泡沫鋁力學(xué)性能研究分析材料學(xué)專業(yè)

1、第1章 緒 論1.1 課題背景及研究意義地震災(zāi)害具有突發(fā)性、不確定性，給人類的生命安全和財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。土木工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞和倒塌是造成災(zāi)難的直接原因。通過對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料強(qiáng)度、截面尺寸進(jìn)行增大和增強(qiáng)是以往提升結(jié)構(gòu)抗震的主要思路，其原理就是通過對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行提升來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，用結(jié)構(gòu)本身來對(duì)地震沖擊進(jìn)行抵抗，這種方法實(shí)質(zhì)上就是通過結(jié)構(gòu)本身來儲(chǔ)存和消耗能量，雖然能滿足性能需求，但是在結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和震后可修復(fù)上存在較多問題。隨著現(xiàn)代高層結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)等大規(guī)模建設(shè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論不斷地更新發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)提出的要求越來越高，所以研發(fā)新的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)成為人類應(yīng)

2、對(duì)地震災(zāi)害的最根本途徑。減隔震技術(shù)的提出為人類應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害提供了新的思路。值得注意的是，高阻尼材料的應(yīng)用可以很大程度上提高減隔震技術(shù)的減震效果1 。泡沫鋁是近年來發(fā)展迅速的一種新型輕質(zhì)、胞孔結(jié)構(gòu)材料，具有屈服強(qiáng)度低、壓縮延性變形能力強(qiáng)和耗能能力強(qiáng)等特性，這使得泡沫鋁成為了一種輕質(zhì)高阻尼材料2-5 。但是，目前泡沫鋁材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎沒有，國內(nèi)外在此方面的研究報(bào)道也相對(duì)較少。為了探究泡沫鋁及其復(fù)合結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，本文就此問題展開討論，通過研究泡沫鋁材料、泡沫鋁復(fù)合材料以及泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并分析其效果。1.2 泡沫鋁概述泡沫鋁是一種在鋁或鋁合金基體中分布有大

3、量孔洞的新型功能結(jié)構(gòu)材料，按其胞孔結(jié)構(gòu)分為通孔泡沫鋁(胞孔間相互連通)和閉孔泡沫鋁(胞孔相互獨(dú)立，各自封閉，互不相通)。泡沫鋁材料由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，使其具備一些致密金屬不具備的結(jié)構(gòu)及功能特性，比如輕質(zhì)（密度小于水）、高比剛度、高阻尼和優(yōu)良的能量吸收性能等 6 。已有研究表明，泡沫鋁的阻尼值隨孔隙率的提高而增加，可達(dá)其基體金屬阻尼值的10倍以上7,8 。因此，可以考慮將泡沫鋁作為一種理想的吸能減振材料，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制領(lǐng)域。不過，對(duì)于具有較高阻尼需求的工程機(jī)構(gòu)當(dāng)中，現(xiàn)有泡沫鋁阻尼大小還不能完全給與滿足9 ；除此以外，還有很多孔洞結(jié)構(gòu)存在于泡沫鋁當(dāng)中，作為結(jié)構(gòu)材料使用來說，孔洞的存在也是一

4、種缺陷10 。影響泡沫鋁的結(jié)構(gòu)性能和功能特性的因素相對(duì)較多，主要包括：(1)基體材料類型（鋁或鋁合金）； (2)孔隙率（或相對(duì)密度）；(3)孔徑大??；(4)胞孔類型（開孔或閉孔）；(5)孔洞特征（孔形態(tài)、分布、孔結(jié)構(gòu)缺陷等）等。其中孔隙率(或相對(duì)密度)起主要的控制作用。通孔泡沫鋁(孔隙率在50%75%)與閉孔泡沫鋁(孔隙率在75%以上)相比，前者力學(xué)性能相對(duì)優(yōu)越，而阻尼性能相對(duì)較差，后者則剛好相反。泡沫鋁可以通過制備工藝優(yōu)化來對(duì)其力學(xué)功能進(jìn)行提升和改善，在結(jié)構(gòu)工程當(dāng)中應(yīng)用泡沫鋁的過程中需要對(duì)能量吸收、阻尼等方面的性能提升進(jìn)行研究。近年來，泡沫鋁復(fù)合材料的研究及應(yīng)用逐漸增多，為上述問題的解決提供

