泡沫镍/树脂多孔复合材料的压缩强度和比强度

Compressive strength and specific strength of porous nickel foam/resin composite material

摘要

对泡沫镍（平均孔径约为2.7 mm，孔隙率为93.1%）孔棱进行环氧树脂覆层复合，获得孔棱呈复层结构的泡沫镍/树脂多孔复合材料。对所得复合样品进行压缩性能实验，重点分析复合体的机械强度。结果表明：复合样品的压缩强度和比强度均显著高于原泡沫镍。当泡沫镍（体密度ρ_r约0.6 g·cm^-3）施加覆层制成泡沫镍/树脂复合样品（体密度约0.72~0.82 g·cm^-3）后，其压缩强度从0.75 MPa提高到2.24~2.68 MPa，其对应比强度从1.23 MPa·cm³·g^－1提高到3.09~3.27 MPa·cm³·g^－1。复合样品的压缩强度与孔隙率符合基于八面体模型理论得出的对应数理关系。根据对应力学模型可知，复合样品整体失效由孔棱芯部优先破坏造成。

Abstract

The nickel foam （the average pore diameter is about 2.7 mm，and the porosity is 93.1%） is used for the epoxy resin to coat the pore-struts， and the porous nickel foam/epoxy resin composite is obtained with such pore-struts as a multi-layer structure. The compression performance experiments are conducted on the obtained composite samples， and the mechanical strength is emphatically analyzed. The results show that the compressive strength and the specific strength of the composite samples are both significantly higher than those of the original nickel foam， respectively. When the nickel foam （with a bulk density of about 0.6 g·cm^-3） is coated to make nickel foam/resin composite samples （with a bulk density of about 0.72-0.82 g·cm^-3）， the compressive strength increases from 0.75 MPa to 2.24-2.68 MPa， and the specific strength increases from 1.23 MPa·cm³·g^-1 to 3.09-3.27 MPa·cm³·g^-1. The relationship between compressive strength and porosity of composite samples conforms to the corresponding mathematical relationship based on the octahedral model theory. According to the relevant mechanical model， the overall failure of the composite samples is caused by the priority failure of the pore-strut core.

Graphical abstract

关键词

多孔材料 / 泡沫金属 / 多孔复合材料 / 泡沫金属复合材料 / 力学性能 / 压缩强度

Key words

porous material / metal foam / porous composite material / metal foam composite / mechanical property / compressive strength

在整个多孔材料的应用中，泡沫制品占据了主体地位，其中网状泡沫材料拥有较大的应用规模和更多的应用场合^［1-4］。网状泡沫材料的许多基本物理、力学性能都可通过其孔隙率参数来调控^［5-6］。文献［5］报道的多孔材料基本性能表征涵盖电阻率、拉压强度、伸长率、弹性模量、双向拉伸、多向拉压、疲劳、比表面积以及弯曲、扭转和剪切等，可较好地服务于实际产品的一般性应用设计。目前多孔材料规模较大的工业应用之一是将开孔网状泡沫金属用于各种场合的多孔电极等，而生物移植产品是此类泡沫金属结构的又一重要用途。另外泡沫金属在汽车工业的商用方面也有重大进展，如用于柴油机排放物的过滤和催化转化。开孔泡沫金属还可用于燃料电池，并可望随着燃料电池的商业化生产而得到大规模的应用。总之，网状结构的泡沫金属可广泛应用于航空航天、电子与通信、交通运输、医学、电化学、石油化工和生物工程等各个领域，涉及流体分离过滤、流体分布、消音降噪、吸能减震、电磁屏蔽、隔热阻火、热交换、催化反应、电化学过程和医学整形修复等诸多方面^［1］。力学性能与功能属性的有机结合，为泡沫金属的工程应用开创了广阔的前景。其制备方法主要有金属电沉积法、熔模铸造法以及一些改进的粉末冶金工艺。采用电沉积工艺制造的三维网状泡沫镍产品是生产规模最大的代表性高孔隙率泡沫金属，此外还有泡沫铝、泡沫铜和泡沫钛等。对多孔材料性能进行优化设计，可发挥材料的应用优势^［7-9］，例如将网状泡沫金属材料内部的孔棱施以覆层，可望进一步改善其使用性能^［10-12］。随着网状泡沫金属的应用不断拓展，其力学性能越来越难以满足其较高的要求。近年来科研人员在网状泡沫镍孔隙内注满聚合物而进行复合，主要目标是用泡沫金属对聚合物制品进行强化，结果发现其强度得到大幅度提高^［13-15］。本工作对孔棱复合形成的网状泡沫金属复合材料的力学性能进行探讨，考察其在压缩载荷作用下的机械强度及其表现出来的数理关系规律。以泡沫镍施加环氧树脂覆层，制备孔棱呈复层结构的多孔复合材料样品，对所得制品进行系列压缩实验，结合有关力学关系模型，探讨多孔复合材料在压缩条件下的承载强度，并对其比强度进行分析。

