泡沫鋁的壓縮變形行為與力學(xué)性能的分析

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1、第一章緒論第一章緒論1．1引言現(xiàn)代工藝技術(shù)的發(fā)展，使得泡沫金屬的制備技術(shù)日趨完善，制造成本不斷降低。以泡沫鋁為代表的泡沫金屬是近年來發(fā)展較快的一種新型功能結(jié)構(gòu)材料。作為結(jié)構(gòu)材料，它具有輕質(zhì)和高比強度的特點；作為功能材料，它具有減震、吸收沖擊能、耐高溫、隔聲、吸聲【11、隔熱、不燃燒、抗腐蝕、電磁屏蔽等物理性能【2-61。最主要的是它可以將低密度、高剛度、沖擊吸能性、低熱導(dǎo)性、低磁導(dǎo)率和良好的阻尼性綜合在一起【_71。在需要綜合利用這些性能的領(lǐng)域內(nèi)，泡沫金屬有著廣泛的應(yīng)用前景[8-91o泡沫鋁按照基體材料的不同，可將其分為泡沫純鋁和泡沫鋁合金兩類。由于泡

2、沫鋁合金同時具有純鋁和其它合金元素的性能，與泡沫純鋁相比其強度和吸能能力通常得到了提高。常見的泡沫鋁合金有泡沫鋁硅合金、鋁鎂合金和鋁銅合金。按照孔結(jié)構(gòu)的不同，可將泡沫鋁分成開孔和閉孔兩種llo】。泡沫鋁具有較高的壓縮強度，同時具有較長的平臺應(yīng)力。壓縮過程中的大量能量在近似恒定的應(yīng)力下被吸收【111，從而使得泡沫鋁具有很強的吸能能力。關(guān)于泡沫鋁吸能性能的研究文獻很多。Pkarash等人【12】認為泡沫鋁的能量吸收能力不僅與基體材料的彈塑性有關(guān)，還與其它一些耗散過程有關(guān)，如破碎的孔壁之間的摩擦。Beals等【l3】通過對密度不均勻的Alcna泡沫材料的測試

3、分析，指出密度梯度是削弱泡沫材料能量吸收能力和效率的重要原因。在傳統(tǒng)的管式吸能裝置中，采用泡沫鋁作為填充物可以提高結(jié)構(gòu)的剛度和吸能能力，從而改進緩沖吸能裝置的性能。國外許多文獻都報道了由泡沫鋁充當(dāng)芯材的夾心式組合結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)壓縮力學(xué)行為的實驗研究，國內(nèi)該方面的文獻比較少。泡沫鋁的制備方法、工藝的不同導(dǎo)致了其細觀胞體形貌結(jié)構(gòu)(開孔和閉孔、孔尺寸、孔形狀、孔隙度等)上的差異，而制備工藝、基體材料性質(zhì)和泡沫材料特有的胞體結(jié)構(gòu)等多種因素交織在一起共同決定著胞孔的變形形式，進而決定了宏觀力學(xué)性能。Gibson和Ashby[10】等人自1980年以來，比較系統(tǒng)地研

4、究了多種多孔材料，提出用立方體結(jié)構(gòu)模型來模擬開孔和閉孔泡沫材料的力學(xué)行為，并討論了影響泡沫材料剛度和強度的一些因素。Bait．Smith和Bastawros【14】使用X射線CT和表面應(yīng)變云圖來研究閉孔泡沫鋁的壓縮變形機制，指出變形在胞體直徑寬度的窄帶內(nèi)存在局部化，而在變形帶的外面材料則保持為彈性。目前，對于泡沫鋁的細觀結(jié)構(gòu)及其壓縮破壞泡沫鋁的壓縮變形行為及力學(xué)性能的研究形式，國內(nèi)的研究較少。1．1．1泡沫鋁的應(yīng)用1．1．1．1環(huán)保吸聲方面的應(yīng)用泡沫鋁因其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而具有良好的吸聲性能，起到了吸聲和隔音的效果，并且具有無污染、無毒性、可回收等優(yōu)點，

5、因而被人們看作是一種新型的環(huán)保吸聲材料。國外已經(jīng)將泡沫鋁用來制作國際觀光列車空調(diào)發(fā)電機室的隔音墻，并取得了良好效果。泡沫鋁還被用作咖啡廳、西餐廳、辦公室等防止噪音的內(nèi)裝置材料。另外高速公路的隔音墻也用到了泡沫鋁，這種隔音墻不僅比過去的隔音墻單位面積重量減輕70％，而且在距橋40m處測得的噪音聲壓級不N20分貝【15】。在國內(nèi)，吉林工業(yè)大學(xué)和上海眾匯泡沫鋁材有限公司聯(lián)合開發(fā)的新型泡沫鋁吸聲板已投入使用。在工廠泡沫鋁可作為齒輪箱體材料來減小機床主軸箱的噪聲，以實現(xiàn)對噪聲的傳播途徑進行控制1161。1．1．1．2汽車材料的應(yīng)用作為輕質(zhì)和能量吸收材料，泡沫鋁被

6、認為是一種大有前途的應(yīng)用于未來汽車與其它交通運輸工具的優(yōu)良材料。歐洲經(jīng)濟共同體實行的光明歐洲計劃就是研究泡沫鋁在汽車上的應(yīng)用。車身自重減少1千克，汽車燃油效率就可以提高0．01km／L。目前國外已有全鋁汽車出現(xiàn)，與鋁相比泡沫鋁具有更輕量化的特點，可以更好地提高燃油效率。國外研究表明，采用泡沫鋁構(gòu)件，汽車構(gòu)架的剛度得到加強。在汽車制造中約有20％的車身結(jié)構(gòu)可采用泡沫鋁制造，一輛中型轎車用AFS(AluminumFoamSandwich)制造零件可以減重27．2千克左右，同時使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡化，零部件數(shù)量至少可減少1／3，減低了汽車成本【l71。各國的汽車制造

7、廠家都致力于探索降低單位油耗，減少環(huán)保負擔(dān)，增加汽車舒適感等。德國的Fraunhofer應(yīng)用材料研究所在粉末冶金法制備泡沫鋁方面進行了深入的研究并取得了突破性的成就，可以加工成近成品尺寸的零件，已能夠制備出三明治式復(fù)合泡沫鋁材用于轎車的頂蓋板，并對其性能進行了研究【181。德國卡曼汽車公司與夫雷弗研究所合作用三明治復(fù)合泡沫鋁材制備的吉雅輕便轎車(Ghiaroadstar)頂蓋板，其剛度比原來的鋼構(gòu)件大7倍左右，而其質(zhì)量卻比剛件／J、25％[191，另外還有很高的吸收沖擊能與聲能的效果【20】。用三明治式泡沫鋁制造的某些汽車零件的質(zhì)量，只有原鋼件質(zhì)量的1

8、／2，而其剛度卻為鋼件的10倍，保溫絕熱性能比鋁高95％，對頻率大于800Hz的噪聲有很強的消