多功能轻量化材料与结构

第1章绪论 1.1多功能轻量化材料与结构的研究背景 作为人类生存和发展的物质基础，材料是人类文明的重要支柱，其发展水平始终是时代进步和社会文明的标志。发展性能优异的新材料是金属材料领域持之以恒的追求。著名材料学家、英国剑桥大学Ashby教授给出了各种材料的性能比较图。如图1-1所示，所有的材料属性图都有一个共同的特征，即部分属性区域有材料，其余区域则是空白。如何进一步扩大现有材料体系的范围，或者说填补现有材料体系的空白是材料科学发展的重大需求。 对于轻量化材料与结构来说，其主要的目标就是填补图1-1中左上角的空白区域，即寻找低密度、高性能(强度、刚度等)材料。为了实现这一目标，一般采用两种途径：一是采用先进基体材料来达到减重的目的；二是采用先进的拓扑构型，尽量降低材料的冗余重量。现代材料力学的发展使得单纯依靠以上两种方法减重的潜力越来越小，因而需要寻求全新的解决方案。人们发现，传统的材料设计通常不考虑功能需求，如果将材料结构系统和功能系统集成在一起开展多功能协同设计，将有效减小功能系统的冗余质量，从而达到大幅减重的目的。 对于多功能协同设计来说，人们可以从自然界寻找灵感。自然界的生物结构(图1-2)经过亿万年遗传进化呈现出多种功能并存的构造特点。例如，人体的头盖骨(图1-2(a))在兼具轻质特点的同时，由于多尺度孔隙的存在，还可在发生碰撞时通过不连续的孔隙减缓冲击应力传递，降低对大脑的损伤；候鸟的翅膀(图1-2(b))具有轻质高强特点，并且具有一定柔性来适应多变的气流；犀鸟的喙(图1-2(c))具有较高的强度与耐冲击性能。又如，植物的茎秆(图1-2(d))，其孔隙既为营养运输提供通道，又在较少物质(各种糖类与蛋白质)需求的同时，为植物花朵和叶片提供强有力的支撑。借鉴自然界的结构，人们发现将结构系统与功能系统同时设计是拓展轻量化材料与结构种类的有效途径。 随着国防装备的迅速发展，尤其是重点装备、重大型号的预研及定型，对兼具结构和功能特性的轻质材料与结构提出了越来越多、越来越高的要求。例如，高超声速飞行器冲压发动机需要兼具承受爆燃产生的高压力和高效主动散热的冷却板；航母需要轻质高效承载的喷气偏流装置；液体火箭发动机需要高效轻质的燃烧室(图1-3)；新型脉冲爆震发动机需要具有主动散热功能的承压爆震管壁结构。这些装备对多功能特性的新需求，为我国新材料的研发指明了新的方向。近年来的一些研究成果表明，以各类多孔金属材料、点阵材料为代表的轻量化材料与结构，不仅具有优异的结构承载能力，还具有广泛的多功能特性，如主动散热、抗爆、抗侵彻、吸声隔声等特性，未来在国防及民用领域均具有重要的应用前景。 1.2多功能轻量化材料与结构的基本概念和特性 如图1-4所示，本书的研究对象包括以泡沫铝为代表的无序多孔金属、以点阵结构为代表的有序多孔金属、点阵和多孔金属复合的混杂多孔结构以及含液多孔介质。从研究的时间顺序来看，这四类轻量化材料与结构大体可分别称为**代多孔结构、第二代多孔结构、第三代多孔结构以及第四代多孔结构。值得注意的是，虽然本书在后面论述各功能特性的时候相对独立，但实际工程应用中经常出现需要满足多种功能特性的情况，而且孔隙的尺度跨度很大(从纳米到米)。换句话说，轻量化材料与结构的多功能特性研究通常是多学科交叉的、多尺度的。 1.2.1无序多孔金属 无序多孔金属以泡沫金属(也称为金属泡沫)为主，其孔隙几何特征一般为随机分布。按孔隙的连通性划分，泡沫金属又分为闭孔泡沫金属和通孔泡沫金属，如图1-5所示。 由于其制备工艺简单，制造成本相对较低，以及其高孔隙率和优异的力学、热学及声学等方面的性能，因此泡沫金属受到国内外学者的高度关注。 闭孔泡沫金属以其优异的能量吸收性能，在航空航天、防护工程、机械制造及交通防撞领域已经得到广泛研究和应用。对于闭孔泡沫金属的静态力学性能研究，主要集中在压缩性能方面，因其压缩应力-应变曲线具有较长的平台段，可作为能量吸收装置的核心吸能元件。此外，国内外学者也对其拉伸、弯曲、剪切、腐蚀、蠕变等性能进行了大量研究工作。Peroni等对闭孔泡沫铝的各种力学性能进行了系统实验研究。研究表明，闭孔泡沫铝在轴向压缩载荷作用下表现出良好的能量吸收特性，而在拉伸载荷作用下，闭孔泡沫铝则会发生脆性断裂，能量吸收能力受到限制。在弯曲、剪切和扭转等载荷作用下，由于拉伸破坏的存在，其力学性能没有表现得像压缩那样优异。