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中国力学学会学术大会2009 (CCTAM2009 )
低密度泡沫材料的各向异性力学模型研究1)
2)
卢子兴 ,黄纪翔
(北京航空航天大学固体力学所,北京100191)
摘要:泡沫材料胞体结构的各向异性导致了材料性能的各向异性。然而,研究泡沫材料力学各向异性问题的主要困
难是基本胞体结构参数的测量和取向分布的描述。随着扫描电镜和 CT 扫描技术的发展,使人们对泡沫材料微、细观
结构的认识和描述更清晰、更准确,据此所建立的力学模型也更能反映泡沫材料的细观结构和力学行为。因此,近
些年泡沫材料力学各向异性问题重新受到研究者的重视。本文将针对低密度泡沫材料的各向异性力学模型研究进行
简要综述,并介绍作者在这一方面的部分研究成果,以便进一步促进该问题的研究和在国内的发展。
关键词:泡沫材料,各向异性,力学模型
引 言
作为一种应用广泛的材料,泡沫材料的力学性能一直是人们倍受关注的研究重点。与传统材料
相比,泡沫材料能将多种性能,例如,低密度、高刚度、高吸能性、低热导率、低磁导率、良好的
阻尼性和抗化学腐蚀性等结合在一起。然而,决定泡沫材料性能的最重要因素是其相对密度。对于
低密度泡沫材料(相对密度一般小于 0.1 )而言,其力学性能主要依赖于胞体的形状,而与胞体的尺
寸没有太大的关系。大多数聚合物泡沫材料均由液态聚合物发泡工艺制备,当这个过程在模具内进
行时,体积膨胀引起泡沫材料泡体沿某一个方向长大,由于粘性力的作用,胞体一般沿长大方向被
拉长;而由喷射方法制备的泡沫材料的泡体通常也在喷射方向被拉长。泡沫材料胞体结构的各向异
性导致了泡沫材料性能的各向异性,如形状各向异性比为 1.2 的聚合物泡沫材料足以使其在拉长方
向的刚度几乎为另外两个方向的 2 倍[1] 。另外,构成泡沫的基体材料自身的各向异性也能导致泡沫
材料的宏观各向异性,但这并不是最主要的因素。对于各向异性问题的理论处理,Cowin在 1985 年
发展了一个理论框架,即根据描述多孔或胞状微结构几何排列的二阶张量来描述其结构上的各向异
性,但由于胞体形状的复杂性和不规则性,这种方法可操作性较差[1] 。研究泡沫材料力学各向异性
问题的主要困难是基本胞体结构参数的测量和取向分布的描述。随着微、细观测试技术的进步,如
扫描电镜和CT扫描技术等,基本胞体结构参数的测量已成为比较容易实现的工作,人们对泡沫材料
微、细观结构的认识和描述也更清晰、更准确。比如,Perror等[2]通过CT技术,统计了不同密度下的
开孔铝泡沫的胞体各向异性比,发现它们分布在 1.26~1.56 之间。Gong和Kyriakides等[3, 4]实验观察得
到了一系列聚氨酯泡沫的微结构几何信息,发现它们的胞体各向异性比一般在 1.2~1.5 之间。图 1
给出的是CT扫描得到的各向异性泡沫材料的图像[4] 。随着对泡沫材料的微观结构认识的深入,所建
立的力学模型也更能反映泡沫材料的细观结构和力学行为。由于过去的研究工作多数集中在讨论泡
沫材料的各向同性性质方面[1],对其各向异性性质的研究还十分有限[5-7],所以近些年泡沫材料力学
各向异性问题的研究又重新受到学者们的重视,发表了一系列相关文献。为促进该问题在国内的研
1) 国家自然科学基金和北京市教育委员会共建项目建设计划(XK100060522 )资助
2) E-mail: luzixing@buaa.edu.cn
中国力学学会学术大会2009 (CCTAM2009 )
究和发展,本文将针对低密度泡沫材料的各向异性力学模型研究进行简要综述。
1 各向异性立方支柱模型
[8]
对泡沫材料的力学研究始于Gent和Thomas 的开创性工作 。他们最早提出了用弹性支柱网络模
型和立方支柱模型来预测泡沫材料的弹性模量,并模拟了泡沫材料的压缩应力-应变关系。对各向同
性开孔泡沫塑料, 他们给出的拉伸杨氏模量公式为
1 D 2
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