多孔材料力学性能研究应用分析

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［摘要］多孔材料是一种具备结构和功能双重性能的工程材料，具有很高的应用价值。近年来，随着多孔材料在许多领域的广泛应用，人们对其复杂化的应用场景也提出了更高的要求。因此，本文从力学性能的理论研究等各个方面来综合分析多孔材料存在重要意义。

［关键词］多孔材料；力学性能；土木工程；前景

1多孔材料概论

1.1多孔材料的含义及分类

多孔材料[1]是20世纪80年代迅速发展起来的一种由刚性骨架和内部孔隙组成的新型材料。其材料主要特征包含两点，一是材料中包含有许多孔隙；第二个是材料中包含的这些孔隙被用来满足一种或多种设计要求来达到所期待的使用性能指标。多孔材料的分类主要有多孔金属、多孔高分子以及多孔陶瓷材料三大类，自材料问世后，因其独特多样的性能特点，在国际上收到广泛关注，逐渐成为了诸多领域学者研究的重点和热点。

1.2多孔材料的性能特点

多孔材料具有任意大小和形状、随机分布的孔隙结构等特征，其具有的机械、吸附、渗透、光电及生物活性等独特性，使得多孔材料在结构与功能上具有广阔前景，根据孔隙形状的不同，多孔材料[2]可分为独立孔隙型和连续孔隙型两大类型。其中，独立孔隙型多孔材料的特点包括比重小、强度好、吸声性能好等；连续孔隙型多孔材料除了以上这些特点，还具备透气性强、通风良好等优势。随着材料制备技术的不断进步，多孔材料的类型也丰富多样，泡沫型、蜂窝型等更多类型的材料应用也越来越普遍，在此基础上，又出现了纤维型的多孔材料。每种材料都具备自身的优势和特性，适用于不同的行业，这就使得多孔材料有了更大更多的被选择空间，这也促使其得以不断更新、改进，也能更好地发挥其作用。如图1图2分别表示为电镜下独立孔隙型泡沫材料、连续孔隙型泡沫多孔材料。

2多孔材料的力学性能

2.1理论分析

从专业理论的视角来分析，多孔材料并不完美。当它们被应用于建筑行业时，可能会因无法控制自身的拉应力、压应力而产生一些不利的影响，其力学性能受到影响，甚至可能造成严重的后果。由于多孔材料本身的性能和致密性不稳定且差异较大，在实际工程建设行业中有必要关注其力学性能指标，以便更好地应用。与此同时，我们也应该看到一些金属多孔材料的发展仍存在很多不足之处。多孔材料的压缩应力是关键力，在实际应用过程中发挥着很重要的作用，因此对多孔材料力学性能相关的分析，主要以分析压缩应力为主。多孔材料[3]多为脆性材料，其压缩应力-应变曲线大致可分为弹性、屈服、强化和破坏四个不同阶段。在弹性阶段内，多孔材料因为占主导地位的非均布、非均匀的孔隙结构变形而表现出显著的非线性弹性的特征。孔隙率[4]对多孔材料的性能起决定性作用，具体表现为孔隙率越高，其压缩屈服应力和弹性模量就越低，塑性屈服段降低且延长，进入密实段较晚；不同的学者对孔径对多孔材料的压缩性能的影响有几种不同的看法。有学者认为孔径对多空材料压缩性能的影响微乎其微，甚至没有影响；部分学者认为孔径越小，材料的压缩性能越大。甚至还有学者得出了多孔材料的压缩性能随着孔径的减小而减小的观点。另外，拉伸断裂时多孔材料的应变要比压缩断裂时的小很多，这是由泡沫金属的性质决定的[5]。例如一种多孔材料的应变力若不强大，那它的线性张力和区域伸长，它的应变力也会因此而变大。当一些建筑行业选择使用压缩多孔金属材料时，其吸附能力是由自己的压缩应力和应变力屈服的曲线和平台面积决定的。与泡沫型材料相比，纤维型多孔金属材料的吸能力更强，在实际应用中得更广泛的选择。我们必须要准确地了解各种多孔材料的不同力学性能，才能将材料充分具体地运用到实际中去。