5、了思路?？梢钥紤]將高分子復(fù)合材料填充在通孔泡沫鋁當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泡沫鋁的阻尼性能和力學(xué)性能的提升11,12 。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1 泡沫鋁力學(xué)性能研究現(xiàn)狀作為一種具有廣泛應(yīng)用前景的材料，能否深入了解泡沫鋁的力學(xué)性能、識(shí)別影響其力學(xué)性能的關(guān)鍵因素對(duì)于泡沫鋁的工程應(yīng)用至關(guān)重要。疲勞性、剪切性能、拉伸性能、壓縮性能都屬于泡沫鋁的力學(xué)性能。當(dāng)前階段，因?yàn)榭锥创嬖谟谂菽X當(dāng)中，使得泡沫鋁的拉伸、剪切等力學(xué)性能受到制約，使得研究人員對(duì)泡沫鋁的拉伸、剪切行為關(guān)注不多。國內(nèi)外對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能的研究大多表現(xiàn)在對(duì)單軸壓縮行為的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，具體包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓縮下的力學(xué)性能和能量吸收等受到幾何特

6、性和力學(xué)特性的影響。對(duì)泡沫鋁壓縮本構(gòu)的研究是目前泡沫鋁力學(xué)性能研究的主要內(nèi)容。國外學(xué)者Deshpande、Fleck13根據(jù)通過試驗(yàn)分析，建立了泡沫金屬的自相似本構(gòu)模型和微分強(qiáng)化本構(gòu)模型，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Hanssen等14 強(qiáng)調(diào)對(duì)于荷載作用下材料的具體響應(yīng)通過享有本構(gòu)模型無法進(jìn)行有效描述。國內(nèi)學(xué)者主要從宏觀層次上建立泡沫金屬的本構(gòu)模型來研究其力學(xué)行為。王二恒等15 利用現(xiàn)有的唯象本構(gòu)模型 16 ,對(duì)泡沫鋁的靜態(tài)本構(gòu)模型進(jìn)行建立，分析得到泡沫鋁在不同加載工況下的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。王志華、敬霖等17提出一個(gè)多參數(shù)相關(guān)的非線性彈塑性唯象本構(gòu)模型, 該模型可以系統(tǒng)地描述相對(duì)密度、應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)其

7、動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)行為的影響。在試驗(yàn)研究方面，國外學(xué)者Banhart等18 通過泡沫鋁的單軸壓縮試驗(yàn)，指出相對(duì)密度是影響材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的主要因素。Mc Cullough等19 通對(duì)泡沫鋁的壓縮力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，指出泡沫鋁材料孔洞分布的不均勻性、胞孔內(nèi)裂紋的缺陷等導(dǎo)致了試驗(yàn)結(jié)果的離散性。在國內(nèi)，王曦等20 對(duì)五種不同孔徑的開孔泡沫鋁材料的單向壓縮性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相對(duì)密度不是確定材料力學(xué)性能的唯一參數(shù)，孔徑大小對(duì)彈性模量和壓縮塑性平臺(tái)的大小都有一定的影響。柳敏、曹曉卿等21 研究了尺寸效應(yīng)對(duì)泡沫鋁靜態(tài)壓縮力學(xué)行為的影響，指出泡沫鋁壓縮影響因素當(dāng)中的高徑比影響最為明顯。對(duì)于泡沫鋁力學(xué)性能受到

8、應(yīng)變率效的影響，國內(nèi)外研究人員得到了不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，截至目前還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的定論。國外研究過程中， Fleck和Deshpande 等22 研究了應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)泡沫鋁壓縮曲線平臺(tái)應(yīng)力的影響，指出高應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)泡沫鋁材料影響較小，而Goe和Mondal等23指出應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)泡沫鋁材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為有著不同的影響，通過試驗(yàn)分析得到，不同應(yīng)變速率下泡沫鋁材料的變形機(jī)制存在較大差異。在國內(nèi)，何德坪24 研究了泡沫純鋁、泡沫鋁合金在不同應(yīng)變率下的壓縮力學(xué)行為，結(jié)果表明，在動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)條件下，泡沫純鋁對(duì)應(yīng)變率效應(yīng)較為敏感，得到泡沫鋁純鋁壓縮曲線的應(yīng)變率增大，相應(yīng)的也會(huì)增大平臺(tái)應(yīng)力，而應(yīng)變率不會(huì)直接影響

9、到泡沫合金。時(shí)勝等25對(duì)泡沫鋁的應(yīng)變率變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，泡沫鋁的胞孔結(jié)構(gòu)主要受到應(yīng)變率效應(yīng)的影響，與基體材料關(guān)系不大。鳳儀等26 進(jìn)行了泡沫鋁的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果分析得到，在一定的應(yīng)變率范圍內(nèi)，泡沫鋁的屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率不敏感。目前，國內(nèi)外學(xué)者在泡沫鋁的拉伸和剪切性能方面研究較少，H. Von Hagen, W. Bleck.27 通過試驗(yàn)研究了不同密度和厚度泡沫鋁的拉伸、剪切性能，指出密度對(duì)拉伸、剪切的力學(xué)性能參數(shù)影響顯著。Wang X Z等28 研究了泡沫鋁的拉伸和剪切試驗(yàn)，確定了在準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)條件下，泡沫鋁拉伸、剪切性能的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)和破壞失效機(jī)理。虞吉林等20通過

