王輝，向長(zhǎng)淑，王建，李廣忠，周進(jìn)雄

(1. 西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；2. 西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司，西安 710016；3. 西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

前驅(qū)體浸漬法制備泡沫鎳屈服強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系

王輝1,2，向長(zhǎng)淑2，王建1，李廣忠1，周進(jìn)雄3

(1. 西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；2. 西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司，西安 710016；3. 西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

采用有限元模擬技術(shù)計(jì)算不同孔結(jié)構(gòu)泡沫鎳的屈服強(qiáng)度，并以氣霧化Ni-20Cr合金粉末為原料，以不同孔徑的聚氨酯泡沫為模板，控制浸漬工藝制備出不同孔徑與不同密度的泡沫鎳鉻合金，研究合金屈服強(qiáng)度隨密度與孔徑尺寸的變化關(guān)系。有限元模擬計(jì)算結(jié)果表明，開(kāi)孔泡沫金屬材料的屈服強(qiáng)度符合Gibson-Ashby方程，在開(kāi)孔泡沫金屬材料密度一定的情況下，材料的屈服強(qiáng)度不隨孔徑的變化而變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于相同孔徑的泡沫金屬材料，其屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度的關(guān)系為σ/σs與相對(duì)密對(duì)(即ρ/ρs)的1.5次方呈線性關(guān)系(σ和σs分別為泡沫材料與致密材料的屈服強(qiáng)度；ρ和ρs分別為泡沫材料與致密材料的密度)；而具有相同密度和不同孔徑的泡沫鎳鉻合金，其屈服強(qiáng)度很接近，驗(yàn)證了開(kāi)孔泡沫金屬材料屈服強(qiáng)度隨密度的變化規(guī)律符合Gibson-Ashby方程。

泡沫鎳；有限元模擬；前驅(qū)體浸漬法；孔結(jié)構(gòu)；屈服強(qiáng)度

泡沫金屬材料具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)良的能量吸收率等特點(diǎn)、以及結(jié)構(gòu)和功能的雙重特性，其應(yīng)用涉及過(guò)濾、分離、吸能、降噪、屏蔽、催化和熱交換等多個(gè)方面[1?3]。泡沫鎳基合金被認(rèn)為是繼泡沫鎳之后更具應(yīng)用價(jià)值的泡沫結(jié)構(gòu)工程材料。在泡沫鎳中添加鉻元素，可有提高基體強(qiáng)度尤其是高溫持久強(qiáng)度，同時(shí)氧化和腐蝕過(guò)程中合金表面形成致密的Cr2O3膜，可有效提高合金的抗氧化性能和耐蝕性能。因此，泡沫鎳鉻合金在催化劑載體、過(guò)濾器、燃料電池電極和熱交換器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4?6]。前軀體浸漬法以聚氨酯泡沫作為模板(前軀體)，工藝簡(jiǎn)單且孔徑易于調(diào)控，適于制備高孔隙率材料，特別是制備具有連通孔結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔泡沫材料，目前已廣泛應(yīng)用于高孔隙率泡沫陶瓷等泡沫材料的制備[7?8]。多年來(lái)，研究者們?cè)诙嗫撞牧系慕Y(jié)構(gòu)與性能方面取得了大量的研究成果。其中，由Gibson和Ashby等創(chuàng)建的Gibson-Ashby模型和相關(guān)理論，是多孔材料領(lǐng)域公認(rèn)的經(jīng)典模型理論，在國(guó)內(nèi)外同行的研究中得到廣泛應(yīng)用[9?10]。在該模型的分析基礎(chǔ)上，Gibson和Ashby得到了開(kāi)孔泡沫材料屈服強(qiáng)度的表達(dá)式，即Gibson-Ashby方程[9]：σ/σs≈C(ρ/ρs)1.5。式中，σ和ρ分別為開(kāi)孔泡沫材料的屈服強(qiáng)度和表觀密度；σs和ρs分別為相同材質(zhì)的致密材料的屈服強(qiáng)度和密度；C為常數(shù)。從該方程中發(fā)現(xiàn)，在材料一定的前提下，開(kāi)孔泡沫材料的屈服強(qiáng)度只與其相對(duì)密度(孔隙度)有關(guān)，與孔形狀、孔徑尺寸、孔筋尺寸等因素?zé)o關(guān)。根據(jù)對(duì)稱(chēng)操作，Gibson-Ashby模型的孔隙單元和結(jié)構(gòu)單元均實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)均勻和三維各向同性，但這種立方結(jié)構(gòu)孔隙單元的集合體不能很好地反映出以開(kāi)孔聚氨酯泡沫為模板制備的泡沫金屬材料的3根孔筋(棱柱)相交于一個(gè)節(jié)點(diǎn)疊加連接形成的類(lèi)金剛石集合體結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于前驅(qū)體法制備的泡沫金屬材料而言，有必要選取新的單胞模型進(jìn)行模擬計(jì)算，并制備不同孔結(jié)構(gòu)的泡沫材料進(jìn)行驗(yàn)證。本文作者采用有限元法，結(jié)合Abaqus軟件建立模型，通過(guò)數(shù)據(jù)分析；研究相同密度泡沫鎳的屈服強(qiáng)度與孔徑尺寸的關(guān)系；并以不同孔徑的聚氨酯泡沫為前驅(qū)體，以氣霧化Ni-20Cr粉末為原料配制水基漿料，采用浸漬法制備不同密度的泡沫鎳鉻合金，測(cè)試泡沫鎳鉻合金的屈服強(qiáng)度，此基礎(chǔ)上驗(yàn)證Gibson-Ashby方程，并對(duì)泡沫鎳鉻合金的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 有限元模擬