2.2.多孔材料在土木工程领域的应用

发展新型可靠的建筑材料是建筑与土木工程发展的必然趋势。多孔材料最显著的特点是有大小形状任意且分布随机的孔隙结构，孔径、孔隙率和孔隙形貌之间既相互影响又相互制约，是决定多孔材料性能的最主要因素，同时这种多样性也使其具有很强的可设计性和适应性。多孔材料具有高强度、轻质、比表面积大、体积密度低、吸能减噪等优点，使得它在化工、建筑、国防、医学、环保等领域有广泛的应用。比如在建筑与土木工程中多孔铝的单位体积重量轻，比普通彩钢夹芯板密度小，所以被用来建造不承重的内墙壁、间壁墙、天花板等；多孔材料具有良好的吸能减噪防振的特性，被用来制作门、窗、建筑物的装饰材料等；多孔金属材料的使用寿命长，使得材料能有更多的利用与发挥。因此，多孔材料在现代建筑的应用有着广阔前景。不同的多孔材料其力学性能也是不同的，在每个实际的应用过程中，都应完全了解材料的各项指标数据，如压应力、吸能力、适应力等，并决定什么样的材料适合什么样的建筑材料，适合应用的行业，这些都是在实际的应用前必须考虑清楚，否则一旦用错了材料，将会导致无法预料的后果，造成生命财产的损失。具体来说，多孔纤维金属材料的应用，应充分利用其高吸收性和高密度的优势；泡沫金属多孔材料的应用，应充分考虑其轻质的优点；蜂窝金属多孔材料的应用，应充分发挥其稳定性和坚固性的特点，在高层建筑的施工中多使用此类材料，会大大提高建筑的安全性能。另外，更重要的一点是要注意普通多孔金属材料会反复烧结。在这个反复的过程中，多孔金属材料原有的力学性能会产生积极和消极的影响，需要我们关注，因此每次烧结后，都要重新判断和识别其力学性能。即便是相同的多孔金属材料，在不同的烧结工艺条件下也会有不同的力学性能及应用效果。目前，我国对多孔金属材料烧结技术的理论研究还远远不够，并不能很好地适应现实生活和建筑行业的需求。还有很多方面的难题等待着我们去研究、发现和解决，这是我们未来关注的方向，我们应该注意更多的实验来解决这个问题。多孔金属材料[6]是一种拥有金属和泡沫双重特性的新型多孔材料，具有轻质、强度高、隔热、吸能、电磁屏蔽等特点。因此能广泛地运用在建筑与土木工程行业，例如建筑钢铁结构、建筑节能、建筑防火板、隔热板、门窗框架等。多孔材料结构的多样性，孔隙的大小、形状和孔隙率，甚至孔隙的分布相互制约、相互影响，其是决定其性能的主要因素。而且这种多样性使多孔材料具备很强的设计适应性。随着材料制造技术的发展和人们对多孔材料性能的认识的加深，多孔材料将在土木工程领域必然发挥重要作用。如图3图4分别表示为高层建筑防火材料、建筑轻量化隔音材料。

3总结与展望

3.1总结

综上所述，虽然从多孔材料的力学性能来看已经开展了较多的工作，但从目前的研究来看还存在如下问题，有待于进一步深入研究。（1）在多孔材料力学性能研究中，大部分现有研究，都是对多孔铝、泡沫金属合金材料进行压缩力学性能的研究，而相对应单独的拉伸、扭转、抗弯等研究试验甚少。（2）在现有文献中如有关于孔隙率、含铝成分、孔隙结构等对多孔金属力学性能的影响，但内容却十分稀少。关于外界因素（如水份、温度、添加剂、养护时间等）对多孔金属材料力学性能的影响方面的研究也是几乎没有。（3）在建筑与土木工程行业中，作为新型金属材料的多孔材料，不管是应用到结构、道路、桥梁等方向都是莫大的福音，但它同样不失为一种金属，若应用到实际工程中，就应该考虑其耐久性，抗腐蚀性等，但在现有的文献中很少有涉及关于此方面的研究。

3.2展望

对于多孔材料的研究，还需要进一步的拓展其范围以及应用领域，例如将其应用到电化学、催化领域以及其他方面。多孔金属材料的制备方式中，存在孔隙在金属基数量和分布体上等一些关键的问题。孔径尺寸、孔隙率的可控性能、分布的均匀性以及多孔金属的作用机制还需要加强研究和探讨。一些多孔金属材料的开发，还在实验当中，距其在生活和相关行业中批量产出和运用还存有很大差距，需要我们去深入研究。当前，中国经济发展迅速，随之而来的是多孔材料的需求将会成为普遍存在，其应用范围将会越来越广泛。与其他类材料相比，金属多孔材料以比例小、比强度高、吸能性好、减振效果好等优异的性能受到许多行业的青睐。因此，多孔材料必然有着可观的发展前景，在未来的发展中，应加强对金属多孔材料相关的研究，在这一专业培养更多的高素质人才，不断地克服多孔材料的不足处，不断地改进提升技术，在未来交通业、医疗卫生、建筑业、制造业、等领域得到充分有效地利用。

参考文献

[1]刘培生.多孔材料引论（2版）[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2]李传福，李艳芳.金属多孔材料力学性能的研究进展[J].装备制造技术，2015（8）：244-245.

[3]苏淑兰，饶秋华，贺跃辉，等.基于微极理论的新型FeAl多孔材料弹性模量研究[J].中南大学学报（自然科学版），2018，49（7）：1643-1649.

[4]于丽丽，李爱群，解琳琳，等.泡沫铝压缩和吸能性能的影响因素分析[J].建筑技术，2018，49（3）315-318.

[5]王展光，陈选，李书琴，等.球形孔泡沫铝及其合金的拉伸性能[J].机械工程材料，2009，33（10）：75-77.

[6]魏剑，桑国臣.金属多孔材料在建筑领域的应用展望[J].热加工工艺，2009，38（22）：59-63.

作者：胡正龙 单位：中南林业科技大学