新型金属间化合物多孔材料弹性性能及变形机制研究

Due to its internal atoms bond together covalently and metal binding, intermetallic porous material combines advantages over the ceramics and metals, and becomes an excellent functional material and a high-temperature high-strength lightweight structural material, which has potential applications on aspects of filtration, welding, purification and biological materials, therefore it is important study on its mechanical properties that rarely has been reported previously at home and abroad currently. The project intends to establish the theoretical model of intermetallic porous material and obtain the theoretical formula of macroscopic elastic constants by macroscopic-mesoscopic analysis, furthermore, the correctness of the formula are verified through mechanical tests and its deformation mechanisms and microscopic fracture mechanism are explored. Meanwhile, the random model is constructed by self-made calculation program, then uniaxial tensile is developed to analyze the mechanical properties though the secondary development platform of the FEA and the influence law of porosity and pore structure on macroscopic elastic properties is revealed, which provide important theoretical basis on development and application of this new intermetallic porous materials.

金属间化合物多孔材料由于其原子内部以共价键和金属键共同结合，故兼有陶瓷和金属的共同优点，是一种优异的功能材料和轻质高温高强结构材料，在过滤、焊接、净化和生物材料等方面均有广阔的应用前景，因此对其力学性能研究具有重要意义，目前国内外的相关研究鲜有报道。本项目拟通过建立一个金属间化合物多孔材料孔隙结构的理论分析模型，利用宏细观分析给出其宏观弹性常数的理论计算公式，且通过实验验证该公式的正确性，并探讨其变形机制和微观断裂机理。同时自编计算程序构建随机孔隙模型，利用有限元二次开发平台模拟单轴拉伸实验开展力学性能分析，揭示多孔材料的孔隙率和孔隙结构特征对其宏观弹性性能的影响规律，为这一类新型金属间化合物多孔材料的研发与应用提供重要的理论依据。

金属间化合物多孔材料由于其原子内部以共价键和金属键共同结合，故兼有陶瓷和金属的共同优点，是一种优异的功能材料和轻质高温高强结构材料，在过滤、焊接、净化和生物材料等方面均有广阔的应用前景，因此对其力学性能研究具有重要意义。. 本项目主要针对金属间化合物多孔材料的力学性能展开研究，考虑到本课题制备的金属间化合物多孔材料具有较为宽广的孔隙率范围，我们对不同的孔隙率范围建立了不同的理论分析模型，在高孔隙率范围采用八面体结构模型、在低孔隙率范围采用六边形结构模型，利用宏细观力学分析给出了其宏观弹性常数的理论计算公式，探讨了其宏观力学性能与孔隙率、孔隙结构参数、致密材料性能之间的关系，结果表明：多孔材料的有效弹性模量和有效剪切弹性模量随孔隙率的增加而减小，而有效泊松比增大，且孔棱横截面形状和弯曲剪力对有效弹性常数的影响也随之增大，当孔隙率较大时必须考虑剪力的影响；同时本项目对FeAl多孔材料进行单轴拉伸和压缩试验，研究了其单轴拉伸、压缩的应力-应变曲线特征以及孔隙率对其力学性能的影响规律，通过扫描电镜实验揭示其变形机制和微观断裂机理，单轴拉伸和压缩试验结果表明：不同孔隙率下FeAl多孔材料的弹性模量、强度极限和延伸率均随孔隙率的增大而减小，坏前无颈缩现象，其断口特征宏观上表现为脆性断裂，微观上为微观沿晶断裂，且所得试验结果验证了其宏观弹性常数理论计算公式的正确性；此外，基于实际孔隙微观结构的高度复杂性和非均匀性，我们自编程序构建孔隙非周期性分布的有限元随机孔隙模型，通过ANSYS有限元软件的二次开发平台计算多孔材料的等效弹性模量，探讨其孔隙率和孔隙结构特征对其宏观弹性性能的影响规律。本项目研究结果为这一类新型金属间化合物多孔材料的研发与应用提供了重要的理论依据。