开孔泡沫金属传热和流动特性

近年来开孔泡沫金属运用于散热设备逐渐成为研究的热点。由于开孔泡沫金属结构复杂无序,数值模拟时大都将其结构进行化简,目前已有种类繁多的简化模型,然而适用于其传热与流动特性模拟研究的简化模型尚不明确;另外,适用于散热领域的泡沫金属结构参数有待详细研究。为此,建立开孔泡沫金属的5种简化三维模型,并进行传热和流动特性的对比研究,认为Gibson-Ashby模型更能准确描述实际开孔泡沫金属的传热和流动性能。在此基础上,采用Gibson-Ashby模型对开孔泡沫金属的关键结构参数进行传热和流动综合性能分析,发现孔隙率90%、孔密度30PPI开孔泡沫金属翅片的综合性能j/f^(1/3)(j为换热因子,f为阻力因子)最优;将孔隙率90%、孔密度30PPI开孔泡沫金属翅片与平直翅片进行对比,发现开孔泡沫金属翅片换热效果是平直翅片的2倍以上,综合性能也优于平直翅片。所得研究成果可为开孔泡沫金属在换热领域的应用和设计提供参考。

稳定“海岛”结构诱导高强度PS/PPO开孔泡沫制备与性能研究

采用熔融共混法制备了聚苯乙烯(PS)/聚苯醚(PPO)共混材料。通过控制加工温度,使得PPO以刚性粒子形式存在于共混物中,形成稳定“海岛”结构。以超临界CO_(2)为发泡剂进行了釜压发泡,得到了高开孔率的PS开孔泡沫。研究了PPO含量对PS流变性能、热力学行为的影响以及稳定“海岛”结构对形成PS开孔泡沫的影响,对所得PS/PPO泡沫制品的泡孔尺寸、发泡倍率、开孔率及泡沫压缩性能进行了分析。结果表明,当发泡温度为158℃、压力为20 MPa、PPO含量为10份(质量份,下同)时,可以制备得到发泡倍率为37.5倍、开孔率为96.9%的PS开孔泡沫。

开孔泡沫铝无规则入射的吸声性能研究

通过混响室对不同厚度的开孔泡沫铝在不同背腔深度下的吸声性能进行测试,获得了不同厚度的泡沫铝板在不同腔深下的吸声系数。研究表明在频率低于630 Hz时,不同厚度泡沫铝板的吸声系数随着背腔深度的增加逐渐提高。在630~5 000 Hz频率范围内,当泡沫铝材料的厚度大于4 mm,背腔深度大于40 mm时,不同厚度泡沫铝板的吸声系数均大于0.6。计算了不同厚度的开孔泡沫铝材料在不同背腔条件下的降噪系数,为泡沫铝材料的实际工程应用提供参数选择。

开孔泡沫金属动态力学性能及能量特性

泡沫金属材料在防护吸能领域有着重要的应用前景,深入研究泡沫金属及其相关结构的冲击力学性能十分必要。通过Φ50 mm的分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对开孔泡沫金属Fe、Ni、Fe-Ni合金(50 mm×10 mm)进行动态冲击试验。试验分析了应变和应变率对其力学性能及吸能特性的影响,通过对其峰值应力、波动应力、理想吸能效率等参数的对比分析多种冲击速度下不同泡沫金属材料的抗压强度与吸能性,为建筑、航天等工程的使用提供理论基础。研究结果表明:高冲击速度下峰值应力增大且Fe-Ni合金抗压强度最高,不同材料泡沫金属均存在波动应力且压密阶段时间各不相同。应变率介于600~1150时泡沫金属Ni吸能性最优,该区间外Fe-Ni合金更优。当应变率大于1000时,Fe-Ni合金理想吸能效率增幅较大,相较于700时提高了48%、为最优理想吸能材料。

