基于体积守恒的近似方法用于确定高孔隙率电沉积铜泡沫的致密化应变

《Materials & Design》：A volume-conservation?based approximate method for determining densification strain of high?porosity electrodeposited copper foam

　　

• 通过体积守恒，98%孔隙率铜泡沫的致密化应变等于其初始孔隙率。
• 传统方法对高孔隙率泡沫的致密化应变低估了30–50%。
• 扫描电子显微镜(SEM)和X射线计算机断层扫描(X-CT)确认在98%应变下完全孔隙闭合，无整体结构失效。
• 铜泡沫的能量吸收显著高于以往文献报道。
• 提出了一个基于物理的基准用于评估金属泡沫致密化应变。

论文解读文章

**研究背景与问题**
固体电池是下一代储能的关键技术，锂枝晶穿透和电极体积膨胀是工业化中需克服的两大挑战。作为三维集流体，电沉积铜泡沫凭借其多孔结构和优异力学缓冲能力，能有效抑制枝晶生长并缓解体积变化。在锂沉积/剥离过程中，锂金属阳极的体积膨胀会对铜泡沫集流体产生压缩变形，而致密化应变（densification strain, ε_D）定义了泡沫在孔隙坍塌和应力激增前可容纳的最大压缩量，其能量吸收能力则决定了泡沫消散体积变化相关机械能的效率。因此，精确表征压缩应力-应变曲线直至完全压实，是量化铜泡沫力学缓冲能力的前提。目前，评估金属泡沫致密化应变的主流方法有四种：经验法（基于相对密度）、切线法（基于应力-应变曲线切线交点）、能量法（基于能量吸收效率曲线峰值）和ISO 13314标准法（取50%应变或平台结束应变）。然而，这些方法在高孔隙率电沉积铜泡沫中的适用性尚未系统评估，且不同方法给出的ε_D值差异显著（如标准法给出约50%，而经验法给出约97%），缺乏统一共识。此外，现有研究普遍低估了铜泡沫的压缩性能和能量吸收潜力，这限制了其在电池缓冲设计中的应用。因此，研究人员开展了此项研究，旨在系统评估四种方法对高孔隙率（98%）电沉积铜泡沫的适用性，并基于实验观察提出更符合物理本质的评估方法。论文发表在《Materials》。

**关键技术方法**
研究人员采用商业采购的电沉积铜泡沫（孔隙率98%，孔径20 PPI，尺寸20 mm×20 mm×20 mm，来源：京东），通过室温准静态压缩试验（UTM-5105电子万能试验机，加载速率1–16 mm/min对应应变率8.33×10^?4 s^?1至1.37×10^?2 s^?1）获得应力-应变曲线。利用扫描电子显微镜（SEM-EDS，FEI公司，美国）和X射线计算机断层扫描（X-CT，YXLON-FF85 CT，德国）观察不同应变下的微观结构演化。此外，还进行了?40°C和100°C下的压缩测试以评估温度依赖性。

**研究结果**

**应变率敏感性**
铜泡沫在1–16 mm/min加载速率范围内表现出弱正应变率敏感性（应变率敏感系数m≈0.085），其平台应力从0.21 MPa（4 mm/min）到0.31 MPa（16 mm/min）变化不大。不同温度（?40°C、室温、100°C）下的应力-应变曲线形状相似，表明变形机制未根本改变。

**四种方法的致密化应变比较**
四种方法给出的ε_D值差异显著：经验法为97.2%，切线法为83%–83.6%，能量法为58.6%–60.1%，标准法-I为50%，标准法-II为49.2%–52.7%。加载速率变化对同一方法的结果影响很小。

**微观结构观察**
SEM图像显示，在50%–60%应变（对应能量法和标准法）时，铜泡沫仅发生支柱弯曲和孔隙压缩，支柱间接触但无裂纹；在80%–90%应变（对应切线法）时，个别支柱出现裂纹但无断裂；在98%应变时，支柱出现多处裂纹和局部断裂，但整体结构未发生失效。X-CT进一步确认，90%应变时支柱网络完整，仅存在孤立微裂纹；98%应变时出现多处裂纹和局部断裂，但无大规模坍塌。

**体积守恒近似方法**
基于质量守恒原理，研究人员提出致密化应变近似等于初始孔隙率（ε_D ≈ P₀），即98%。该方法的物理基础是：完全压实需要应变等于初始孔隙率，且泡沫在达到该应变时未发生整体失效。通过此方法，测得铜泡沫的致密化强度（σ_D）为49.30±4.20 MPa，能量吸收能力（W_v）为1.86±0.03 MJ/m³，显著高于文献报道值（如Chen等[44]的0.7 MJ/m³，Jalilzadeh等[45]的0.55 MJ/m³）。

**讨论与结论**
研究表明，传统方法（标准法、能量法、切线法）均不适用于高孔隙率电沉积铜泡沫的致密化应变评估，因为它们或对应变起始阶段（能量法捕捉致密化起始点），或对应中间应变（切线法给出无明确微观对应的人为值），而无法反映完全压实点。体积守恒方法则提供了物理根基的基准，其确定的致密化应变（98%）与实验观察（完全孔隙闭合）一致。该方法的适用性不依赖于温度（?40°C至100°C下ε_D均为≈98%），且可用于其他孔隙率水平（前提是泡沫能达理论应变而不整体断裂）。这纠正了以往研究对铜泡沫压缩性能和能量吸收潜力的低估，为铜泡沫在锂金属固态电池集流体中缓解体积膨胀、维持结构稳定性提供了更可靠的力学保障。

**研究结论翻译**
(1) 铜泡沫在1–16 mm/min加载速率范围内表现出弱正应变率敏感性，但四种方法得到的致密化应变值差异显著：97.2%（经验法）、82.9%–83.6%（切线法）、58.6%–60.1%（能量法）和49.2%–52.7%（标准法）。
(2) 结合SEM和X–CT观察，标准法和能量法对应的应变下仅发生弯曲和早期支柱接触；切线法对应应变下出现局部微裂纹但支柱完整；98%应变下出现多处裂纹和局部断裂而无整体失效。
(3) 基于体积守恒原理，提出以初始孔隙率作为致密化应变的近似方法。采用此法测得铜泡沫的致密化强度和能量吸收能力分别为49.30±4.20 MPa和1.86±0.03 MJ/m³，显著高于文献值。
(4) 结果表明，以往研究普遍低估了高孔隙率铜泡沫的塑性和能量吸收潜力。所提出的基于体积守恒的近似方法为评估金属泡沫致密化应变提供了物理根基的基准。
(5) 此外，强调体积守恒方法确定致密化完成点（完全孔隙闭合），而能量方法确定致密化起始点（应力开始上升），两者均有物理意义且服务于不同工程目的。对于电池缓冲容量设计，完成应变是合适的参数。