工业闭孔泡沫铝压缩力学性能及变形机理

发布时间：2019-12-03 09:47

【摘要】：泡沫铝是一种新型的结构和功能材料,因特殊的能量吸收特性而在工程领域具有很好的应用前景。为了研究基体材料对泡沫铝力学性能和变形失效机理的影响,同时为工业泡沫铝材料提供更具参考价值的性能指标,对工业上最常见的两种不同基体(纯铝基体和7050铝合金基体)的泡沫铝材料进行了准静态压缩力学性能的试验,并对其变形机理进行了分析。试验结果表明,相同规格的7050基体泡沫铝的压缩力学性能高于纯铝基体泡沫铝,能量吸收能力也远大于纯铝基体泡沫铝。纯铝基体泡沫铝在压缩载荷下呈现逐层坍塌、连续性破坏的模式,试件在完全压实后呈碎渣;7050基体泡沫铝表现出逐层坍塌、间断式破坏的模式,试件在完全压实后呈完整的块状。7050基体泡沫铝的泡孔结构比纯铝基体泡沫铝均匀,力学性能更加稳定。
【图文】：

结构分布,泡沫铝,基体,宏观结构

本次试验中，７０５０基体泡沫铝的弹性模量和屈服强度也表现出这种趋势，但密度为０．５６ｇ／ｃｍ３的纯铝基体泡沫铝的承载能力却不及密度为０．４９ｇ／ｃｍ３的纯铝基体泡沫铝。从实验室的理论研究来看，这是不可能的，但是本研究所选择的泡沫铝材料是工业泡沫铝。在实际工业生产中，受到工艺的限制，导致泡沫铝的发泡质量无法与实验室条件下制备的相比。本试验中所使用的密度为０．５６ｇ／ｃｍ３的纯铝基体泡沫铝的实际泡孔尺寸大于工艺标定参数，结构分布不均匀，导致其力学性能下降。由图２可以看出，纯铝基体泡沫铝的泡孔分布杂乱，泡孔结构不完整，而７０５０基体泡沫铝的泡孔分布均匀，结构基本呈完整的胞状。因此，试验中７０５０基体泡沫铝的力学性能比纯铝基体泡沫铝稳定。由此可见，在实际选择材料时，现有的工业泡沫铝参数（密度、孔隙率、孔径尺寸）是不足的，因为它们是由工艺参数决定的，不能有效地表征材料的使用性能。应该对每批次制备的材料进行力学性能测试，提供更可靠更实用的指标。图２Ａｌ基体与７０５０基体泡沫铝的宏观结构图Ｆｉｇ．２ＭａｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｉｃｔｕｒｅｏｆＡｌ－ｍａｔｒｉｘａｎｄ７０５０－ｍａｔｒｉｘｆｏａｍｓ２．２泡沫铝变形过程及坍塌机理图３为纯铝基体泡沫铝在本实验中的压缩变形过程。本实验从众多压缩变形试件中选取了最具有代表性的一个试件进行纯铝基体泡沫铝材料压缩变形机理的分析。如图３（ａ）所示，该试件沿高度方向具有一列排列整齐的泡孔，可以很好地反映该材料的压缩变形过程。从图３可以看出，纯铝基体泡沫铝的变形过程和其应力－应变曲线是相互对应的。首先在线弹性阶段（应变１％～６％的范围内），由于孔棱

过程图,泡沫铝,纯铝,压缩变形

，结构基本呈完整的胞状。因此，试验中７０５０基体泡沫铝的力学性能比纯铝基体泡沫铝稳定。由此可见，在实际选择材料时，现有的工业泡沫铝参数（密度、孔隙率、孔径尺寸）是不足的，，因为它们是由工艺参数决定的，不能有效地表征材料的使用性能。应该对每批次制备的材料进行力学性能测试，提供更可靠更实用的指标。图２Ａｌ基体与７０５０基体泡沫铝的宏观结构图Ｆｉｇ．２ＭａｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｉｃｔｕｒｅｏｆＡｌ－ｍａｔｒｉｘａｎｄ７０５０－ｍａｔｒｉｘｆｏａｍｓ２．２泡沫铝变形过程及坍塌机理图３为纯铝基体泡沫铝在本实验中的压缩变形过程。本实验从众多压缩变形试件中选取了最具有代表性的一个试件进行纯铝基体泡沫铝材料压缩变形机理的分析。如图３（ａ）所示，该试件沿高度方向具有一列排列整齐的泡孔，可以很好地反映该材料的压缩变形过程。从图３可以看出，纯铝基体泡沫铝的变形过程和其应力－应变曲线是相互对应的。首先在线弹性阶段（应变１％～６％的范围内），由于孔棱的弯曲、延伸或收缩，孔壁发生延展。随着应变的增大，孔壁沿着压缩的方向起皱，产生裂纹，逐渐被压实，如图３（ｂ）—（ｄ）所示的第二层泡孔的变形过程。虽然试件的压缩变形整体表现出从上往下逐层坍塌的现象，但由于泡沫体中存在一定的缺陷，如孔棱的弯曲和孔壁与孔棱的褶皱，使得泡沫铝内部结构存在应力集中，导致裂纹首先产生在应力集中的位置。如图３（ｂ）、（ｃ）所示，第一层泡孔没有发生坍塌，而由于第二层泡孔右侧孔壁存在缺陷而首先产生裂纹，随着位移的增大，图３纯铝基体泡沫铝的压缩变形过程Ｆｉｇ．３ＣｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＡｌ－ｍａｔｒｉｘｆｏａ

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