1 实验

1.1 实验材料

采用开孔网状泡沫镍与环氧树脂复合，制备具有开孔网状结构的泡沫镍/环氧树脂多孔复合材料。选用孔隙率为93.1%、平均孔径约为2.7 mm的泡沫镍作为复合材料中的金属基体，其形貌如图1所示。为便于后续实验操作，将金属体样品线切割为直径30 mm、高度10 mm的圆柱待用。

环氧树脂具有优良的物理和力学性能、良好的电绝缘性和黏结性等。因此，可制成复合材料、浇铸料、胶黏剂、模压材料和注射成型材料等^［16］。通过聚合物类型的筛选，发现环氧AB胶的调配、凝固直至最终形成树脂材料，都可进行较好操作。另外，环氧树脂与金属的结合性良好。

1.2 复合样品的制备

聚合物选用环氧树脂318AB胶（深圳劲华电子材料有限公司）。其中A胶成分为：双酚A型环氧树脂（40.0%~45.0%，质量分数，下同）、硅酸钙（35.0%~45.0%）、KH560（0.5%~1.0%）、二氧化硅（2.0%~5.0%）；B胶成分为：四氢邻苯二甲酸酐（8.0%~10.0%）、甲基四氢邻苯二甲酸酐（20.0%~25.0%）、氯乙基哌嚎（1.0%~2.0%）、硅酸钙（35.0%~45.0%）、碳酸钙（5.0%~10.0%）。

采用树脂胶状前体渗入网状泡沫金属后凝固的工艺方法，制备树脂复合泡沫金属材料。先将泡沫镍裁切成复合样品所需形状，然后依次用清水和酒精超声清洗，将其孔隙表面清洗干净并干燥保存；将预先清洗干净的泡沫镍放入复合体成型模具中，然后将调配好的环氧AB胶注入泡沫镍孔隙内，室温凝固后形成树脂复合泡沫金属材料。将复合材料制备成适于相应力学实验的样品，进行压缩实验。

将环氧AB胶的A组分和B组分以质量比3∶1充分混合，直至内部无气泡，再加入体积分数为10%的酒精充分混合（加入酒精可稀释环氧AB胶，并在制备复合体时防止环氧AB胶过于黏稠而堵塞泡沫镍的孔隙）。制备复合样品时，先将泡沫镍在环氧AB胶中浸泡3~5 s，然后取出用吹风机轻吹，直至所有的孔隙都不被堵塞。将挂浆后的样品静置12 h，即得挂浆1层的复合多孔材料。重复上述步骤，得到挂浆多层的复合多孔样品。实验发现，挂浆1层不够均匀，挂浆至5层则易发生堵孔。因此，选用挂浆2~4层的复合样品进行相关测试。用于力学测试的复合样品均为直径30 mm、高度10 mm的圆柱。图2为挂浆不同层所得复合多孔样品形貌。

1.3 本环氧树脂的性能指标

1.3.1 力学指标

将混合均匀的环氧AB胶注入成型模具中，室温凝固后加工成树脂样品所需尺寸。参照GB/T 1041－2009，将树脂样品制备成正交体，其中用于压缩强度测试的样品尺寸为10 mm×10 mm×4 mm，共计6件，结果取其平均值；用于弹性模量测试的样品尺寸为50 mm×10 mm×4 mm，共计5件，结果取其平均值。用WDW3020型电子万能试验机对树脂进行压缩实验，压缩速度1 mm/min，测力传感器压力为50 kN。检测得出树脂样品的屈服强度和弹性模量分别为79.49 MPa和4.825 GPa。

1.3.2 体密度

用于检测复合树脂体密度的样品尺寸为50 mm×10 mm×4 mm。将5件样品置于精度0.1 g的电子天平上，称得其质量m为12.5 g，采用阿基米德排水法测得样品的体积V为11.17 cm³，体密度通过式（1）获得。