10、試驗(yàn)研究了不同孔徑的開泡沫鋁單向拉伸性能，揭示了不同孔徑的開泡沫鋁單向拉伸性能，揭示了其變形機(jī)理。韓春光29開展了在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下泡沫鋁的拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，通過試驗(yàn)分析提出了一種簡(jiǎn)單的泡沫鋁靜態(tài)拉伸試驗(yàn)本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸下泡沫金屬材料的多參數(shù)本構(gòu)方程，并明確了泡沫鋁金屬材料拉伸的破壞機(jī)理。1.3.2 泡沫鋁復(fù)合材料性能研究現(xiàn)狀泡沫鋁的應(yīng)用主要體現(xiàn)在其力學(xué)性能和功能特性兩方面，目前更偏向于對(duì)泡沫鋁功能研究。正常過程中，需要在犧牲部分泡沫鋁的力學(xué)性能才能對(duì)功能特性進(jìn)行提升，相反也是同樣的道理。所以，當(dāng)前的研究多集中于泡沫鋁的結(jié)構(gòu)功能一體化研究，即在保證泡沫鋁功能特性的情況下，其力學(xué)性

11、能也能有不錯(cuò)的表現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)材料性能對(duì)復(fù)雜工況的有效滿足10 ?；谏鲜鏊悸?，為了改進(jìn)泡沫鋁的性能，大多研究人員以通孔泡沫鋁為基體，向其孔洞中填充高分子粘彈性材料，得到鋁與高分子粘彈性材料的交織復(fù)合材料，在提高其力學(xué)性能的同時(shí)，其功能特性（阻尼性能）得到很好的改善，這也是目前泡沫鋁基復(fù)合材料的主要研究方向9。已有研究中所采用的高分子粘彈性材料主要是硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等。程和法等30,31 以選擇開孔泡沫鋁作為研究對(duì)象，將高分子硅橡膠填充進(jìn)孔洞內(nèi)，從而得到一種新的復(fù)合材料，并且還進(jìn)行了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料相對(duì)于純泡沫鋁，其屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力明顯增加，表現(xiàn)出較好的

12、能量吸收性能。張立勇32 對(duì)泡沫鋁-硅橡膠復(fù)合材料進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，研究了填充硅橡膠對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料具有非常良好的吸收性能；靜態(tài)壓縮應(yīng)變曲線和壓縮應(yīng)力存在兩個(gè)應(yīng)力段；而動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線和壓縮應(yīng)力只表現(xiàn)出彈性段和應(yīng)力上升的塑性段，沒有發(fā)現(xiàn)過于顯著的密實(shí)段。王二恒，田杰等33在研究過程中發(fā)現(xiàn)了同上的結(jié)果。徐平等35 將環(huán)氧樹脂通過浸滲法滲入到泡沫鋁空隙當(dāng)中，通過研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料在阻尼性、剛度和強(qiáng)度等方面較純泡沫鋁都有所提高。于英華36 在開孔泡沫鋁中填充環(huán)氧樹脂得到泡沫鋁環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，同時(shí)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，通過對(duì)比純泡沫鋁，研究了泡沫鋁的相對(duì)密度、孔徑大小對(duì)復(fù)

13、合材料力學(xué)性能的影響。謝衛(wèi)紅、張勇等37,38 通過在通孔泡沫鋁中填充聚氨酯泡沫制備出了泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料，同時(shí)研究了泡沫鋁復(fù)合材料受到聚氨酯含量、應(yīng)變率以及相對(duì)密度的力學(xué)影響，研究結(jié)果表明，在一定的密度和應(yīng)變率情況下，復(fù)合材料相比泡沫鋁的平臺(tái)應(yīng)力和屈服強(qiáng)度明顯更高，吸能性能也得到較大改善。通過比較發(fā)現(xiàn)，硅橡膠具有柔韌性、低表面能、耐熱、憎水等優(yōu)點(diǎn)，但其力學(xué)性能較差，粘結(jié)力小，耐腐蝕性差等；環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能和粘結(jié)性能，但固化后呈脆性特征，易開裂，力學(xué)性能較差；而聚氨酯是一種超彈性的高分子材料，其粘結(jié)性能及阻尼性能較好，耐腐蝕性好。因此，此次研究過程中通過將聚酯氨材料向泡沫鋁的孔洞