3种基体材料开孔泡沫金属动力学特征研究

为研究不同基体材料开孔泡沫金属的动力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)及高速摄像系统开展试验,获得3种开孔泡沫金属试样的应力-应变曲线、应变特性、变形特征。研究结果表明:不同基体材料开孔泡沫金属的动力学特性差异显著,其应力-应变曲线的差异主要体现在弹性上升阶段,泡沫铜和泡沫镍具有明显的跃进现象,泡沫铝的曲线上升较平稳缓慢,且泡沫镍在跃进后出现峰后跌落现象;泡沫金属峰值应力的应变率效应显著,其动力学性能与材料本身缺陷情况、惯性效应、冲击热效应存在密切关联;当试样处于整体变形阶段,试样入射端或胞孔薄弱处存在加速变形区域,易形成应力集中现象,导致试样层面坍塌。研究结果可为泡沫金属防护材料的选取及工程设计提供理论参考。

PET开孔泡沫的制备及其吸油性能研究

研究了均苯四甲酸二酐(PMDA)添加量、发泡温度和压力降对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)开孔泡沫形成的影响。研究发现,当发泡温度为216℃,PMDA添加量为0.6份,压力降较高时,可以制备发泡倍率35倍、开孔率96.3%的PET开孔泡沫。将聚四氟乙烯(PTFE)和有机改性蒙脱土(MMT)引入PET开孔泡沫的制备,研究发现PTFE和MMT具有异相成核作用,减小了泡孔尺寸,拓宽了PET开孔发泡窗口温度,在(222~228℃)较宽的发泡温度窗口范围内成功制备了泡孔尺寸更小(10~100μm)、发泡倍率高达40倍的PET开孔泡沫。开孔泡沫可吸收汽油、柴油、煤油、轻质原油和重质原油等各种石油产品,本文对高开孔率开孔泡沫的吸油性能进行了研究,其吸收能力约为8~30 g/g。

超临界间歇发泡技术制备聚丁二酸丁二醇酯/海泡石开孔泡沫

采用共混改性的方法制备了聚丁二酸丁二醇酯/海泡石复合材料,通过能谱分析法和旋转流变仪研究了不同海泡石含量在聚丁二酸丁二醇酯(PBS)中的分散情况及其对PBS流变性能的影响。随着海泡石含量的增加,海泡石在PBS基体中越来越密集,但分散仍然均匀。当海泡石含量为10wt%时,复数黏度与储能模量提高了3倍左右。随后,我们利用超临界CO_(2)发泡技术对PBS/海泡石复合材料进行发泡,进一步探究海泡石(Sep)对泡孔结构及吸水、吸油量的影响。实验结果表明,在10wt%的PBS/海泡石开孔泡沫中,泡孔分布均匀,且吸水、吸油性能最佳。

渗流铸造法制备的开孔泡沫铝的声学性能

采用反重力渗流铸造法成功制备了开孔泡沫铝材料,对比研究反重力渗流铸造和传统真空渗流法制备的开孔泡沫铝的声学性能。结果表明:两种方法所制备的泡沫铝在高频段的吸声系数均高于低频段的,且在低频段的吸声系数差别不大;在高频段,反重力渗流铸造所得材料的吸声系数明显优于传统真空渗流法所制备材料的,原因是反重力渗流法使泡沫铝中相邻孔洞的连通空间减小;在反重力渗流铸造制备的开孔泡沫铝材料中,造孔粒子粒径与平均吸声系数成反比,孔隙率与平均吸声系数成正比,增大泡沫铝的厚度有利于提高其吸声性能。

开孔泡沫Fe-Ni的电磁屏蔽性能

利用专利技术制备了开孔泡沫Fe-Ni材料,并对其电磁屏蔽效能进行了研究。结果表明,在0.03～1500MHz的频率范围内,开孔泡沫Fe-Ni的屏蔽效能在60～85dB之间,屏蔽效能良好;而在0.03～400MHz范围内,其屏蔽效能与铝合金板的屏蔽效能相当。开孔泡沫Fe-Ni的电磁屏蔽效能主要受泡沫结构的影响,随着开孔孔径以及泡沫体孔隙率的减小其电磁屏蔽效能增加显著。而当材料的孔径以及厚度一定时,泡沫体孔隙率的变化对电磁屏蔽效能的影响较其他因素小。

