原位合成碳纳米管增强泡沫铝基复合材料及其压缩吸能与阻尼性能的研究

发布时间：2020-11-15 17:16

　　 泡沫铝(Aluminum foam)因具有优异的能量吸收、热学、电磁学、声学和阻尼等性能,已广泛应用在建筑、轨道交通和航空航天领域。然而,泡沫铝在单独作为结构材料服役时,机械强度相对较低,严重制约了其应用范围,因此通过复合化提高泡沫铝的综合性能是极具前景的研究方向。碳纳米管(CNTs)具有优异的力学、物理和化学性能而被认为是泡沫铝基复合材料(AMCFs)理想的增强体。但CNTs在金属基体中极易团聚,严重阻碍了高性能CNT/Al复合泡沫的发展。同时,针对CNTs增强AMCFs的研究目前仅局限在室温准静态压缩,有关CNT/Al复合泡沫在高温、高应变率载荷下的压缩性能及其阻尼性能的研究还处于空白。针对以上问题,本文以实验研究为主,采用原位化学气相沉积(CVD)、短时球磨和填加造孔剂的工艺制备了均匀分散CNTs增强的AMCFs。重点研究了球磨工艺、测试温度和加载应变率对CNT/Al复合泡沫材料的压缩吸能性能的影响规律;同时也研究了复合泡沫铝自身孔结构、CNTs含量和测试条件对其阻尼性能的影响。研究内容和结果如下:对原位合成的复合粉末,研究了球磨工艺对AMCFs微观结构、孔壁硬度及室温条件下压缩与吸能性能的影响。结果表明:随着球磨时间的延长,CNTs的分散性提高并逐步嵌入铝基体中,使复合泡沫铝的组织均匀性得到改善。相对于未球磨的含3.0%CNTs的复合泡沫材料,当球磨时间增加至90 min时,复合泡沫铝的硬度、屈服强度和吸能能力分别提高了67%、126%和343%。继续延长球磨时间至120 min时,铝粉发生严重的冷焊并团聚成平均粒径为800μm的大颗粒,导致复合泡沫铝孔壁致密性降低,强度大幅度下降。因此,本实验中的最佳球磨时间为90 min。研究了高温条件下CNT/Al复合泡沫的压缩与吸能性能,探讨了CNTs含量对高温性能和变形模式的影响。结果表明:CNTs显著提高了泡沫铝的高温压缩强度和吸能能力,并且随着CNTs含量的增加而增加。在150 ~oC时,3%CNT/Al复合泡沫的屈服强度和吸能能力分别达到了16.8 MPa和19.8 MJ/m~3,分别为泡沫铝基体的2.9倍和3.5倍。同时,温度的升高使复合泡沫铝的变形模式从兼有塑性和脆性的模式转变为塑性变形模式。利用分离式霍普金森压杆和数字图像相关摄影技术研究了高应变率载荷条件下复合泡沫铝的压缩性能和变形行为。结果表明:复合泡沫铝的压缩强度随着CNTs含量的增加而增加,并随着应变率的增加而升高,显示出明显的应变敏感性。当应变率为800 s~(-1)时,3%CNT/Al复合泡沫的峰值应力为45.9 MPa,而当应变率为2130 s~(-1)时,峰值应力达到52.5 MPa,是相同条件下纯泡沫铝基体的1.9倍。有关泡沫铝的变形行为,在准静态条件下,纯泡沫铝首先形成局部变形带,然后以多层变形带坍塌的形式失效。与纯泡沫铝的变形失效行为显著受应变率影响不同,CNT/Al复合泡沫的失效模式对应变率不敏感,在准静态和高应变率条件下均表现为剪切失效。利用动态机械热分析仪研究了CNT/Al复合泡沫在不同温度、振动频率和振幅条件下的阻尼性能和阻尼机制。结果表明:复合泡沫铝的阻尼值随着孔隙率和CNTs含量的增加而增加,随着振动频率的减小和振幅的增加而增加。并且,泡沫铝的阻尼值与温度相关,在25~200 ~oC范围内,阻尼值几乎保持不变,当温度高于200 ~oC时,阻尼值随温度的升高而增加,3%CNT/Al复合泡沫的阻尼值在390 ~oC时达到0.36。复合泡沫铝的阻尼机制主要包括位错阻尼、孔隙阻尼、晶界阻尼、CNTs的本征阻尼和CNT-Al界面阻尼。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

图 1-1 泡沫铝孔结构 （a）开孔型（b）闭孔型Fig. 1-1 Pore structure of Al foam (a) open-cell type (b) closed-cell type材料的结构决定性能，而性能又决定了应用。对于开孔泡沫铝，由于孔构相互贯穿，空气介质所占比例较大，因此常被作为吸声材料应用于道路、梁和室内声屏障，也可制备成相变散热器和燃气防爆过滤器，发挥其散热性能而且，开孔泡沫铝的高频电磁屏蔽性能优异，能使电磁干扰降低 80%以上，以也通常作为电磁屏蔽材料应用于机房、核磁共振室等地方[13]。另一方面，于闭孔泡沫铝的气孔相互独立，在相同条件下，其强度高于开孔泡沫铝，因可作为结构材料应用于舰艇甲板、坦克舱门、汽车顶盖板、飞机起落架等，分发挥其缓冲吸能的作用。同时，闭孔泡沫铝隔热性能优异，因此也常被制人工智能水杯壁以及飞机排气口的热防护装置。而作为一种高能量耗散的多材料，无论是开孔泡沫铝还是闭孔泡沫铝，二者均具有优异的阻尼性能[14]。由此可见，泡沫铝既可作为结构材料，也可作为功能材料使用，属于典的结构功能一体化材料。

第 1 章 绪论直接注气法有很多优点，但仍然存在许多亟待解决的问题。泡过程中泡沫铝孔壁的稳定机制至今还没有统一的认识[19]，与发泡温度、增粘剂的种类和数量、搅拌桨的结构与搅拌速期头的设计以及降温凝固过程的控制等[17, 20-23]都对泡沫铝最率、孔径大小和均匀性）有着明显的作用。因此，即使直接但实质上也是一个错综复杂、各种理论交互的庞大体系。

图 1-3 熔体发泡示意图[2]Fig. 1-3 Schematic diagram of melt foaming[2].3 粉末冶金发泡法粉末冶金发泡法借助于“粉末冶金”的思想，主要包括了三个过程：型—粉末发泡。首先，将铝粉或铝合金粉末与发泡剂（TiH2或 CaCO3混合，然后采用冷压或热压的工艺将混好的粉末进行成型，得到具有度的发泡前驱体，最后将发泡前驱体置于发泡模具中，再加热到铝或点以上某温度进行发泡。在加热过程中，发泡剂不断发生分解，前驱膨胀，待发泡剂分解结束，前驱体不再膨胀时，对发泡模具采取快速，熔融态的铝发生凝固，这样就制备得到了泡沫铝。采用粉末冶金发的泡沫铝，成分可调、孔径大小和分布在一定范围内可控、质量较高定、便于商业化生产。虽然与直接注气法和熔体发泡法相比，粉末冶成本较高，不能连续化生产，只适用于小尺寸泡沫铝的制备，但这种
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本文编号：2884999