14、中進(jìn)行填充的方法，得到一種兼具結(jié)構(gòu)功能和力學(xué)性能，同時(shí)還有高阻尼性的復(fù)合材料。1.3.3 泡沫鋁復(fù)合構(gòu)件力學(xué)性能研究現(xiàn)狀由于泡沫鋁本身缺乏強(qiáng)度，所以在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制，因此在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用致密金屬和芯材制作復(fù)合構(gòu)建進(jìn)行使用，如泡沫鋁填充鋼（鋁）管、鋼（鋁）-泡沫鋁三明治板等。目前，國內(nèi)外對(duì)泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)已有廣泛的研究。Bartsmith等39,40 對(duì)泡沫鋁夾芯梁的力學(xué)性能進(jìn)行研究，其存在壓入破壞、芯層剪切、表面褶皺、表面屈服的變形模式，同時(shí)提出了泡沫鋁夾芯梁構(gòu)件的質(zhì)量?jī)?yōu)化和失效模式設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。Hanssen等41 空心結(jié)構(gòu)填充泡沫鋁之后的軸向壓縮變形展開具體研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在將

15、泡沫鋁加入之后明顯增加了褶皺數(shù)量并減少褶皺長(zhǎng)度;在動(dòng)態(tài)載荷過程中會(huì)發(fā)生整體彎曲和局部褶皺反應(yīng)。Seizberger等42 進(jìn)行了泡沫鋁復(fù)合材料的靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)以及具體數(shù)值分析，同時(shí)還對(duì)截面的結(jié)構(gòu)性能和截面形狀進(jìn)行分析，分析得知壓縮試驗(yàn)中，環(huán)氧樹脂-泡沫鋁復(fù)合材料的吸能性、強(qiáng)度和剛度均得到顯著提升。邵國鑫等43 通過實(shí)驗(yàn)研究泡沫鋁復(fù)合鋼管的阻尼性，并對(duì)鋼管的填充材質(zhì)變化和含鋼率大小對(duì)阻尼性的變化影響進(jìn)行討論。張貴林等44對(duì)作為支撐鋼架的泡沫鋁復(fù)合材料的滯回性能進(jìn)行研究，主要研究框架滯回性能受到泡沫鋁填充支撐的具體影響，結(jié)果顯示：將泡沫鋁在支撐部分進(jìn)行填充以后，明顯提升了框架的承載能力，支撐的屈曲破

16、壞滯后甚至不出現(xiàn)，滯回曲線飽滿，框架整體具有良好的滯回耗能能力。王瑞斌等45方鋼構(gòu)件在進(jìn)行泡沫鋁填充之后的滯回性能進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)：在對(duì)泡沫鋁進(jìn)行填充之后，和普通鋼管相比滯回曲線變得更加飽滿，抗震性能和滯回性能都得到明顯改善和提升。辛亞軍等46 通過對(duì)比傳統(tǒng)夾芯板和符合材料夾芯板的力學(xué)性能，在靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的夾芯板在吸能性、強(qiáng)度和剛度方面的性能都表現(xiàn)的更加顯著。劉仁輝等47 對(duì)一種新的符合結(jié)構(gòu)進(jìn)行嘗試，來實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸載荷對(duì)框架支柱的破壞程度進(jìn)行降低，對(duì)泡沫鋁鋼板復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)保護(hù)和抗暴機(jī)理進(jìn)行研究分析，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的減震吸能效果更加顯著。1.4當(dāng)前研究存在的問題從上述國內(nèi)外研

17、究現(xiàn)狀可以看出，目前的研究還存在以下不完善的地方：(1) 國內(nèi)外現(xiàn)階段從力學(xué)方面對(duì)于泡沫鋁及其復(fù)合材料的研究只局限于壓縮性能、拉伸性能等，對(duì)其拉壓循環(huán)力學(xué)性能方面研究不足；土木工程結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時(shí)，材料不可避免地往復(fù)荷載的作用，在獲得單調(diào)荷載作用下的力學(xué)變形特性的過程中，還要對(duì)泡沫鋁復(fù)合材料的循環(huán)力學(xué)性能進(jìn)行研究，以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。(2) 泡沫鋁及其復(fù)合材料，尤其是泡沫鋁復(fù)合材料，主要是利用其良好的吸能能力，將其應(yīng)用于需要緩沖吸能的場(chǎng)合，目前在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少，并且?guī)缀鯖]有泡沫鋁復(fù)合材料制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。所以，對(duì)于泡沫鋁復(fù)合材料制作的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能研究，明確其破壞機(jī)