开孔泡沫钛力学性质的温度相依性

用粉末烧结法制备了相对密度为0．2的开孔泡沫纯钛材料，并在室温20～600℃温度范围内，对其压缩性能进行了测试，并从理论上分析了其杨氏模量、弹性极限和屈服强度对温度的相依性。结果表明：该开孔泡沫材料在室温下表现出脆性泡沫材料变形断裂特征；在200℃以及更高温度下，该材料表现出塑性开孔泡沫材料变形特征，其应力-应变曲线分为3个阶段，即弹性阶段，平台阶段和压实阶段。开孔泡沫钛的杨氏模量、弹性极限和屈服强度随着温度的升高而减小，其对温度的相依性可分别表示为：E^＊=1．5217×10^9-5．988×10^5 T，σel^＊=85．7-0．095T，σys^＊=99．1-0．16T＋7．02×10^-5T^2。

用可溶石膏型预制块制备低密度开孔泡沫铝

研究了用可溶石膏型预制块制备低密度开孔泡沫铝的工艺及其压缩性能。采用聚氨酯网状海绵为母体材料制备可溶石膏型预制块,并分析了MgSO4和铝矾土的加入量对石膏型预制块可溶性和抗压强度的影响。采用预制块加压渗流的方法制备低密度开孔泡沫铝,研究了渗流工艺参数的控制方法,并对制备的泡沫铝进行了压缩试验,研究了其压缩力学行为,结果表明,所制备的低密度开孔泡沫铝压缩过程表现出3个明显的阶段,即弹性段、塑性坍塌段和密实段,而且应力-应变曲线在塑性坍塌段表现出明显的波动特征。

开孔泡沫铝的压缩与吸能性的研究

对渗流法制备的开孔结构泡沫铝进行准静态压缩实验 ,测试了其压缩应力 应变曲线 ,研究了开孔泡沫铝的准静态压缩力学行为及其吸能性。实验结果表明 :开孔泡沫铝的压缩过程具有明显的三阶段变形特征 ,即弹性段、塑性平台段和压实段 ,并且在塑性段呈现出明显的应变强化现象 ;随泡沫铝孔径的增加 ,屈服强度上升 。

利用随机模型计算低密度开孔泡沫材料的弹性模量

利用Voronoi随机几何模型来描述低密度开孔泡沫材料的内部微结构,并用有限元方法计算了低密度开孔泡沫材料的弹性模量。同时,讨论了泡沫材料相对密度和胞体支柱横截面形状对材料整体模量性质的影响。结果表明,相对密度小的开孔泡沫材料,其计算结果与经验公式吻合得很好。

开孔泡沫铝弹性性能的各向异性研究

采用理想排列的十四面体结构模型,从理论上和试验上对开孔泡沫铝的弹性常数随偏转角的变化过程进行了探讨。结果表明,这些弹性常数与偏转角的关系很复杂,试验结果验证了由理论分析得到的杨氏模量随偏转角的变化规律。这些弹性常数在45°方位到达极值,杨氏模量在该方位最小,而泊松比最大,弹性常数随偏转角的变化幅值随泡沫铝相对密度的增加而增大。

基于十四面体模型的开孔泡沫材料弹性模量的有限元分析

利用十四面体模型描述开孔泡沫材料的胞体结构,并用有限元方法确定开孔泡沫材料的弹性模量。计算中使用相同尺寸的十四面体胞体模型,并考虑两种不同支柱截面(圆截面和Plateau截面)形状对弹性模量计算的影响。此外,通过数值方法研究开孔泡沫材料的弹性模量随模型尺寸的变化规律。同时,讨论边界条件处理对开孔泡沫材料弹性模量计算的影响。结果表明,支柱为Plateau截面形状的模型,其弹性模量明显高于具有圆截面支柱模型的结果,且两种模型的弹性模量均随模型尺度的增加而增加,最终趋于一个稳定值,并与Warren和Kraynik的理论预测较为一致。此外,边界条件对模型刚度的影响随着模型尺度的增加而逐渐减小。

