非晶合金泡沫材料的研究发展

洪思远 关永港 杜伟 河南理工大学

1 非晶合金泡沫的发展

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两者的益处成为的一种新型材料。这类材料具有以往金属泡沫的轻质、吸声、散热、隔热、等多种特质，而且非晶合金的特质它也都有，比如低杨氏模量、高强度和耐腐蚀性等特征。非晶合金泡沫还拥有不低的平台应力和大的变量，从而能量吸收性能表现较高，抗冲击能力也随之变高。由此可见，非晶合金泡沫材料的超能力学性能完美的填补了一般金属泡沫在承载结构材料方面的不足之处，其具有优势的方面就是能量吸收本领高。在此之后，社会上很多科研工作者都开高度重视这样的新型结构功能材料，并对此展开研究，铸造出不同样本的非晶合金泡沫材料备用。在表1中我们可以看到不同基体的非晶合金泡沫材料的大小、比重和第一次报道的年份。鉴于孔的添加，致使非晶合金泡沫材料的密度比相应的快体非晶合金低很多。非晶合金泡沫材料的制备是从玻璃态产生比较强的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连续不断的出现。

1.2 金属泡沫

多孔材料大多数都来源于自然界中，比如蜂窝、木材、泡沫海绵、珊瑚等。人类早在千年之前就开始使用这些材料至今，早些年间，罗马人制造酒瓶赛就利用了软木，因为其承载能力比较好，所以受到了材料和工程力学方面研究人员的极度关注和兴致。这样对于研究发展非晶合金泡沫材料是很有意义的。所以，为了生活一些人造的多孔材料比如聚酯泡沫、泡沫陶瓷和金属泡沫等逐渐问世，人们最为了解的就是20世纪50年代商业化的聚合物泡沫材料，不论什么场合都能应用到它，比如我们了解的飞机座舱的冲击垫还有可降解的咖啡杯。在20世纪70年代时，泡沫陶瓷材料就开始发展了，它拥有耐高温、强度高的性能，所以广泛的应用到了化工和冶金等领域。但是如果有较高的载荷要让构件承受的话，那样聚合物强度不够，陶瓷也易碎，而对于它来说最好的选择就是强度和延性都有的金属。初次试用在岩溶铝液中加入贡蒸汽制备闭孔泡沫铝时，人类第一次在金属发泡体上有了想法。因为挥发性金属贡有毒而且造价高，所以在实际生产过程中从来没有用过。

2 非晶合金泡沫材料的制备技术

2.1 非晶合金泡沫材料的制备原则

只有做好以下三点要求才能制作出非晶合金泡沫材料，第一要保证非晶合金基体中有孔的引入；第二不能让造孔剂和非晶合晶基体产生反应，也就是兼容性原则；第三阻止非晶合金泡发生晶化行为在制备的过程中。制备非晶合金泡沫可以根据造孔剂引入的方式，比如熔体发泡法、易溶颗粒渗流铸造法以及粉末烧结法。

2.2 闭孔非晶合金泡沫的变形机制

锯齿流动行为是闭孔非晶合金泡沫应力应变曲线的表现行为，当表现为线弹性时是在低应力的作用下，根据进行加载，孔壁的外观被连续伸展，导致气孔塌陷，就在应力应变曲线上出现了一个很长的凹陷台面；之后因为结构匀称变样致使部分的低应变下的应力聚集，造成了一个有限制的变形带，最后材料发生破坏的面积就是顺着变形带。这就可以证实SEM形貌是给出的闭孔Pd基非晶合金泡沫变形后发生的。材料在抵达到量的压缩应变时，气孔就会凹下去，与此同时因为部分变形导致材料向一方发生裂纹，在这种情况接着加载的话、局部材料就会发生断裂。在变形后就可以更加直观的看见，一部分气孔发生塌陷并带着明显的裂纹扩充表象，此时没有受到破坏的气孔的孔壁上有了高密度的变形带。所以，大变形出现在了应力-应变曲线中，并因为有剪切带，就发生了和裂的纹路上出现的锯齿状流动现象。之前说到了块体非晶合金室温下发生火灾大多数都是因为局部化的剪切行为破坏导致的，而现在又增加了多孔结构，产生多重剪切带就在材料中诱发了，与此同时因为有孔隙，又影响了剪切带的自由发展或者调动剪切带的扩展渠道，这样就可以将材料的室温塑性提高。

2.3 能量吸收

高强度和大变形的非晶合金泡沫材料促进它拥有更高的应变能。能量吸收和耗散对于泡沫材料来说是一个重要的特质。通常情况下，如果出现比较长的塑性变形段，就是非晶合金泡沫的压缩应力应变响应曲线出现的，这说明泡沫材料在压缩的过程中还能坚持在较同等情况低的应力下吸取比较多的应变能。变形过程中的单位体积内吸取的能量是用来表示泡沫材料的压缩吸能性的大小。

3 总结

结合以上观点，非晶合金泡沫在生活的很多方面都有可观的前景，比如军队装备、航天航空、能源和通讯等方面。非晶合金泡沫材料的后处理技术在应用上，一些处理技术还没有正式开始工作，比如适合的链接技术和成型机加工还有表面的一些工程。上述提到的这些还要开始深入并且系统的研究，并在实际工程中广泛的应用到这类新型的材料。

［1］方岱宁，张一慧，崔晓东.轻质点阵材料力学与多功能设计.北京：科学出版社，2009.

［2］郝纲领，韩福生，吴杰，王清周.利用界面能提高多孔铝阻尼能力的一种新方法.物理学进展，2006，26（3～4）：393～377.

［3］卢天健，徐峰，文婷.周期性多孔金属材料的热流性能.北京：科学出版社，2010.