金属纤维多孔材料微结构形成与控制基础研究

金属纤维多孔材料广泛应用于过滤分离、吸声降噪、高效燃烧和强化换热等领域，是现代工业技术不可或缺的关键材料之一。由孔隙、结点和纤维骨架三要素构成的微结构是其结构功能一体化与多样化的基础，然而其孔结构均匀性、结点结合状态、骨架晶粒大小等形成与控制缺乏理论指导。本项目拟以微米级不锈钢纤维为研究对象，通过对金属纤维在流体中的分散、悬浮和沉降过程进行数值模拟计算，揭示弹柔性金属纤维在气流场中的输送沉降规律，实现金属纤维在气流场中的均匀合理分布，得到均匀孔结构的多孔坯体；深入研究金属纤维及多孔坯体的烧结行为，揭示烧结结点的形成机制和孔结构的演化规律，探讨烧结金属纤维骨架粗大竹节状晶粒的形成机理，以实现烧结结点、孔隙和纤维骨架的三位一体协同性控制。本项目的开展不仅对丰富多孔材料相关制备理论具有重要的学术价值和理论意义，而且对提高烧结金属纤维多孔材料性能具有显著的实际应用价值。

金属纤维多孔材料是一类重要的结构功能一体化材料，广泛应用于过滤分离、吸声降噪、高效燃烧和强化换热等领域。由孔隙、烧结结点和纤维骨架三要素构成的孔结构是其结构功能一体化与多样化的基础，然而孔隙均匀性、结点结合状态、骨架晶粒尺寸等形成与控制缺乏理论指导。.本项目以微米级金属纤维为研究对象，基于多球元模型和DEM方法模拟了纤维的堆积过程，揭示了杆状颗粒堆积结构的演变规律，建立了纤维毛毡微观结构表征参数的非线性方程。.系统研究了烧结过程中金属纤维微观形貌演化及结点形成机制，建立了金属纤维再结晶晶粒长大方程，澄清了烧结过程中纤维粗大竹节状晶粒的形成机制；建立了金属纤维烧结的简化几何模型，依此推导了表面扩散、晶界扩散、体积扩散等不同扩散机制下烧结结点形成与长大的动力学方程，构建了不锈钢纤维和铜纤维的烧结图；采用SR-CT技术、三维重构技术准确提取了烧结结点尺寸，揭示了烧结结点的形成与长大机制，即在正常的加热和冷却条件下，主要通过表面扩散机制来实现，采用快速升降温条件时主要通过位错扩散机制完成。.研究了孔结构与性能之间的关系，发现纤维多孔材料的拉伸强度、压缩强度、弹性模量与相对密度之间为线性关系，不同于金属泡沫材料广为认可的指数关系。梯度孔结构金属纤维多孔材料表现出优异的吸声性能，在中高频范围内的吸声系数保持在0.8以上。.发明了防止金属纤维多孔材料晶粒异常长大的烧结方法——快速升降温烧结技术，实现了结点、孔隙和纤维骨架的三位一体协同控制，制备出了高韧性高强度的金属纤维多孔材料。开发出了具有优异吸声性能的超薄梯度孔结构金属纤维多孔材料（2mm），并已在受限空间的吸声降噪中得到应用，该成果获得2015年中国有色金属工业科学技术一等奖。.本项目的开展不仅丰富了多孔材料的制备理论，制备出了高性能的金属纤维多孔材料，而且对扩大金属纤维多孔材料的应用领域具有重要的现实意义和长远发展的战略意义。