多孔材料力學(xué)性能研究應(yīng)用分析
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［摘要］多孔材料是一種具備結(jié)構(gòu)和功能雙重性能的工程材料，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，隨著多孔材料在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)其復(fù)雜化的應(yīng)用場(chǎng)景也提出了更高的要求。因此，本文從力學(xué)性能的理論研究等各個(gè)方面來(lái)綜合分析多孔材料存在重要意義。
［關(guān)鍵詞］多孔材料；力學(xué)性能；土木工程；前景
1多孔材料概論
1.1多孔材料的含義及分類
多孔材料[1]是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種由剛性骨架和內(nèi)部孔隙組成的新型材料。其材料主要特征包含兩點(diǎn)，一是材料中包含有許多孔隙；第二個(gè)是材料中包含的這些孔隙被用來(lái)滿足一種或多種設(shè)計(jì)要求來(lái)達(dá)到所期待的使用性能指標(biāo)。多孔材料的分類主要有多孔金屬、多孔高分子以及多孔陶瓷材料三大類，自材料問(wèn)世后，因其獨(dú)特多樣的性能特點(diǎn)，在國(guó)際上收到廣泛關(guān)注，逐漸成為了諸多領(lǐng)域?qū)W者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
1.2多孔材料的性能特點(diǎn)
多孔材料具有任意大小和形狀、隨機(jī)分布的孔隙結(jié)構(gòu)等特征，其具有的機(jī)械、吸附、滲透、光電及生物活性等獨(dú)特性，使得多孔材料在結(jié)構(gòu)與功能上具有廣闊前景，根據(jù)孔隙形狀的不同，多孔材料[2]可分為獨(dú)立孔隙型和連續(xù)孔隙型兩大類型。其中，獨(dú)立孔隙型多孔材料的特點(diǎn)包括比重小、強(qiáng)度好、吸聲性能好等；連續(xù)孔隙型多孔材料除了以上這些特點(diǎn)，還具備透氣性強(qiáng)、通風(fēng)良好等優(yōu)勢(shì)。隨著材料制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，多孔材料的類型也豐富多樣，泡沫型、蜂窩型等更多類型的材料應(yīng)用也越來(lái)越普遍，在此基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了纖維型的多孔材料。每種材料都具備自身的優(yōu)勢(shì)和特性，適用于不同的行業(yè)，這就使得多孔材料有了更大更多的被選擇空間，這也促使其得以不斷更新、改進(jìn)，也能更好地發(fā)揮其作用。如圖1圖2分別表示為電鏡下獨(dú)立孔隙型泡沫材料、連續(xù)孔隙型泡沫多孔材料。
2多孔材料的力學(xué)性能
2.1理論分析
從專業(yè)理論的視角來(lái)分析，多孔材料并不完美。當(dāng)它們被應(yīng)用于建筑行業(yè)時(shí)，可能會(huì)因無(wú)法控制自身的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力而產(chǎn)生一些不利的影響，其力學(xué)性能受到影響，甚至可能造成嚴(yán)重的后果。由于多孔材料本身的性能和致密性不穩(wěn)定且差異較大，在實(shí)際工程建設(shè)行業(yè)中有必要關(guān)注其力學(xué)性能指標(biāo)，以便更好地應(yīng)用。與此同時(shí)，我們也應(yīng)該看到一些金屬多孔材料的發(fā)展仍存在很多不足之處。多孔材料的壓縮應(yīng)力是關(guān)鍵力，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮著很重要的作用，因此對(duì)多孔材料力學(xué)性能相關(guān)的分析，主要以分析壓縮應(yīng)力為主。多孔材料[3]多為脆性材料，其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為彈性、屈服、強(qiáng)化和破壞四個(gè)不同階段。在彈性階段內(nèi)，多孔材料因?yàn)檎贾鲗?dǎo)地位的非均布、非均勻的孔隙結(jié)構(gòu)變形而表現(xiàn)出顯著的非線性彈性的特征?？紫堵蔥4]對(duì)多孔材料的性能起決定性作用，具體表現(xiàn)為孔隙率越高，其壓縮屈服應(yīng)力和彈性模量就越低，塑性屈服段降低且延長(zhǎng)，進(jìn)入密實(shí)段較晚；不同的學(xué)者對(duì)孔徑對(duì)多孔材料的壓縮性能的影響有幾種不同的看法。