在静态力学性能研究的基础上，人们对其动态力学性能进行了大量研究。采用落锤冲击手段对闭孔泡沫铝的低速冲击行为进行实验研究，可实现压缩及弯曲等低速冲击加载，而对于高速冲击下的力学行为，可通过分离式霍普金森杆进行实验研究。也有学者对闭孔泡沫金属在强动载荷(如侵彻和爆炸)下的力学行为展开研究。另外，由于闭孔泡沫金属在动态载荷下的特殊力学行为，部分学者还用其模拟爆炸冲击载荷，用泡沫子弹打击结构物来近似模拟爆炸载荷。 与闭孔泡沫金属不同，通孔泡沫金属的孔洞相互连通。泡沫骨架具有如下特点：多个棱杆汇聚形成节点，如此互相连接即形成了整块的通孔泡沫材料。通孔泡沫材料的孔隙率往往比较高，常见孔隙率大于70%。这种通孔结构为流体提供了通道，使其具备多方面的应用，如过滤、强化换热、吸声等。*初人们采用固体几何学的观点描述泡沫材料的微观拓扑孔隙，认为通孔泡沫材料的孔形状是菱形十二面体。后来人们采用*小表面能理论阐述通孔泡沫材料的空间构型，以Kelvin提出的面略弯曲的十四面体为代表的空间构型被人们广泛接受。Weaire和Phelan将计算机软件用于求解表面积*小化问题，得到了单位体积中表面积更小的组合体。该组合体由等体积的6个十四面体和2个十二面体构成，组合后表面积仅为0.3%。通孔泡沫金属在强制对流下是优良的传热介质，可以作为承受高热流密度的结构(如空天飞行器、超高速列车)和微电子器件(如高速芯体)的散热装置。现有的初步研究表明，通孔泡沫金属的吸声效果良好，而且当孔径为0.1～0.5mm时其吸声效果*优。例如，Alporas泡沫金属已成功地应用于高架桥底的吸声内衬，以及隧道口的吸声壁板上。与传统吸声材料相比，多孔金属具有高比刚度、高比强度、无毒、耐腐蚀和耐高温等明显优势，可以用于有阻燃要求和各种严苛条件下(如高温、潮湿)的内装材料。 1.2.2有序多孔金属 Chen等采用二维泡沫模型从理论上系统地研究了导致泡沫材料性能低于理论预测的几种缺陷形式，揭示了微观几何缺陷是导致泡沫材料结构性能不佳的重要原因。为了弥补泡沫材料自身结构性能不理想的缺点，人们设计了多种胞元形状规则并周期性排布的点阵多孔材料，即有序多孔金属。按芯体构型划分，有序多孔金属分为二维点阵材料和三维点阵材料。顾名思义，二维点阵芯体主要是指芯体沿平面内两个方向变化，沿空间另一个方向不发生变化的芯体，图1-6给出了九种由二维点阵芯体组成的夹层结构，其中芯体沿平行于上下面板方向可以无限拉伸。图1-7给出了三种常见的蜂窝芯体，该类芯体沿垂直于面板方向可以无限拉伸而不影响其平面拓扑结构。图1-8给出了由三维点阵芯体构成的夹层结构，该类芯体多由空间杆系结构组成。 与无序多孔金属相比，有序多孔金属具有极高的可设计性，并且由于其结构呈周期性，制备过程中的缺陷相对较少，因此，该类结构成为近年来各国学者研究的重点。由于飞机制造工艺的需求，六方蜂窝作为早期的轻质芯体结构有着较长的研究历程，如图1-9所示，六方蜂窝的制备可以通过波纹板堆叠-焊接成形，也可以通过铝箔逐层错位黏接后拉伸而成。Gibson和Ashby在其专著中对六方蜂窝的面内、面外力学性能进行了系统研究，其面外压缩强度远大于其面内压缩强度。随着承载力要求逐渐增大，蜂窝芯体壁厚也随之增加，传统六方蜂窝的制备方法已经无法满足要求，相对简单的嵌插-焊接工艺使得四方蜂窝的研究引起了学者和工业界的注意。Cote等采用嵌插结合真空焊接工艺制备了不锈钢四方蜂窝，通过实验对其压缩性能和剪切性能进行了研究，并利用理论分析对四方蜂窝的压缩强度和剪切强度进行了预测，发现了在横坐标为相对密度、纵坐标为无量纲强度的材料选择图上，四方蜂窝芯体相对于波纹芯体、金字塔桁架及泡沫金属等轻质多孔金属具有明显优势。Rathbun等基于强度破坏机理对受到广义弯曲的不同拓扑结构的夹层板进行了优化设计和*小质量比较。对于组成材料屈服应变为0.001的不同结构，由于波纹芯体在低载荷区域的破坏模式以屈曲失效模式为主，该类型结构无论是在横向弯曲载荷下还是在纵向弯曲载荷下，其*小质量均大于四方蜂窝芯体夹层板。关于蜂窝结构更详细的研究，读者可参考ZhangQC的综述文章。通过深入分析可以发现，在承受面外压缩、面内剪切和弯曲载荷作用时，四方蜂窝结构相对于同等相对密度的其他点阵芯体性能优异的原因在于：首先，蜂窝单胞胞壁与载荷方向平行，胞壁结构可以完全承受载荷；其次，根据平板稳定理论，有