ρ_r =\frac{m}{V}（1）

通过式（1）可知，ρ_r为1.12 g/cm³。

1.4 孔隙率测定

采用量体积测试方法对多孔制品的孔隙率θ进行测定^［17］。将洁净的多孔试样放入量杯中，倒入一定体积量V₀的工作液体（如水或酒精）。然后置于超声器中振动一定时间，以驱除试样孔隙中的气泡，使工作液体充分浸入试样孔隙。超声器水浴充入足量冷水，对测试系统进行充分冷却。为避免工作液体的挥发，对量杯开口进行密封。工作液体浸灌过程结束后，读出载样量杯液面刻度对应的体积V。取出试样烘干，测算其表观体积V₁，由V和V₁之差（V-V₁）得出试样孔隙中浸入的工作液体体积，即试样的孔隙体积V₂，孔隙率θ如式（2）所示。

θ=\frac{V_{\mathrm{2}}}{V_{\mathrm{1}}}×100%（2）

可知，孔隙率约93.1%的泡沫镍金属体挂浆2~4层后，所得复合样品孔隙率分别为83.2%，77.7%和74.9%。

1.5 压缩实验

用于压缩实验的多孔复合材料样品尺寸为Φ30 mm×10 mm。采用WDW3020型电子万能试验机进行压缩实验，压缩速度为2 mm/min，测力传感器额定值为20 kN。选用孔隙率分别为83.2%，77.7%和74.9%的复合样品，每一孔隙率水平测试4个样品，压缩强度测试结果列于表1。

图3为不同样品的载荷-位移曲线。可以看出曲线形状相似，均具有一般多孔材料的压缩特征，即曲线分为初期弹性阶段、中间屈服平台阶段和最后致密化阶段3个区域^［18］。发现屈服平台前端呈现一个极大值点，屈服平台阶段有一个极小值点。根据多孔材料在压缩过程中逐层坍塌失效的规律^［18］，分析这两个极值点的原因，可能是由于样品中央层较薄所致。全面考虑这些因素，可取对应的极大值和极小值的平均值来表征样品的压缩强度（表1）。结果显示，复合样品压缩强度在2.24~2.68 MPa之间，约为泡沫镍压缩强度（0.75 MPa）的3倍。

2 结果与分析

2.1 压缩强度

2.1.1 模型及数理关系

本工作研究孔棱呈复层结构的网状多孔复合材料，孔棱的构成是由一种材质组成的外层（即壳部）包裹住另一种材质组成的内芯（即芯部）。当孔棱芯部产生的最大正应力达到芯部材质的许用正应力［σ₁］时，施加于复合多孔体的外加载荷所致名义应力（σ）即对应于孔棱芯部控制的复合多孔体压缩强度；当孔棱壳部产生的最大正应力达到壳部材质的许用正应力［σ₂］时，σ即对应于孔棱壳部控制的复合多孔体压缩强度。由此运用多孔材料八面体模型理论^［5］，得到复合多孔体在不同情形下的压缩强度^［19］。

（1） 由孔棱芯部优先破坏而造成复合多孔材料整体失效时，

\sigma \approx K_{\mathrm{1}}\left\{\left[\left(\mathrm{1}-\frac{E_{\mathrm{2}}}{E_{\mathrm{1}}}\right){\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{2}}+\right.\right.

\left.\left.\left.\frac{E_{\mathrm{2}}}{E_{\mathrm{1}}}{\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{2}}\right]/{\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{1}/\mathrm{2}}\right]\right\}[{\sigma }_{\mathrm{1}}]（3）

（2） 由孔棱壳部优先破坏而造成复合多孔材料整体失效时，

\sigma \approx K_{\mathrm{2}}\left\{\left[\left(\frac{E_{\mathrm{1}}}{E_{\mathrm{2}}}-\mathrm{1}\right){\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{2}}+\right.\right.

\left.\left.\left.{\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{2}}\right]/{\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{1}/\mathrm{2}}\right]\right\}[{\sigma }_{\mathrm{2}}]（4）

式中：K₁和K₂分别为孔棱芯部和壳部的材料常数；E₁和E₂分别为孔棱芯部和壳部的杨氏模量；θ₁和θ₂分别为复合前后多孔材料的孔隙率。

2.1.2 数据计算和分析

由参考文献［20］将金属镍的0.2%残余变形屈服强度59 MPa取用为许用正应力［σ₁］，将金属镍的拉压弹性模量207 GPa取用为E₁。另，根据1.3.1部分的测试结果，可在式（3），（4）中取［σ₂］=79.49 MPa、E₂=4.825 GPa。由此，获得多孔复合材料的力学关系：

（1） 由孔棱芯部优先破坏造成整体失效而对应的复合多孔体压缩强度，如式（5）所示。

\sigma \approx K_{\mathrm{1}}\left\{\left[\left(\mathrm{1}-\frac{\mathrm{4825}}{\mathrm{207000}}\right){\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{2}}+\right.\right.