18、制，分析泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于減振控制的可行性及有效性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從新方法和新思路上進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究。1.5此次研究的技術(shù)路線和研究?jī)?nèi)容 此次研究過程中通過將高分子粘彈性材料聚氨酯加入到通孔泡沫鋁中，從而得到一種具有良好力學(xué)性能及高阻尼的結(jié)構(gòu)功能一體化材料，分析研究其力學(xué)性能；在此基礎(chǔ)上，將鋼管與高阻尼復(fù)合材料復(fù)合制成一種新型鋼管復(fù)合耗能柱：鋼管-泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合柱，實(shí)驗(yàn)研究復(fù)合柱的抗震性能，對(duì)復(fù)合材料在振動(dòng)控制領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探討。此次研究的主要內(nèi)容包括：(1) 根據(jù)之前的研究結(jié)論，泡沫鋁基體選擇球形通孔泡沫鋁，填充材料選擇聚氨酯。結(jié)合生產(chǎn)聚酯氨的方式和泡沫鋁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在進(jìn)行聚酯氨/泡

19、沫鋁復(fù)合材料制作的時(shí)候進(jìn)行合理的工藝選擇。(2) 泡沫鋁的力學(xué)性能研究。通過對(duì)泡沫鋁復(fù)合材料的單調(diào)壓縮試驗(yàn)和拉壓循環(huán)試驗(yàn)，考察其在單調(diào)壓縮及往復(fù)加載下的力學(xué)性能，分析研究其減振機(jī)理。(3) 鋼管-泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合柱的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。通過擬靜力試驗(yàn)，研究鋼管柱、鋼管-泡沫鋁復(fù)合柱、鋼管-泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合柱的剛度、承載力、耗能能力、延性系數(shù)以及絕對(duì)耗能等的變化規(guī)律，探究將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)減振領(lǐng)域的可行性。2.2.2 泡沫鋁的制備概述 1948年，Sosnick48使用一定溫度的液態(tài)汞在鋁熔體中氣化制備了閉孔泡沫鋁，但此制備方法存在發(fā)泡工藝和胞孔尺寸難以控制的問題；Elliott49年用可熱分解氣

20、體的發(fā)泡劑代替汞，制備出了更高質(zhì)量并可用于實(shí)際生產(chǎn)的泡沫鋁，此后，國外如美國50、日本51、歐洲1,52,53等發(fā)達(dá)國家逐對(duì)泡沫鋁開展了深入的研究；上個(gè)世紀(jì)八十年代以來，國內(nèi)的一些高校及科研機(jī)構(gòu)如東南大學(xué)54,55、哈爾濱工業(yè)大學(xué)56、東北大學(xué)57、昆明理工大學(xué)58、中國科學(xué)院固體研究所59,60等從事與泡沫鋁相關(guān)的研究。目前，泡沫鋁的制備方法可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征（通孔和閉孔）進(jìn)行分類61：通孔型主要包括，燒結(jié)法、電沉積法、熔模鑄造法和滲流鑄造法等；閉孔型主要包括，主要有熔體發(fā)泡法、注氣發(fā)泡法、粉末冶金法、固-氣共晶凝固法、陰極濺鍍沉積法等。本課題選用的是泡沫鋁類型為球形通孔泡沫鋁（滲流鑄造法制

21、備）。因此下文主要介紹滲流鑄造法制備工藝，其他制備方法本文不做詳細(xì)介紹。在鑄模當(dāng)中將被處理過的填料顆粒進(jìn)行填裝并進(jìn)行成坯壓制，然后對(duì)填充粒子和模具進(jìn)行預(yù)熱，在坯顆粒間隙將金屬液進(jìn)行壓力滲入，再用相關(guān)溶液或者水將填料粒子溶除，從而得到通孔泡沫金屬材料的方法就是滲流鑄造法62。采用此方法時(shí)，必須選擇具有可溶解且熔點(diǎn)高的填充粒子。為了避免發(fā)生粒子和金屬熔體熱交換導(dǎo)致的材料壓入時(shí)出現(xiàn)凝固，必須預(yù)熱填料粒子層。因?yàn)榻饘僖旱谋砻鎻埩ν^大，因此單純的依靠重力難以在填料縫隙當(dāng)中滲入金屬液，必須對(duì)金屬液施加一定的壓力才能保證其能夠進(jìn)入填料的空隙中。我們根據(jù)具體施壓方式可以劃分為負(fù)壓法和正壓法這兩種滲流法：(