有學(xué)者認(rèn)為孔徑對(duì)多空材料壓縮性能的影響微乎其微，甚至沒(méi)有影響；部分學(xué)者認(rèn)為孔徑越小，材料的壓縮性能越大。甚至還有學(xué)者得出了多孔材料的壓縮性能隨著孔徑的減小而減小的觀點(diǎn)。另外，拉伸斷裂時(shí)多孔材料的應(yīng)變要比壓縮斷裂時(shí)的小很多，這是由泡沫金屬的性質(zhì)決定的[5]。例如一種多孔材料的應(yīng)變力若不強(qiáng)大，那它的線性張力和區(qū)域伸長(zhǎng)，它的應(yīng)變力也會(huì)因此而變大。當(dāng)一些建筑行業(yè)選擇使用壓縮多孔金屬材料時(shí)，其吸附能力是由自己的壓縮應(yīng)力和應(yīng)變力屈服的曲線和平臺(tái)面積決定的。與泡沫型材料相比，纖維型多孔金屬材料的吸能力更強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中得更廣泛的選擇。我們必須要準(zhǔn)確地了解各種多孔材料的不同力學(xué)性能，才能將材料充分具體地運(yùn)用到實(shí)際中去。
2.2.多孔材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用
發(fā)展新型可靠的建筑材料是建筑與土木工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。多孔材料最顯著的特點(diǎn)是有大小形狀任意且分布隨機(jī)的孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑、孔隙率和孔隙形貌之間既相互影響又相互制約，是決定多孔材料性能的最主要因素，同時(shí)這種多樣性也使其具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和適應(yīng)性。多孔材料具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、比表面積大、體積密度低、吸能減噪等優(yōu)點(diǎn)，使得它在化工、建筑、國(guó)防、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。比如在建筑與土木工程中多孔鋁的單位體積重量輕，比普通彩鋼夾芯板密度小，所以被用來(lái)建造不承重的內(nèi)墻壁、間壁墻、天花板等；多孔材料具有良好的吸能減噪防振的特性，被用來(lái)制作門、窗、建筑物的裝飾材料等；多孔金屬材料的使用壽命長(zhǎng)，使得材料能有更多的利用與發(fā)揮。因此，多孔材料在現(xiàn)代建筑的應(yīng)用有著廣闊前景。不同的多孔材料其力學(xué)性能也是不同的，在每個(gè)實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，都應(yīng)完全了解材料的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，如壓應(yīng)力、吸能力、適應(yīng)力等，并決定什么樣的材料適合什么樣的建筑材料，適合應(yīng)用的行業(yè)，這些都是在實(shí)際的應(yīng)用前必須考慮清楚，否則一旦用錯(cuò)了材料，將會(huì)導(dǎo)致無(wú)法預(yù)料的后果，造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。具體來(lái)說(shuō)，多孔纖維金屬材料的應(yīng)用，應(yīng)充分利用其高吸收性和高密度的優(yōu)勢(shì)；泡沫金屬多孔材料的應(yīng)用，應(yīng)充分考慮其輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)；蜂窩金屬多孔材料的應(yīng)用，應(yīng)充分發(fā)揮其穩(wěn)定性和堅(jiān)固性的特點(diǎn)，在高層建筑的施工中多使用此類材料，會(huì)大大提高建筑的安全性能。另外，更重要的一點(diǎn)是要注意普通多孔金屬材料會(huì)反復(fù)燒結(jié)。在這個(gè)反復(fù)的過(guò)程中，多孔金屬材料原有的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生積極和消極的影響，需要我們關(guān)注，因此每次燒結(jié)后，都要重新判斷和識(shí)別其力學(xué)性能。即便是相同的多孔金屬材料，在不同的燒結(jié)工藝條件下也會(huì)有不同的力學(xué)性能及應(yīng)用效果。目前，我國(guó)對(duì)多孔金屬材料燒結(jié)技術(shù)的理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，并不能很好地適應(yīng)現(xiàn)實(shí)生活和建筑行業(yè)的需求。