Высокопористые материалы и пенометаллы

«Когда человек хочет создать конструкцию, способную выдерживать внешние нагрузки, он использует монолитные материалы: сталь, бетон, стекло. Когда природа делает то же самое, она, как правило, использует пористые материалы: дерево, кость, коралл. Для этого без сомнения должны быть веские причины» (М.Ф. Эшби)[1].

Высокопористые материалы, получаемые методами порошковой металлургии, и в особенности пенометаллы, являются сравнительно новым классом материалов, обладающих набором интересных свойств. Когда Роберт Гук создал свой микроскоп (1664), одним из первых исследованных им материалов была пробка. То, что он увидел, позволило ему идентифицировать элементарную единицу биологических структур, которую он назвал «the cell» - «ячейка» и впервые дал на этой основе разумное объяснение свойствам пробки. Ячеистые структуры будоражили на протяжении столетий умы математиков, физиков, биологов. Ею восхищался Евклид и Плиний, а лорд Кельвин впервые сформулировал проблему наиболее экономного заполнения пространства ячейками (полиэдрами) одинакового размера.

Пористые материалы есть разветвленная сеть твердых перегородок или пластин, формирующих ребра и грани ячеек, объединенных в единый ансамбль так, чтобы заполнить пространство. Чаще встречаются структуры, в которых полиэдрические ячейки более или менее равномерно распространены в пространстве. Такого типа структуру принято называть пеной. Когда ячейки, из которых образуется пена, соединены только ребрами и имеют контакт друг с другом через грани, пену относят к структурам с открытыми ячейками. Если грани ячеек жесткие, а каждая ячейка оказывается отделенной от соседней, структура называется закрытой. Строение пористых материалов может быть и смешанным (рис. 7.6).

Наиболее важной характеристикой твердых пористых материалов является относительная плотность р /р5 - отношение плотности пористого материала (р ) к плотности материала, из которого образованы грани и ребра пор (ps). С увеличением значения р /ps толщина стенок растет, а объем пор уменьшается, и при р /ps > 0,3 следует говорить уже не о ячеистой структуре, а о наличии изолированных пор в структуре материала. Вспенивание твердых материалов необычайно расширяет область их применения. Снижение веса и изменение таких свойств, как термоизоляция, электросопротивление, поглощение энергии удара и шумов, происходит на уровне нескольких порядков и не может быть достигнуто иными способами.

Пенополимеры и пеностекла широко применяются для теплоизоляции - от ненагревающихся кофейных чашек до ускорителей (1-я ступень ракет), в строительстве, автоперевозках, противопожарных конструкциях и т.д. Теплопроводность иеномагериалов зависит от доли твердого тела в объеме иены, то есть она убывает пропорционально относительной плотности пены. Способность пористых материалов противостоять разрушению и выдерживать значительные нагрузки исторически использовалась человеком в строительстве. Современное конструирование, позволяющее получать разнообразные комбинации пено- и обычных материалов, находит применение в самолете- и ракетостроении (стекло- и углеволокнистые композиты, разделенные наполнителями с сотовым или ячеистым строением), спортивной индустрии (велосипеды, ракетки, яхты) и во многих других областях традиционной и новой техники.

Структура некоторых высокопористых металлических материалов

Рис. 7.6. Структура некоторых высокопористых металлических материалов: а - Ni губка, пористость Р~ 96 %; б - Zn пена, Р~ 88 %; в - А1 пена Alporas,

Р ~ 86 %; г - пористый Ti FZJ, Р~ 68 %; д - пористая сталь 316L GKN, Р ~ 45 %; микротрещины и другие дефекты; е - дефект на ребре губки из А1 (6061); ж - микронесплошности в стенке Zn поры; i - трещины в стенке Al-7Si пены; и - трещина в перемычке Ni губки; к - трещина в стенке Zn поры; микро и макропоры в спеченном порошковом Ti (FZJ) (л), двойники в высокопористой аустенитной спеченной стали 316L (GKN) (.и), структура зерен в тройном стыке AlSiMn (н) и AlCu (о) пены, микротрещины в стенке Al-12Si пены (п) [84]

Еще в 77 г. н. э. Плиний описывал применение пробки для рыболовецких лодок. Сегодня пенопласты с закрытыми порами находят применение в кораблестроении из-за их высокой плавучести, практически полного отсутствия разрушения (ржавчина, коррозия). Фактор плавучести (В - (ршо - рпмУрнго, где ршо = 1000 кг/м3) используется при расчете необходимого количества неноматериала. Типичные плавучие пенопласты имеют рпм « 40 кг/м3, что дает фактор плавучести В ~ 0,96. В современных парусниках пеноматериалы являются сердцевиной композиционных материалов, из которых изготовляются палубы и корпус.