22、1)圖1-a行業(yè)1-b展示的就是正壓法，這種方法是又分成氣壓法和固壓法。在模具中將填充顆粒進(jìn)行松散的或者壓成坯的裝入預(yù)熱模具，之后從上方交入鋁熔液，并在壓力作用下使壓頭推進(jìn)，從施加壓力給金屬液對(duì)顆粒間隙進(jìn)行填充的方法就是固壓法。這種方法在使用過程中容易發(fā)生飛濺、泄露和難以控制的缺點(diǎn)；同時(shí)也很難對(duì)壓頭的預(yù)熱問題進(jìn)行處理。固壓法和氣壓法有相似之處，不同的地方就是氣壓法的滲流壓力主要來自于氣體；氣壓法使用過程中壓力可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)增減，并且便于控制，同時(shí)還能夠?qū)侯^的預(yù)熱進(jìn)行免除。通孔泡沫鋁在工業(yè)生產(chǎn)過程中最常應(yīng)用的方法就是滲流鑄造法，這種工藝方法的優(yōu)點(diǎn)顯著，分別有：a) 可以對(duì)不同孔徑的開孔泡沫鋁進(jìn)行

23、制備，同時(shí)能夠保證很好的孔洞連通；b) 可以對(duì)孔均勻性、孔徑和孔隙率等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，方便機(jī)械加工的進(jìn)行；c) 穩(wěn)定可靠的制備工藝，制備泡沫鋁具有較好重復(fù)性的工藝參數(shù)；d) 便于操作，生產(chǎn)快捷，可以對(duì)復(fù)雜構(gòu)件和大尺寸構(gòu)件進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。不過，因?yàn)樘畛淞狭Ｗ拥膶?shí)際影響，采用這種方法進(jìn)行制作的泡沫鋁存在密度變化較小，空隙較小等問題；同時(shí)，因?yàn)槭艿綁毫σ约皽囟鹊纫蛩氐挠绊懀?jīng)常會(huì)發(fā)生滲流不均、滲流過度以及滲流不足導(dǎo)致的孔隙不均的問題。為克服這些缺點(diǎn)，中南大學(xué)根據(jù)自然重力作用原理，對(duì)滲流裝置做了改進(jìn)，可以保證鋁熔體在滲流時(shí)分布均勻化，其裝置示意如圖1-d所示63。(2) 負(fù)壓法是通過抽真空的方式是模

24、具內(nèi)形成負(fù)壓，從而在大氣壓力的作用下使金屬液滲入顆粒間隙中。在此基礎(chǔ)上，控制鋁熔體澆注量，選擇預(yù)定的滲流參數(shù)，是鋁熔體均勻分布于顆粒間隙中，從而獲得高孔隙率泡沫鋁。其裝置示意如圖1-c所示。2.3 泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的制備流程泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料是以球形通孔泡沫鋁為基體，將粘彈性材料聚氨酯填充入泡沫鋁的孔隙中。復(fù)合材料制備前，需要制作尺寸稍大于泡沫鋁試件尺寸的澆注模具，保證聚氨酯可以多方向滲入泡沫鋁孔隙中。首先將泡沫鋁試件放入模具中定位并進(jìn)行固定，然后利用圖2-2 (a)所示聚氨酯澆注機(jī)將具有自然流動(dòng)性的液態(tài)聚氨酯澆入模具內(nèi)，為了達(dá)到最佳填充效果，需要進(jìn)行多次澆注。澆注完成后，放入如圖2

25、-2 (b)所示恒溫烘箱內(nèi)，使聚氨酯交聯(lián)固化。圖2-2 (c)為泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料制備現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)復(fù)合材料以及泡沫鋁試件的重量在填充前后進(jìn)行分別稱量，從而對(duì)聚氨酯填充情況進(jìn)行計(jì)算，以此篩選有較好填充效果的泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料試件（填充率在80%以上）。泡沫鋁/聚氨酯制備流程總結(jié)如圖2-3所示。2.3.2.2 純泡沫鋁的壓縮力學(xué)性能本試驗(yàn)中三種孔徑純泡沫鋁試件的試驗(yàn)現(xiàn)象基本相近，在此以孔徑(d)為78mm、孔隙率(P)為64.9%的純泡沫鋁試件為例，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果展開描述分析，其試驗(yàn)全過程曲線和關(guān)鍵現(xiàn)象如圖2-8所示。從圖中可以看出，在不斷增加外力的情況下，泡沫鋁發(fā)生明顯的胞壁彎曲，當(dāng)外力達(dá)

26、到泡沫鋁的屈服強(qiáng)度后，材料發(fā)生屈服，在胞壁中形成塑性鉸，胞孔坍塌密實(shí)，直至全部壓實(shí)，相互接觸。在整個(gè)壓縮過程中，試件整體表現(xiàn)為致密壓實(shí)破壞。從壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出：1) 在應(yīng)變相對(duì)較小時(shí)(00.04)，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的彈性特性，此階段材料的受力主要由泡沫鋁孔壁承擔(dān)，反映出球形通孔泡沫鋁胞孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性。2) 隨著應(yīng)變的增大(0.040.43)，部分薄弱區(qū)域孔壁進(jìn)入屈服，泡沫鋁構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)入塑性屈服階段（A點(diǎn)），隨后壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線達(dá)到峰值(應(yīng)力約為7MPa)，曲線漸趨于平穩(wěn)，整體進(jìn)入塑性階段，在這一階段曲線提升隨著應(yīng)力變大而趨于緩慢。這個(gè)時(shí)候是泡沫鋁孔壁坍塌的一個(gè)變化過程，

