據進行加載，孔壁的外觀被連續伸展，導致氣孔塌陷，就在應力應變曲線上出現了一個很長的凹陷臺面；之后因為結構勻稱變樣致使部分的低應變下的應力聚集，造成了一個有限制的變形帶，最后材料發生破壞的面積就是順著變形帶。這就可以證實SEM形貌是給出的閉孔Pd基非晶合金泡沫變形后發生的。材料在抵達到量的壓縮應變時，氣孔就會凹下去，與此同時因為部分變形導致材料向一方發生裂紋，在這種情況接著加載的話、局部材料就會發生斷裂。在變形后就可以更加直觀的看見，一部分氣孔發生塌陷并帶著明顯的裂紋擴充表象，此時沒有受到破壞的氣孔的孔壁上有了高密度的變形帶。所以，大變形出現在了應力-應變曲線中，并因為有剪切帶，就發生了和裂的紋路上出現的鋸齒狀流動現象。之前說到了塊體非晶合金室溫下發生火災大多數都是因為局部化的剪切行為破壞導致的，而現在又增加了多孔結構，產生多重剪切帶就在材料中誘發了，與此同時因為有孔隙，又影響了剪切帶的自由發展或者調動剪切帶的擴展渠道，這樣就可以將材料的室溫塑性提高。

2.3 能量吸收

高強度和大變形的非晶合金泡沫材料促進它擁有更高的應變能。能量吸收和耗散對于泡沫材料來說是一個重要的特質。通常情況下，如果出現比較長的塑性變形段，就是非晶合金泡沫的壓縮應力應變響應曲線出現的，這說明泡沫材料在壓縮的過程中還能堅持在較同等情況低的應力下吸取比較多的應變能。變形過程中的單位體積內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

結合以上觀點，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在應用上，一些處理技術還沒有正式開始工作，比如適合的鏈接技術和成型機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的研究，并在實際工程中廣泛的應用到這類新型的材料。

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