泡沫铝的压缩变形行为与力学性能的分析

《泡沫铝的压缩变形行为与力学性能的分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第一章绪论第一章绪论1．1引言现代工艺技术的发展，使得泡沫金属的制备技术日趋完善，制造成本不断降低。以泡沫铝为代表的泡沫金属是近年来发展较快的一种新型功能结构材料。作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特点；作为功能材料，它具有减震、吸收冲击能、耐高温、隔声、吸声【11、隔热、不燃烧、抗腐蚀、电磁屏蔽等物理性能【2-61。最主要的是它可以将低密度、高刚度、冲击吸能性、低热导性、低磁导率和良好的阻尼性综合在一起【_71。在需要综合利用这些性能的领域内，泡沫金属有着广泛的应用前景[8-91o泡沫铝按照基体材料的不同，可将其分为泡沫纯铝和泡沫铝合金两类。由于泡

2、沫铝合金同时具有纯铝和其它合金元素的性能，与泡沫纯铝相比其强度和吸能能力通常得到了提高。常见的泡沫铝合金有泡沫铝硅合金、铝镁合金和铝铜合金。按照孔结构的不同，可将泡沫铝分成开孔和闭孔两种llo】。泡沫铝具有较高的压缩强度，同时具有较长的平台应力。压缩过程中的大量能量在近似恒定的应力下被吸收【111，从而使得泡沫铝具有很强的吸能能力。关于泡沫铝吸能性能的研究文献很多。Pkarash等人【12】认为泡沫铝的能量吸收能力不仅与基体材料的弹塑性有关，还与其它一些耗散过程有关，如破碎的孔壁之间的摩擦。Beals等【l3】通过对密度不均匀的Alcna泡沫材料的测试

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。在传统的管式吸能装置中，采用泡沫铝作为填充物可以提高结构的刚度和吸能能力，从而改进缓冲吸能装置的性能。国外许多文献都报道了由泡沫铝充当芯材的夹心式组合结构的静动态压缩力学行为的实验研究，国内该方面的文献比较少。泡沫铝的制备方法、工艺的不同导致了其细观胞体形貌结构(开孔和闭孔、孔尺寸、孔形状、孔隙度等)上的差异，而制备工艺、基体材料性质和泡沫材料特有的胞体结构等多种因素交织在一起共同决定着胞孔的变形形式，进而决定了宏观力学性能。Gibson和Ashby[10】等人自1980年以来，比较系统地研

4、究了多种多孔材料，提出用立方体结构模型来模拟开孔和闭孔泡沫材料的力学行为，并讨论了影响泡沫材料刚度和强度的一些因素。Bait．Smith和Bastawros【14】使用X射线CT和表面应变云图来研究闭孔泡沫铝的压缩变形机制，指出变形在胞体直径宽度的窄带内存在局部化，而在变形带的外面材料则保持为弹性。目前，对于泡沫铝的细观结构及其压缩破坏泡沫铝的压缩变形行为及力学性能的研究形式，国内的研究较少。1．1．1泡沫铝的应用1．1．1．1环保吸声方面的应用泡沫铝因其特殊的内部结构而具有良好的吸声性能，起到了吸声和隔音的效果，并且具有无污染、无毒性、可回收等优点，

5、因而被人们看作是一种新型的环保吸声材料。国外已经将泡沫铝用来制作国际观光列车空调发电机室的隔音墙，并取得了良好效果。泡沫铝还被用作咖啡厅、西餐厅、办公室等防止噪音的内装置材料。另外高速公路的隔音墙也用到了泡沫铝，这种隔音墙不仅比过去的隔音墙单位面积重量减轻70％，而且在距桥40m处测得的噪音声压级不N20分贝【15】。在国内，吉林工业大学和上海众汇泡沫铝材有限公司联合开发的新型泡沫铝吸声板已投入使用。在工厂泡沫铝可作为齿轮箱体材料来减小机床主轴箱的噪声，以实现对噪声的传播途径进行控制1161。1．1．1．2汽车材料的应用作为轻质和能量吸收材料，泡沫铝被

6、认为是一种大有前途的应用于未来汽车与其它交通运输工具的优良材料。欧洲经济共同体实行的光明欧洲计划就是研究泡沫铝在汽车上的应用。车身自重减少1千克，汽车燃油效率就可以提高0．01km／L。目前国外已有全铝汽车出现，与铝相比泡沫铝具有更轻量化的特点，可以更好地提高燃油效率。国外研究表明，采用泡沫铝构件，汽车构架的刚度得到加强。在汽车制造中约有20％的车身结构可采用泡沫铝制造，一辆中型轿车用AFS(AluminumFoamSandwich)制造零件可以减重27．2千克左右，同时使结构系统简化，零部件数量至少可减少1／3，减低了汽车成本【l71。各国的汽车制造

7、厂家都致力于探索降低单位油耗，减少环保负担，增加汽车舒适感等。德国的Fraunhofer应用材料研究所在粉末冶金法制备泡沫铝方面进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，已能够制备出三明治式复合泡沫铝材用于轿车的顶盖板，并对其性能进行了研究【181。德国卡曼汽车公司与夫雷弗研究所合作用三明治复合泡沫铝材制备的吉雅轻便轿车(Ghiaroadstar)顶盖板，其刚度比原来的钢构件大7倍左右，而其质量却比刚件／J、25％[191，另外还有很高的吸收冲击能与声能的效果【20】。用三明治式泡沫铝制造的某些汽车零件的质量，只有原钢件质量的1

8、／2，而其刚度却为钢件的10倍，保温绝热性能比铝高95％，对频率大于800Hz的噪声有很强的消