开孔泡沫铝的电磁屏蔽性能

采用加压渗流法制备不同特征参数的开孔泡沫铝，在50～1050MHz电磁波频率内研究了开孔泡沫铝的屏蔽特性，并探讨了泡沫铝的孔径和厚度对其电磁屏蔽性能的影响。结果表明：在50～1050MHz频率范围内，泡沫铝具有较好的电磁屏蔽性能，其屏蔽效能为25～75dB。在50～850MHz频率内，泡沫铝的孔径增大，其电磁屏蔽效能上升；但当频率在850～1050MHz之间时，孔径变化对泡沫铝屏蔽效能的影响可以忽略不计。在50～700MHz频率之间时，随着泡沫铝厚度的增加，其屏蔽效能增大，但当频率在700～1050MHz之间时，厚度对屏蔽效能的影响可以忽略。

开孔泡沫塑料率相关的拉伸力学性能及本构关系

以Ｌｅｄｅｒｍａｎ的工作为基础，通过假设基体材料服从Ｖｏｉｇｔ体描述的粘弹性本构关系，导出了开孔泡沫塑料受拉伸的率相关本构关系；在此基础上研究了泡沫塑料力学性质同应变、应变率和结构参数的关系．

低密度开孔泡沫材料力学模型的理论研究进展

开孔泡沫材料主要用于隔音、减振和填充方面,对其力学行为进行理论描述,探讨力学性能与密度及复杂微结构的关系具有十分重要的学术价值和工程意义.为了促进国内泡沫材料力学的发展和交流,文中对低密度开孔泡沫材料力学模型的研究历史进行了简要回顾,重点介绍了能较好地反映开孔泡沫材料真实胞体结构特点的十四面体胞体模型和随机胞体模型,并报道了近年来基于十四面体胞体模型和随机胞体模型研究低密度开孔泡沫材料力学行为的一些理论工作.同时,也对国内的一些相关研究情况进行了简要评述,指出了该领域今后的一些研究方向.

开孔泡沫金属散热性能实验研究

机载电子设备性能不断提高,芯片功耗不断增大,传统风冷换热效率急需提高。开孔泡沫金属是一种新型多孔、高面体比、低密度材料,在风冷强化换热方面具有应用前景。针对开孔泡沫金属散热样件及传统铝制优化肋片散热样件进行了对比实验测试,研究了开孔泡沫金属散热样件的散热性能。测试结果表明,95%10PPi泡沫铜散热性能优于传统铝制优化肋片结构。开孔泡沫金属的基材导热率对开孔泡沫金属散热效果影响明显,应选择基材导热率高的开孔泡沫金属。95%20PPi泡沫铜在低雷诺数范围内有较高的换热系数,压降在机载电子设备许用压降范围内。

相对密度对球体开孔泡沫铝压缩及吸能性能的影响

目的研究球体开孔泡沫铝的相对密度在准静态压缩过程中对球体开孔泡沫铝压缩性能和吸能性能的影响。方法对准备的3种不同相对密度的泡沫铝试样进行准静态压缩试验。结果利用相关软件绘制出不同相对密度球体开孔泡沫铝试样的实验曲线,由分析试验曲线可知,当泡沫铝的相对密度从0.35提升到0.392时,球体开孔泡沫铝的屈服强度虽增加了3.2MPa,但吸能效率的最大值下降了近2.4%。结论随着泡沫铝相对密度的提高,其压缩性能越高、抗压强度越高。在同等应变下,高密度泡沫铝比低密度泡沫铝的吸能性能好。泡沫铝相对密度越大,吸能效率的最大值越小,理想吸能效率的最大值也越小。