\left.\left.\frac{\mathrm{4825}}{\mathrm{207000}}{\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{2}}\right]/{\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{1}/\mathrm{2}}\right\}\mathrm{59}（5）

（2） 由孔棱壳部优先破坏造成整体失效而对应的复合多孔体压缩强度，如式（6）所示。

\sigma \approx K_{\mathrm{2}}\left\{\left[\left(\frac{\mathrm{207000}}{\mathrm{4825}}-\mathrm{1}\right){\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{1}}\right)}^{\mathrm{2}}+\right.\right.

\left.\left.\left.{\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{2}}\right]/{\left(\mathrm{1}-{\theta }_{\mathrm{2}}\right)}^{\mathrm{1}/\mathrm{2}}\right]\right\}\mathrm{79.49}（6）

将表1中测得的样品孔隙率和压缩强度值依次代入式（5）和式（6），得出孔隙率分别为83.2%，77.7%和74.9%样品的K₁分别为1.881，1.827和1.949，K₂分别为0.05079，0.05683和0.06432。可见，随孔隙率的提高，K₂明显增大，K₁则相对稳定，表明多孔复合材料的整体失效由孔棱芯部优先破坏而造成。将K₁（1.881，1.827和1.949）的平均值代入式（5），得出对应于孔隙率分别为83.2%，77.7%和74.9%的样品压缩强度为2.248，2.461 MPa和2.592 MPa，计算结果列于表2。

从表2可以看出，压缩强度计算值与测量值的偏差呈偏正和偏负波动，属于正常测量偏差状态，偏差幅度在-13.6%~16.6%之间，偏差绝对值平均为7.2%左右，说明本模型关系的应用有效。

2.2 比强度

不同孔隙率下复合多孔样品的表观体密度ρ_a为：

ρ_a=（1-θ₁）ρ_m+（θ₁-θ₂）ρ_r （7）

式中：ρ_m为金属镍的体密度，取8.90 g·cm^{-3 ［20］}。当泡沫镍金属体未挂浆时，θ₂=θ₁，可见式（7）同样适于泡沫镍金属体本身的表观体密度计算。

利用式（7）计算出对应于孔隙率分别为83.2%，77.7%，74.9%的复合多孔样品的表观体密度为0.72，0.79，0.82 g·cm^-3，进而得出其对应比强度Г，如式（8）所示。

Г=\frac{\sigma }{{\rho }_{\mathrm{a}}}（8）

压缩强度测试结果和比强度计算结果一同列于表3，其中压缩强度为每一孔隙率下4个样品的平均值。

可见，与泡沫镍金属体的比强度相比，复合多孔样品的比强度显著提高。不同孔隙率下复合样品的比强度相差不大，且都在泡沫镍金属体的2.5倍以上。因此，在复合强度提高方面，挂浆2层即可达到较好效果，挂浆3~4层，对复合强度的提高效果不大。从工艺成本和复合强度两方面考虑，推选挂浆2层。

3 结论

（1）以开孔结构的网状泡沫镍为基础，对其孔棱施加环氧树脂覆层，制备孔棱呈复层结构的泡沫金属复合样品。压缩实验发现其压缩强度测试值与孔隙率参量两者可较好地符合八面体模型理论对应得出的数理关系。泡沫金属复合样品的整体失效由孔棱芯部优先破坏造成，其表观压缩强度与理论结果具有良好的一致性。

（2）采用聚合物胶状前体渗入网状泡沫金属后凝固的工艺方法，得到网状环氧树脂复合泡沫镍材料制品。泡沫镍基体的平均孔径约为2.7 mm，孔隙率为93.1%（对应体密度约0.6 g·cm^-3），适合于树脂胶状前体的挂浆和浆料的渗入。孔棱复合后明显改善原泡沫金属材料的力学性能，复合样品体密度增加到0.72~0.82 g·cm^-3，压缩强度从0.75 MPa提高到2.24~2.68 MPa，对应比强度从1.23 MPa·cm³·g^-1提高到3.09~3.27 MPa·cm³·g^-1。

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