27、反映了球形通孔泡沫鋁的塑性變形能力。3) 當(dāng)塑形屈服階段結(jié)束，即達(dá)到密實(shí)化點(diǎn)(B點(diǎn)，相應(yīng)應(yīng)變約0.43）后，泡沫鋁孔壁完全坍塌，胞孔逐漸受壓密實(shí)，應(yīng)力急劇增加，在應(yīng)變達(dá)到0.62時(shí)，泡沫鋁已基本完全密實(shí) (C點(diǎn))。泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料和純泡沫鋁材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比如圖2-11所示，其中復(fù)合材料的基體泡沫鋁的結(jié)構(gòu)參數(shù)(d=78mm,P=64.0%)與純泡沫鋁(d=78mm,P=64.9%)相近。通過壓縮曲線能夠發(fā)現(xiàn)，在壓縮泡沫鋁復(fù)合材料的時(shí)候一個(gè)典型的表現(xiàn)就是低應(yīng)力水平下的顯著塑性變形。相比純泡沫鋁而言，復(fù)合材料的壓縮曲線存在密實(shí)、塑型平臺(tái)和彈性這三個(gè)階段。圖2-11所示在彈性階段純泡

28、沫鋁的應(yīng)變曲線和泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)變曲線大致一樣，表示在彈性模量方面兩者在這一階段相同，具有同樣的受力機(jī)制和變形機(jī)制。泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料在彈性階段呈現(xiàn)出泡沫鋁的彈性模量，主要是因?yàn)榫郯滨儆趶椥泽w，其剛度遠(yuǎn)小于基體泡沫鋁，基本不參與受力。屈服點(diǎn)是此階段的終點(diǎn)，y是此時(shí)的屈服應(yīng)力，y是此時(shí)的屈服應(yīng)變。當(dāng)壓縮曲線達(dá)到屈服點(diǎn)之后，隨應(yīng)變的增加，應(yīng)力增加緩慢，曲線呈現(xiàn)所謂的塑性平臺(tái)。在此階段內(nèi)，泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)力水平明顯高于純泡沫鋁的壓縮曲線，這是因?yàn)榫郯滨椥圆牧喜豢蓧嚎s的體積特征，造成壓縮泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的過程中聚氨酯與復(fù)合材料基體相互作用，說明聚氨酯的存在明顯增加了復(fù)

29、合材料的剛度，所以相比于純泡沫鋁而言其具有更快的應(yīng)力提升速度。通過對(duì)圖2-11的具體觀察我們發(fā)現(xiàn)，和純泡沫鋁平臺(tái)段相比復(fù)合材料的具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，這表示復(fù)合材料的塑性變形能力要強(qiáng)于純泡沫鋁。這是由于在此階段由于聚氨酯的體積不可壓縮性抑制了基體泡沫鋁的壓縮變形，使得復(fù)合材料延緩進(jìn)入密實(shí)化階段致密，密實(shí)點(diǎn)就是該階段的終點(diǎn)，此時(shí)的密實(shí)應(yīng)力為p，密實(shí)應(yīng)變?yōu)閜。隨著增加變形的過程中，突破密實(shí)應(yīng)變，復(fù)合材料隨應(yīng)變發(fā)生快速應(yīng)力上升，這說明已經(jīng)完全壓實(shí)了泡沫鋁部分。這個(gè)時(shí)候，當(dāng)達(dá)到一定程度的應(yīng)變大小之后，相同狀態(tài)下的純泡沫鋁的應(yīng)力要大于泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)力大小。觀察圖2-11中兩個(gè)曲線的比較還可看出，與

30、純泡沫鋁相比，泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的壓縮曲線大約在進(jìn)入密實(shí)化階段后，會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象在曲線當(dāng)中發(fā)生。這是因?yàn)榫埘グ贝嬖谟趶椪硰椥圆牧袭?dāng)中的原因，在壓縮復(fù)合材料的過程中，因?yàn)榫埘グ钡牟豢蓧嚎s性導(dǎo)致，會(huì)有很大的橫向作用作用于泡沫鋁胞壁當(dāng)中，這部分壓力可能導(dǎo)致薄弱胞壁發(fā)生破壞，另外用于聚酯氨的壓力得到釋放，相應(yīng)的減輕了材料的承載力，此時(shí)應(yīng)力曲線發(fā)生略微降低；如果持續(xù)加載，在下一個(gè)薄弱胞壁被破壞之前，應(yīng)力曲線會(huì)繼續(xù)上升一個(gè)過程。這樣反復(fù)下去，復(fù)合材料就會(huì)呈現(xiàn)出抖動(dòng)狀態(tài)的盈利變化曲線。而在壓縮純泡沫鋁的過程中，不會(huì)有橫向力對(duì)胞壁進(jìn)行壓力作用，再加上鋁本身具有較好的延性，屈服后的胞壁受到豎向壓力的情況下依然

