多孔材料具有超低重量，高比剛度，低導熱率和高衝擊能吸收率等特性。例如，多孔材料可以在幾乎恆定的載荷下吸收大量的衝擊能量，且應力-應變曲線表現較為平穩。但是由可延展金屬組成的孔壁在壓縮過程中會因彎曲變形而發生應變硬化從而降低了能量吸收性能。為了進一步提升多孔材料的吸能性能需要對壓縮過程中的應變硬化進行控制研究。
日本名古屋大學通過粉末反應燒結制備了具有不同Al3Ti相含量的多孔Al/Al3Ti/Ti複雜材料。研究了燒結溫度和時間對多孔結構，孔壁微觀結構和壓縮性能的影響。相關論文以題為“Microstructure and compressive properties of porous hybrid materials consisting of ductile Al/Ti and brittle Al3Ti phases fabricated by reaction sintering with space holder”於3月3日發表在MaterialsScience & Engineering A。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320300897
研究人員使用真空高溫燒結的方法制備多孔材料，Al與Ti的原子比例為3:1。研究發現隨著孔隙率的降低，應變硬化變得更加明顯。NaCl造孔劑的添加量對材料的孔隙率產生主要影響，不同的燒結溫度與時間對孔隙率無影響。Al3Ti相生成於α-Al和α-Ti相之間的界面處，通過Al，Al3Ti和Ti相之間的固-固反應生長。燒結溫度越高，Al3Ti相的生長越快，Al3Ti相的生長導致孔壁上出現部分孔和裂紋。隨Al3Ti相面積分數的增加，孔壁的孔隙率增加。
圖1 多孔混合材料的多孔結構
圖2 不同燒結溫度和時間下孔壁的微觀結構
多孔Al/Al3Ti/Ti材料在600℃燒結1800s時具有較大的應變，此時Al3Ti相的面積分數約為70%，材料的能量吸收能力和效率較高。多晶Al3Ti相在室溫下不會表現出塑性變形性，Al3Ti的脆性抑制了孔壁的應變硬化。所以為了提高多孔材料的能量吸收能力和效率，有效的措施是將脆性金屬間化合物用作基質，同時儘可能多的保留韌性相。
現階段大多數多孔材料呈現出鋸齒狀或不穩定的變形區域，流動應力低，從而導致能量吸收能力下降。本研究中脆性與韌性相混合的多孔材料由於脆性基體的變形性差而沒有表現出應變硬化，能夠阻止在韌性相處的裂紋擴展進而抑制流動應力的減小，所以金屬間化合物基質與韌性相的混合能夠有效提高多孔材料能量吸收能力和效率。
圖3 壓縮30%後多孔材料的微觀結構
圖4 脆性與韌性相混合的多孔材料形成示意圖
綜上所述，研究人員通過粉末反應燒結制備了具有不同脆性Al3Ti相分數的多孔Al/Al3Ti/Ti材料，得出最佳製備工藝為600℃燒結1800s，此時Al3Ti相面積分數為70%。在多孔Al/Al3Ti/Ti材料中，Al3Ti相基質通過脆性斷裂抑制了孔壁的應變硬化，而Al相能夠阻止裂紋擴展進而抑制了流動應力的下降。該研究獲得的脆性與韌性相混合的多孔材料相較於現有大部分多孔材料具有更高的衝擊吸收性能和吸能效率，有望作為吸能構件，擴展多孔材料的應用領域。（文：破風）
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