Из пеномагериалов делают фильтры с открытыми порами для очистки расплавов; воздушные и молекулярные мембранные фильтры (разделение молекул раствора), фильтры для очистки газа в автомобиле. Электромагнитные свойства обеспечивают применение пен в радиотехнике. Высокое зрение (неровность поверхности) используется при создании различных нескользящих поверхностей, высокая демпфирующая способность - для звукоизоляции и гашения вибраций.

Металлические пены получают как из расплава, гак и в твердом состоянии. Металл в виде порошка смешивается с порошком гидрида титана (или циркония), компактируется и затем нагревается до температуры плавления металла и выделения водорода в виде газа - при этом происходит вспенивание. Возможно механическое смешивание (до пенообразного состояния) жидкого алюминия и частиц карбида кремния с фиксированием иены при охлаждении. Металлическая пена может быть получена через эвтектическую реакцию: расплавленный сплав находится в атмосфере водорода и охлаждается в интервале температур эвтектического превращения, при этом газ образует отдельную фазу в металле. Существуют другие способы получения пенометаллов через жидкую фазу. Пенистые материалы могут быть получены также связыванием (например, спеканием) друг с другом отдельных гранул.

Наибольшее распространение в промышленности получил пеноа- люминий, при производстве которого в качестве порофора используется порошок TiH2. Основными промышленными производителями пенометаллов являются: Fraunhofer (Germany), AEREX, ALPOROS (Japan, Switzerland); MEPURA, LKR (Austria); DURALCAN, CYMAT, INCO nickel foams (Canada); ASTROMET, DUOCEL, JAM Corp, ASHURST (USA), HYDRO (Norway); CFL nickel foams (Luxemburg).

Высокая способность поглощать механическую энергию - одно из наиболее важных свойств пористых материалов. Следует выделить несколько принципиально разных с точки зрения механики деформирования твердого тела механизмов поглощения энергии в пенома- гериалах.

Пеноматериалы являются эффективными поглотителями энергии при квазистагических нагрузках, имея протяженную и пологую площадку текучести (рис. 7.7). Это свойство пен реализуется при выборе материала для изготовления различной упаковки: площадка текучести должна располагаться при напряжениях чуть ниже тех, которые вызывают разрушение.

Кривые «о - е» полученные при единой скорости деформирования; показана площадь W под одной из кривых до напряжения уплотнения пен о

Рис. 7.7. Кривые «о - е» полученные при единой скорости деформирования; показана площадь W под одной из кривых до напряжения уплотнения пен ор

Для защиты от ударной нагрузки основным критерием является максимальное поглощение кинетической энергии движущегося объекта. В этом случае напряжения не должны превышать напряжений, соответствующих площадке текучести. Для поглощения энергии взрыва пеномагериал со стороны взрыва покрывают тяжелым сплошным слоем другого материала, так как в этом случае момент инерции играет не менее важную роль, чем поглощение энергии.

Если речь идет о поглощении шумов, то критерием являются акустические свойства. При поглощении звука пористыми материалами задействовано несколько механизмов: это потери энергии, обусловленные периодической закачкой воздуха в/из материалов с открытыми порами и собственная способность материала рассеивать энергию приложенных колебаний. В пеноматериалах, в особенности с огкрытыми порами, звук многократно отражается внутри пор, поверхность пор вибрирует, преобразуя энергию звука в тепло. Доля энергии звука, абсорбированная поверхностью, характеризуется коэффициентом звукопоглощения - отношением интенсивности отраженного звука к интенсивности источника звука (а). Если а = 0,8, эго значит, что 80 % энергии звука поглощается, а 20 % - отражается. По данным фирмы Alulight, максимальные значения коэффициента поглощения звука в пеноалюминии достигают а > 85 %.