根據(jù)實(shí)際聚氨酯泡沫前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)特性，采用圖1(a)所示的金剛石結(jié)構(gòu)，按照該結(jié)構(gòu)建模的單個(gè)胞元如圖1(b)所示。將純鎳的材料參數(shù)(彈性模量為E=214 GPa，屈服強(qiáng)度為105 MPa)導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行其軸向壓縮受力情況的有限元分析，為了較好地反映泡沫材料受壓的實(shí)際情況，同時(shí)考慮到合適的數(shù)據(jù)處理量，選取8個(gè)連續(xù)胞元組成的模型并施加邊界條件，模型及壓縮受力方式如圖1(c)所示。

圖1 聚氨酯泡沫的Abaqus計(jì)算模型Fig.1 Abaqus calculation model of PU foam (a) Diamond cubic crystal structure; (b) Single cell-element; (c) Calculation model and stress characteristics

1.2 合金制備及性能測(cè)試

采用平均粒徑為20 μm的氣霧化Ni-20Cr合金粉末(粉末形貌如圖2所示)為原料，分別以孔徑為10，20，30和40 PPI(par per inch，每英寸上的孔數(shù)量)的聚氨酯泡沫為模板，添加5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚乙烯醇(PVA)作為粘結(jié)劑，加入0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的羧甲基纖維素(CMC)作為流變調(diào)節(jié)劑，用去離子水配制成漿料，漿料的固含量為70%。通過(guò)控制浸漬道次和輥壓壓力等參數(shù)得到不同密度的泡沫合金素坯。素坯經(jīng)低溫預(yù)燒+高溫?zé)Y(jié)的兩步燒結(jié)后，得到泡沫鎳鉻合金[11]。

圖2 Ni-20Cr合金粉末的SEM形貌Fig.2 SEM Morphology of the Ni-20Cr alloy powder

用線切割將泡沫鎳鉻合金加工成直徑20 mm、長(zhǎng)度為10 mm的圓柱試樣[12]，按照國(guó)標(biāo)GB/T 6343—2009泡沫塑料表觀密度測(cè)定方法測(cè)定合金的密度，并計(jì)算相對(duì)密度；用Instron?3343型力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫壓縮性能測(cè)試，得到應(yīng)力–應(yīng)變曲線，壓頭的壓下速率為0.5mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 有限元模擬結(jié)果

對(duì)于已選定的泡沫材料模型，可通過(guò)改變?nèi)鐖D3所示的棱柱的幾何尺寸來(lái)改變泡沫金屬材料的孔結(jié)構(gòu)(主要是孔徑的改變)和密度，也就是通過(guò)改變棱柱的長(zhǎng)度L來(lái)改變泡沫金屬材料的孔徑，通過(guò)改變棱柱截面尺寸t來(lái)改變材料的密度。對(duì)于圖1(c)所示模型而言，相對(duì)密度ρ正比于橫截面邊長(zhǎng)t與棱長(zhǎng)L之比的平方，即(ρ/ρs)∝(t/L)2，同時(shí)改變邊長(zhǎng)t和棱長(zhǎng)L使t/L的值不變，即可保證泡沫體密度相同。本次計(jì)算選取5組數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析：t=0.2mm，L=2mm；t=0.3mm，L=3mm；t=0.4mm，L=4mm；t=0.5mm，L=5mm；t=0.6 mm，L=6 mm，泡沫鎳的相對(duì)密度為1.3%。圖4所示為5組具有相同密度(t/L的值相同，均為0.1)和不同孔徑的泡沫鎳的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線。從圖中可看出，在相對(duì)密度相同的情況下，不同孔徑泡沫鎳的應(yīng)力?應(yīng)變曲線較接近。將5組曲線對(duì)應(yīng)的泡沫鎳的屈服強(qiáng)度列于表1，從表1看出，在泡沫體密度相同的前提下，改變泡沫金屬材料的孔徑，材料的屈服強(qiáng)度變化不大。這表明開(kāi)孔泡沫金屬材料的屈服強(qiáng)度符合Gibson-Ashby方程中的規(guī)律，即在開(kāi)孔泡沫金屬材料密度一定的情況下，材料的屈服強(qiáng)度不隨孔徑尺寸變化而變化。這個(gè)結(jié)果與Nieh對(duì)開(kāi)孔泡沫鋁屈服強(qiáng)度的研究結(jié)果一致[13]。