31、能夠保持完好的胞壁，同時(shí)具備較大的變形性。因?yàn)槲辞诘淖饔?，整體上材料應(yīng)力呈現(xiàn)出的趨勢(shì)為增加狀態(tài)，直到形成一個(gè)密實(shí)的試件。所以，整體呈現(xiàn)出一個(gè)較為光滑的圧縮曲線。圖2-12、圖2-13 為單調(diào)壓縮下，復(fù)合材料和純泡沫鋁的變形過程。作為泡沫鋁的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，孔徑可以通過截面孔隙直徑的平均值來表示。由于目前的泡沫鋁的生產(chǎn)工藝還不成熟，對(duì)于孔徑對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能的影響，目前的研究報(bào)道尚無統(tǒng)一的結(jié)論。穆建春等65、曹曉卿等 66認(rèn)為孔徑對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能有顯著影響，泡沫鋁的泡孔孔徑越大，彈性模量越小，屈服強(qiáng)度越小。但同時(shí)穆建春認(rèn)為當(dāng)孔徑小于或等于1mm時(shí)，孔徑對(duì)材料屈服極限的影響不明顯。另外，Nieh

32、等 67研究了泡孔尺寸對(duì)泡沫鋁屈服強(qiáng)度、楊氏模量的影響，也認(rèn)為其影響很小。然而，還有部分研究人員認(rèn)為孔徑與開孔泡沫鋁的壓縮性能正相關(guān)，即隨孔徑的增大，泡沫鋁的壓縮性能提高，具體表現(xiàn)在屈服強(qiáng)度隨之增大。程和法等 68,69、黃建峰等 70、張斌等 71得到了類似結(jié)論。基于上述結(jié)果的不同，田杰等 72分析認(rèn)為泡沫鋁的材料特征直接決定著力學(xué)性能受到孔徑大小的具體影響，具有顯著影響的是韌性基體材料，影響不大的是脆性基體材料。泡沫鋁空隙率也會(huì)制約泡孔孔徑的實(shí)際影響情況，孔隙率越大，孔徑的影響就越明顯。2.4.2 不同孔徑球形通孔泡沫鋁力學(xué)穩(wěn)定性的分析為了考察孔徑對(duì)球形通孔泡沫鋁及其復(fù)合材料力學(xué)性能穩(wěn)定性

33、的影響，圖2-14圖2-19比較了三種不同孔徑球形通孔泡沫鋁及其復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能隨孔隙率變化結(jié)果?？梢钥闯?，孔徑78mm球形通孔泡沫鋁及其復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線基本符合既有研究中泡沫鋁隨孔隙率變化的結(jié)論，而本試驗(yàn)中孔徑56mm和910mm球形通孔泡沫鋁及其復(fù)合材料的壓縮曲線離散性較大，上述圖中圈示曲線存在明顯異常。產(chǎn)生此現(xiàn)象的可能原因是：現(xiàn)有球形通孔泡沫鋁的制備工藝對(duì)胞孔質(zhì)量的控制存在短板，制備出的試件差異較大(比如相同孔徑、相同尺寸的試件，其孔隙率差異明顯)，導(dǎo)致了壓縮試驗(yàn)結(jié)果的離散性?；谡n題組前期研究的積累，球形通孔泡沫鋁與泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的壓縮曲線對(duì)比的結(jié)果應(yīng)與圖2-11所示結(jié)果一致，即球形通孔泡沫鋁和泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的泡沫鋁基體孔隙率相同時(shí)，它們的壓縮曲線對(duì)比后的規(guī)律為：彈性階段近似吻合；在塑性平臺(tái)階段，相同應(yīng)變狀態(tài)下泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)力水平高于純泡沫鋁；進(jìn)入密實(shí)化階段后，隨著應(yīng)變的增加，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某個(gè)特殊值后，泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)力值會(huì)小于相同應(yīng)變狀態(tài)下純泡沫鋁的應(yīng)力。而孔徑56mm、78mm及910mm球形通孔泡沫鋁與泡沫鋁/聚氨酯復(fù)合材料的壓縮曲線對(duì)比都與上述結(jié)果一致，見圖2