Если необходимы вибрационная или резонансная стойкость или поглощение энергии при циклическом нагружении в упругой области деформирования для уменьшения нежелательных вибраций, то тогда требуется повышенная демпфирующая способность.

Механическое демпфирование пеноалюминия и других высоко- пористых материалов изучено в широком интервале температур, амплитуд деформации, давлений [85J. Показано, что в амнлитудонеза- висимой области основной механизм рассеяния энергии - термоупругое демпфирование за счет поперечных тепловых потоков (уравнение (3.3а). В отличие от невспененного алюминия с выраженной пиковой частотой тепловых потоков, в пеноалюминии имеется набор различных структурных элементов (стенки ячеек переменной ширины, стыки, толщина самого образца и т.д.), способных проводить тепловые потоки. Как следствие, имеется широкое распределение пиковых частот, которое обеспечивает высокий уровень фоновых потерь в широком интервале частот колебаний. Аналогичный эффект имеет место и в других пеномагериалах с высоким коэффициентом линейного теплового расширения.

Амплитудная зависимость внутреннего трения пенометаллов сильнее, чем для металлов, образующих пены. Это обусловлено локальной пластической деформацией отдельных ячеек. При сопоставимых уровнях общей деформации образца демпфирование выше в образцах пенометаллов. Однако наряду с высокой повышенной демпфирующей способностью возникает проблема усталости неноматериалов, выражающаяся в росте демпфирования в результате распространения трещин, падении модуля упругости и, наконец, разрушении.

Возможно два варианта влияния усталостных процессов на эволюцию кривых АЗВТ высокопористых металлов (рис. 7.8). В первом случае кривая АЗВТ в целом смещается в сторону более высоких значений ВТ с увеличением числа колебаний из-за микропласгической деформации отдельных стенок ячеек (характерно для пеноалю- миния, пеноцинка). Во втором случае, характерном для спеченных порошковых сталей и титана (структура представлена на рис. 7.6, д, м), на кривой АЗВТ при достаточно низких амплитудах деформации образуется и растет пик ВТ из-за зарождения и распространения трещин в перемычках (см. рис. 7.8).

Две возможные тенденции изменения вида кривых АЗВТ при увеличении числа циклов нагружения (N)

Рис. 7.8. Две возможные тенденции изменения вида кривых АЗВТ при увеличении числа циклов нагружения (N): а - рост ВТ при всех амплитудах деформации; б - формирование «пика» при низких амплитудах

Модель Архипова с соавторами [86] для АЗВТ пористых материалов при распространении в них трещин основана на концепции Да- гдейла о микропластических зонах в вершине трещины [87]. При монотонном нагружении длина трещины определяется как

где L() - начальная длина трещины (при отсутствии нагрузки); os - амплитуда напряжения в каркасе; от - предел текучести нормальных напряжений; КС- вязкость разрушения.

При циклическом нагружении длина трещины (Lc) определяется но уравнению Пэриса: Lc = Ц1 - aNL), где А - число циклов; L - текущая

длина трещины при монотонном нагружении;

здесь <7j - предел текучести нормальных напряжений в пористом каркасе; К* - вязкость разрушения пористого каркаса.

Энергия микропластической деформации при учете влияния трещин складывается из двух составляющих: 1) энергии, возникающей при образовании или закрытии трещин; 2) энергии микропластической деформации, возникающей в зонах Дагдейла в кончике растущей трещины. При некотором критическом значении циклического напряжения механизм раскрытия-закрытия трещин заменяется на механизм роста трещин: этому значению соответствует максимум на кривой АЗВТ (рис. 7.9). Несмотря на рост демпфирования в ходе эксплуатации высокопористых материалов, их трудно отнести к перспективным конструкционным демпфирующим материалам из-за весьма ограниченного срока службы.

Изменение вида амплитудной зависимости ВТ

Рис. 7.9. Изменение вида амплитудной зависимости ВТ (логарифмический декремент) в высоконористой аустенитной порошковой стали 316L (пористость Р = 29 % (я) и 45 % (б)) в зависимости от числа циклов колебаний (N) и амплитуды колебаний (е(>) и микроструктура стали с пористостью 45 % (в)

  • [1] Michael F. Ashby (Cambridge, UK) - известный английский материаловед.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >