[发明专利]具有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法

说明书

本发明公开了具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料熔模铸造制备方法，开孔泡沫铝材料的内部元胞结构的元胞壁均呈内凹状，从而具备负泊松比特性。具有负泊松比特性的开孔泡沫铝在受到外界载荷时材料会自动集中于加载处，能够充分利用材料的力学特性，与正泊松比的普通泡沫铝相比能够更有效地抵抗变形并吸收能量。该开孔泡沫铝的制备方法如下：先通过熔模铸造法制成普通的开孔泡沫铝材料，然后在铝熔点之下的温度下经过三轴压缩从而制成具有负泊松比特性的开孔泡沫铝材料。具有负泊松比特性的开孔泡沫铝还可直接通过熔模铸造法并应用负泊松比聚氨酯泡沫制成的模具来制备。

技术领域

本发明涉及一种泡沫铝材料及其制备方法，尤其涉及一种具有负泊松比特性 的开孔泡沫铝材料及其制备方法。

背景技术

负泊松比材料又称为拉胀材料(Auxetic)，是一类泊松比为负数的特殊材料， 当材料发生拉伸变形时，垂直于载荷的方向会发生侧向膨胀；而当材料发生压缩 变形时，垂直于载荷的方向会发生侧向收缩。由于负泊松比材料具有独特的负泊 松比特性和材料集中效应，使其在剪切模量、抗断裂韧性、压痕阻力以及能量吸 收和抗冲击性能方面都比相同组成、相同密度的正泊松比材料更加优异。目前用 于防护结构的负泊松比材料主要为负泊松比微结构材料，大多数细观结构呈内凹 状，尽管其具有很强的抗冲击性能，但是其加工方法的复杂性以及高昂的成本限 制了其进一步应用的可能性。

另一方面，泡沫铝是一种以铝或铝合金为骨架、含大量胞孔的三维多孔金属 材料，具有低密度、高比刚度、缓冲抗震、耐腐蚀以及独特的表面效应等优点， 而且其多孔结构和金属特性让泡沫铝在能量吸收、吸音隔音和电磁屏蔽等方面具 有优异的性能，使其在汽车、航空、建筑等方面得到了广泛的应用。泡沫铝按照 胞孔单元是否相互连通可分为开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝两大类，由于开孔泡沫铝 连通的孔隙结构，使其在吸声方面得到广泛使用，闭孔泡沫铝由于孔隙是相互独 立性的，通常用于隔音，此外闭孔泡沫铝的比刚度、比强度相比于开孔泡沫铝更 高，缓冲吸能特性也更强。闭孔泡沫铝主要是通过熔体发泡法、注气发泡法以及 粉末冶金法等方法进行制备，在产生气泡时要确保气泡相对稳定并且不溢出，开 孔泡沫铝则主要是通过渗流铸造法和熔模铸造发进行制备。对于泡沫铝材料，相 对密度是其一个重要的结构特征参数，它对泡沫铝材料的力学性能(如杨氏模量、 屈服强度等)有较大影响。相对密度越大，其强度越高。

泡沫铝的泊松比为正值，若能通过一定的制备方法使其负泊松比变为负值， 则独特的负泊松比特性能使其受到冲击载荷作用时，材料会从四周自动集中于加 载处，提高了局部的相对密度，从而进一步提高局部强度，使材料能够通过吸收 更多的能量。此外具有负泊松比特性的开孔泡沫铝的刚度也会随着冲击载荷的增 加而非线性的提高，能够承受更大的载荷，因此具有巨大的科学和工程意义。

当泡沫铝材料作为一种缓冲吸能部件或材料使用时，本发明所涉及到具有负 泊松比特性的开孔泡沫铝是通过传统正泊松比开孔泡沫铝制备而成，其内部元胞 壁呈现内凹状，所以可以实现单位长度材料微观结构中更小的孔隙空间，这不仅 可以提高泡沫铝材料的总体相对密度，而且当传统的泡沫铝材料作为一种缓冲吸 能的填充材料被填充到其他构件中时，由于泡沫铝的孔隙空间较大，当受到压缩 时即使到达致密区(材料被压实)的横向膨胀较小，使泡沫铝与构件之间存在较大 空白间隙，减弱了构件缓冲吸能的能力，而具有负泊松比特性的开孔泡沫铝正好 相反，较小的孔隙空间，当其被压缩到致密区时，可以产生较大的横向膨胀，大 大减小了泡沫铝与构件之间的空白间隙，提高了构件缓冲吸能的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种具 有负泊松比特性开孔泡沫铝材料的熔模铸造制备方法，通过其在变形过程中呈现 的负泊松比效应，从而产生材料集中的特性，能够极大的提高其强度、吸能等力 学性能等。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：