還有很多方面的難題等待著我們?nèi)パ芯俊l(fā)現(xiàn)和解決，這是我們未來(lái)關(guān)注的方向，我們應(yīng)該注意更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。多孔金屬材料[6]是一種擁有金屬和泡沫雙重特性的新型多孔材料，具有輕質(zhì)、強(qiáng)度高、隔熱、吸能、電磁屏蔽等特點(diǎn)。因此能廣泛地運(yùn)用在建筑與土木工程行業(yè)，例如建筑鋼鐵結(jié)構(gòu)、建筑節(jié)能、建筑防火板、隔熱板、門窗框架等。多孔材料結(jié)構(gòu)的多樣性，孔隙的大小、形狀和孔隙率，甚至孔隙的分布相互制約、相互影響，其是決定其性能的主要因素。而且這種多樣性使多孔材料具備很強(qiáng)的設(shè)計(jì)適應(yīng)性。隨著材料制造技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)多孔材料性能的認(rèn)識(shí)的加深，多孔材料將在土木工程領(lǐng)域必然發(fā)揮重要作用。如圖3圖4分別表示為高層建筑防火材料、建筑輕量化隔音材料。
3總結(jié)與展望
3.1總結(jié)
綜上所述，雖然從多孔材料的力學(xué)性能來(lái)看已經(jīng)開展了較多的工作，但從目前的研究來(lái)看還存在如下問(wèn)題，有待于進(jìn)一步深入研究。（1）在多孔材料力學(xué)性能研究中，大部分現(xiàn)有研究，都是對(duì)多孔鋁、泡沫金屬合金材料進(jìn)行壓縮力學(xué)性能的研究，而相對(duì)應(yīng)單獨(dú)的拉伸、扭轉(zhuǎn)、抗彎等研究試驗(yàn)甚少。（2）在現(xiàn)有文獻(xiàn)中如有關(guān)于孔隙率、含鋁成分、孔隙結(jié)構(gòu)等對(duì)多孔金屬力學(xué)性能的影響，但內(nèi)容卻十分稀少。關(guān)于外界因素（如水份、溫度、添加劑、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等）對(duì)多孔金屬材料力學(xué)性能的影響方面的研究也是幾乎沒(méi)有。（3）在建筑與土木工程行業(yè)中，作為新型金屬材料的多孔材料，不管是應(yīng)用到結(jié)構(gòu)、道路、橋梁等方向都是莫大的福音，但它同樣不失為一種金屬，若應(yīng)用到實(shí)際工程中，就應(yīng)該考慮其耐久性，抗腐蝕性等，但在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中很少有涉及關(guān)于此方面的研究。
3.2展望
對(duì)于多孔材料的研究，還需要進(jìn)一步的拓展其范圍以及應(yīng)用領(lǐng)域，例如將其應(yīng)用到電化學(xué)、催化領(lǐng)域以及其他方面。多孔金屬材料的制備方式中，存在孔隙在金屬基數(shù)量和分布體上等一些關(guān)鍵的問(wèn)題?？讖匠叽?、孔隙率的可控性能、分布的均勻性以及多孔金屬的作用機(jī)制還需要加強(qiáng)研究和探討。一些多孔金屬材料的開發(fā)，還在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，距其在生活和相關(guān)行業(yè)中批量產(chǎn)出和運(yùn)用還存有很大差距，需要我們?nèi)ド钊胙芯?。?dāng)前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨之而來(lái)的是多孔材料的需求將會(huì)成為普遍存在，其應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣泛。與其他類材料相比，金屬多孔材料以比例小、比強(qiáng)度高、吸能性好、減振效果好等優(yōu)異的性能受到許多行業(yè)的青睞。因此，多孔材料必然有著可觀的發(fā)展前景，在未來(lái)的發(fā)展中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)金屬多孔材料相關(guān)的研究，在這一專業(yè)培養(yǎng)更多的高素質(zhì)人才，不斷地克服多孔材料的不足處，不斷地改進(jìn)提升技術(shù)，在未來(lái)交通業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑業(yè)、制造業(yè)、等領(lǐng)域得到充分有效地利用。
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作者：胡正龍 單位：中南林業(yè)科技大學(xué)