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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。孔隙率[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?、發(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(kāi)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??讖匠叽纭⒖紫堵实目煽匦阅?、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(kāi)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。
參考文獻(xiàn)
[1]劉培生.多孔材料引論(2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.
[2]李傳福,李艷芳.金屬多孔材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展[J].裝備制造技術(shù),2015(8):244-245.
[3]蘇淑蘭,饒秋華,賀躍輝,等.基于微極理論的新型FeAl多孔材料彈性模量研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,49(7):1643-1649.
[4]于麗麗,李愛(ài)群,解琳琳,等.泡沫鋁壓縮和吸能性能的影響因素分析[J].建筑技術(shù),2018,49(3)315-318.
[5]王展光,陳選,李書琴,等.球形孔泡沫鋁及其合金的拉伸性能[J].機(jī)械工程材料,2009,33(10):75-77.
[6]魏劍,桑國(guó)臣.金屬多孔材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用展望[J].熱加工工藝,2009,38(22):59-63.
作者:胡正龍 單位:中南林業(yè)科技大學(xué)