高强度烧结金属纤维多孔材料制备与力学性能研究

Saving energy and reducing emission is a difficult issue faced by almost all the countries in the world. The application of porous metal fiber sintered sheets in the fields of oil-gas filter, gas purification and lightweight of automobile serves as an effective means to solve the problem. However, in the extreme application environments of high temperature and high load, due to the limitation of its mechanical properties the material is damaged very quickly and thus reduce the application time. To tackle the problem, this project conducts the study in material fabrication technology and optimization of the mechanical properties, to be specific:.1..On the basis of maintaining the original cost, by combining the methodologies in material fabrication and optimization of mechanical properties, a new sintering method will be developed to use different metal fibers as resources The mechanical properties of the whole material will be significantly promoted to achieve the aims of prolonging time of use and reusing the material through regeneration..2..In conjunction with non-contactable full field optical deformation measurement system, the material is tested in abundant uni-axis and bi-axis load experiments to discover the evolution rules of micro-structure in different loads along with macro-deformation. This will help to illustrate the failure mechanism of the material, explore the quantitative relationship between macro mechanical properties and micro-structure, and establish a simple and reliable mechanical model. This research will provide reliable statistical support and solid theoretical basis for optimal design, preparation and application of the material in the major projects.

当前，节能减排是世界各国面临的重大难题，烧结金属纤维多孔材料在油气过滤、气体净化以及运输载具轻量化等领域具有广泛的应用前景,是解决这一问题的重要材料之一。但该材料在高温、高载荷等恶劣工况环境下服役时，容易发生破坏而降低其服役寿命。本项目拟开展高强度烧结金属纤维多孔材料制备工艺与力学性能的研究。具体内容包括：(1)在不增加成本的基础上，研制新一代的适用于各种金属纤维丝为原料的该材料的定容固相烧结制备方法，增加纤维丝之间节点的熔融比例，提升该材料的力学性能，从而达到延长服役寿命、实现可循环使用等目标。(2)基于非接触光学全场变形测量系统，通过对该材料进行单轴、多轴等复杂加载试验，揭示不同载荷下材料微结构随宏观变形的演化规律，阐明材料的破坏机理，获得其宏观力学性能和微观结构间的定量关系，建立其简单可靠的细观力学模型，为该材料在重大工程中的优化设计及应用奠定理论基础并提供技术支持。

烧结金属纤维多孔材料在油气过滤、气体净化等领域有着广泛的应用前景，是节能减排的关键材料。本项目针对该材料在高载荷的恶劣工况下，容易发生破坏失效的问题进行了系统性的研究并提出了解决方案。其主要内容包括：.基于中科院上海光源的同步辐射断层扫描设备，我们揭示了随机无序的烧结金属纤维多孔材料复杂的变形、破坏的机制，获得了该材料内部微观结构的几何特征参数。给材料制备、力学性能表征以及数值提供了有力的支撑。.首先，在材料制备方面，我们用定容增压烧结的制备方法（先压后烧）替代了传统的机械热压烧结法（先烧后压），克服了纤维丝加热软化后再受压发生不规则的弯曲变形的问题，使该材料力学性能大大提高。并且，采用先进的微波烧结代替传统的真空烧结工艺，解决了金属纤维内部晶粒粗大以及二次结晶的问题。单丝抗拉强度明显增强。.其次，通过调控铺毡工艺，实现纤维倾斜角可控，当面内方向倾斜角很小时，材料面内单轴加载的变形模式由国际公认的弯曲主导，转变成拉伸主导，大大提高材料面内力学性能。同时，构建了该材料微观结构的等效胞元模型，揭示不同载荷下材料微结构随宏观变形的演化规律，阐明材料的破坏机理，获得其宏观力学性能和微观结构间的定量关系，预测该材料力学性能与相对密度之间的关系。.最后，对于随机无序的纤维多孔材料，传统的数值模拟方法在生成纤维表面直接划分网格，由于网格单元规模过于庞大，使得数值模拟十分困难。而本项目采集三维重构的纤维中心线几何参数，导入有限元软件，并且采用梁单元进行计算，大大降低了计算规模，解决了这一难题。并且应用在防弹板纤维层吸能设计优化的应用方面取得良好的效果。.本项目基于先进的同步辐射断层扫描技术，建立起一个针对纤维类多孔以及复合材料的综合性的力学性能测试、模拟反馈评价系统。大大缩短了纤维类新材料、新结构的产品开发周期，为该类材料在重大工程中的优化设计及应用奠定坚实的理论基础和有力的技术支撑。