圖3 計(jì)算模型胞元中的棱柱Fig.3 Sing prism in simulation model

圖4 相同密度、不同孔徑泡沫鎳的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig.4 Stress–strain curve of nickel foam with same density but different pore sizes

表1 相對(duì)密度同為1.3%，不同孔結(jié)構(gòu)泡沫鎳的屈服強(qiáng)度Table 1 Yield strength of Nickel foam with same relative density of 1.3% but different pore structure

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用孔徑為20 PPI的聚氨酯泡沫，通過(guò)控制浸漬工藝制備2種不同密度的泡沫鎳鉻合金，分別編號(hào)為NiCr-20?1和NiCr-20?3，通過(guò)測(cè)試和計(jì)算，這2種合金的相對(duì)密度分別為7.5%和9.5%，其室溫壓縮的應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖5得到NiCr-20?1和NiCr-20?3的屈服強(qiáng)度σ分別為3.30 MPa和4.43 MPa，將各數(shù)據(jù)代入Gibson-Ashby方程，得到NiCr-20?1和NiCr-20?3的材料參數(shù)C分別為0.247和0.232(見(jiàn)表2)，較為接近。

圖5 相同孔徑、不同密度泡沫鎳鉻合金的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of nickel-chromium alloy foam with same pore size but different density

表2 相同孔徑、不同密度泡沫鎳鉻合金的屈服強(qiáng)度與材料參數(shù)CTable 2 Yield strength of nickel-chromium alloy foam with same pore size but different density

采用孔徑分別為10，30和40 PPI的聚氨酯泡沫，通過(guò)控制浸漬工藝制備不同孔徑和不同密度的泡沫鎳鉻合金，測(cè)定其屈服強(qiáng)度，再將具有相同孔徑的合金的屈服強(qiáng)度與相對(duì)密度的關(guān)系進(jìn)行擬合，如圖6所示。由圖可見(jiàn)，對(duì)于相同孔徑的泡沫鎳鉻合金而言，其屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度的關(guān)系基本符合Gibson-Ashby方程，即σ/σs與ρ/ρs的1.5次方呈線性關(guān)系；而具有相同密度和不同孔徑的泡沫鎳鉻合金，其屈服強(qiáng)度很接近。這與數(shù)值模擬結(jié)果一致，驗(yàn)證了開(kāi)孔泡沫金屬材料的屈服強(qiáng)度符合Gibson-Ashby方程的變化規(guī)律，即開(kāi)孔泡沫金屬材料的屈服強(qiáng)度隨材料密度的變化而變化，與材料孔結(jié)構(gòu)沒(méi)有必然聯(lián)系。

圖6 不同孔徑的泡沫鎳鉻合金屈服強(qiáng)度與相對(duì)密度的關(guān)系Fig.6 Relationship between yield strength and relative density of nickel-chromium alloy foam with different pore size

3 結(jié)論

1) 利用Abaqus軟件對(duì)金剛石結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔泡沫鎳鉻合金進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明，開(kāi)孔泡沫金屬材料的屈服強(qiáng)度符合Gibson-Ashby方程，即在開(kāi)孔泡沫金屬材料密度一定的情況下，材料屈服強(qiáng)度不隨孔徑尺寸的變化而變化。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于相同孔徑的泡沫鎳鉻合金而言，其屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度的關(guān)系符合Gibson-Ashby方程，σ/σs與ρ/ρs的1.5次方呈線性關(guān)系；而具有相同密度和不同孔徑的泡沫鎳鉻合金，其屈服強(qiáng)度很接近，驗(yàn)證了開(kāi)孔泡沫金屬材料屈服強(qiáng)度隨密度的變化符合Gibson-Ashby方程。

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(編輯 湯金芝)

Relationship between yield strength and pore structure of nickel foam prepared by impregnation method

WANG Hui1,2, XIANG Changshu2, WANG Jian1, LI Guangzhong1, ZHOU Jinxiong3
(1. State Key Lab of Porous Metal Materials, Northwest Institute for Non-ferrous Metal Research, Xi’an 710016, China; 2. Xi’an Sailong Metal Materials Co., Ltd, Xi’an 710016, China; 3. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The yield strength of nickel foam with different pore structure were calculated by using finite element simulation. Nickel alloy foams with different density were prepared using polyurethane foam as precursor through controlling impregnation process. Relationship between pore size and yield strength of nickel chromium alloy foam was then studied. The simulation results show that the yield strength of open cell metal foam is in accordance with the Gibson-Ashby equation. That is, the yield strength of metal foam does not change with the pore size while the density of the foam material is constant. The experimental results show that for the metal foam with the same pore structure, the relationship between the yield strength and the relative density accords with Gibson-Ashby equation. And for nickel chromium alloy foam with same density and different pore size, the yield strength are very close to each other, which further verifies Gibson-Ashby equation.

nickel foam; finite element simulation; impregnation method; pore structure; yield strength

TG146

A

1673-0224(2017)04-585-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015AA034304)；陜西省科技新星項(xiàng)目(2015KJXX78)

2016?12?30；

2017?04?12

王輝，工程師，博士研究生。電話：029-86232183；E-mail: wanghuicsu2008@163.com