高分子填充泡沫铝合金的压缩力学行为.pdf

第5 9 卷第4 期 2 007 年11 月 有色金属 N 0 ．一1 f e z T o u M e a l s V 0 1 ．5 9 ．N O ．4 N o v e m b e r2007 商分子填充泡沫铝合金的压缩力学行为 许玲1 ，黄笑梅2 ，张章2 ，胡孔刚2 ，程和法2 ，， 1 ．安徽工程科技学院，安徽芜湖2 4 1 0 0 0 ；2 ．合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥2 3 0 0 0 9 摘要用加压渗流法制备开孔泡沫铝及泡沫Z L l 0 2 。通过向其中填充硅橡胶的方法制备填充硅橡胶泡沫铝合金，并进行准 静态和动态压缩实验，研究填充硅橡胶对泡沫铝合金压缩力学行为的影窟。结果表明，在静态压缩条件下，填充硅橡胶使塑性泡 沫纯铝压缩交形的塑性平台区大幅度延长．因而能有效地改善其吸能性。而对于脆性的泡沫Z L l 0 2 合金，填充硅橡胶反而使其失 去泡沫金属所特有的变形特征．丽呈现出致密材料的特征。在动态压缩条件下，填充硅橡胶能更有效地改善脆性泡沫铝的吸能 性．使其应力一应交的平台区延长、且更加平缓。 关键词金属材料；泡沫铝合金；压缩力学性能；硅橡胶 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T B 3 8 3 ；T G1 1 3 ．2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 4 0 0 1 6 0 4 ’泡沫铝是一种新型的多孔轻质结构材料，具有 良好的力学性能和优异的吸能性u 。】。由于在轻 质结构材料和吸能材料上的重要的应用前景，泡沫 铝的力学性能一直是力学与材料科学研究者所关注 的热点课题之一。随着对泡沫铝材料研究的不断深 入，正在寻求进一步改善和提高泡沫铝性能的方法 和途径，如通过对基体材料的合金化，对泡孔结构的 优化等。近来的研究表明，通过改变泡沫铝的孔隙 中所含介质的性能可以显著影响其力学行为和阻尼 性能，如填充硅橡胶后，泡沫铝的变形和损伤的形 式、吸能特性及力学性能均发生较大的改变【5J 。在 一定程度上可以将泡沫铝看作是一种铝或铝合金与 空气的复合材料[ 6 - 8 】，而目前，在研究泡沫铝的力 学行为时主要涉及的是泡沫铝及合金骨架力学性 质、孔结构、孔隙率等因素对宏观力学行为的影响规 律，而对于在孔洞中充满其他介质，例如高分子材料 等，其对泡沫铝力学行为的影响规律研究的报道还 很少。因此通过向不同性质基体泡沫铝孔隙中填充 硅橡胶材料，并对其进行准静态和动态压缩实验，以 研究填充物对不同性质基体泡沫铝的压缩力学行为 的影响规律。 1实验方法 1 ．1泡沫铝合金的制备及高分子物的填充 收稿日期2 0 0 6 0 2 2 8 基金项目安徽省教育厅自然科学研究项目 2 0 0 4 k j 0 5 2 作者简介许玲 1 9 6 4 一 ，女，江苏句容县人，副教授，硕士，主要从 事复合材料等方面的研究。 为了能够填充高分子材料，泡沫铝合金必须具 有三维连通的开孔结构，试验中采用可溶性粒子加 压渗流法制备，具体的工艺原理及方法见文献[ 9 ] 。 分别采用工业纯铝和z L l 0 2 ～S i l 2 合金为原材料， 制备了两种不同力学性质的开孔泡沫铝，即塑性的 和脆性基体的泡沫铝，所制备的开孔泡沫铝如图1 a 所示，泡沫铝的平均孔径为1 ．8 r a m 。用于静态 压缩的试样尺寸为≯3 5X2 0 m m ，动态压缩的试样尺 寸为庐3 5X2 5 r a m ，首先用线切割加工的方法切取相 同尺寸的泡沫铝，采用称重和测量体积的方法计算 试样的密度，泡沫纯铝和泡沫Z L l 0 2 合金的平均密 度分别为1 ．1 6 1 9 ／c m 3 和0 ．9 8 2 9 ／c m 3 ，对应的相对 密度分别为0 ．4 3 0 和0 ．3 8 5 。将已与固化剂混合均 匀的液态硅橡胶在压力下填充到切好的泡沫铝试样 中，然后加热使其固化，所制备的填充硅橡胶泡沫铝 如图1 b 所示。在这种材料中，铝相和硅橡胶各自 均为三维网状连续相，两相在空间上相互穿插，若将 其中的任何一相去除，便得到另外一相的泡沫材料， 如泡沫铝或泡沫硅橡胶。 1 ．2 准静态压缩试验 对制备的各种填充硅橡胶泡沫铝的准静态压缩 试验在M T S 8 1 0 型材料实验机上进行，控制压头的 位移速度0 ．0 2 m m ／s ，试样的应变由压头的位移量通 过计算得到，因此试样的平均应变速率为1 0 - 3 s 一。 加载量和压缩位移通过传感器输入到计算机中，对 采集的数据进行处理，便可得到泡沫铝合金的压缩 应力一应变 0 “ - I 曲线。 1 ．3 动态压缩实验 填充硅橡胶泡沫铝试样的动态压缩实验是在分 万方数据 第4 期许玲等高分子填充泡沫铝合金的压缩力学行为1 7 a 一泡沫铝； b 一填充硅橡胶的泡沫铝 图1泡沫铝和填充硅橡胶的泡沫铝试样 F i g ．1 A l u m i n u mf o a ma n da l u m i n u mf o a mf i l l e d w i t hs i l i c a t er u b b e rs a m p l e s 离式H o p k i n s o n 压杆 简称S H P B 试验装置上进行， S H P B 装置原理见文献[ 1 0 ] 。动态压缩实验的应变 率为2 1 0 0 s ～。 静态压缩实验和动态压缩实验中，每种填充硅 橡胶泡沫铝都采用了3 个试样，以求得其平均的压 缩应力．应变 d e 曲线。 2 试验结果及分析 2 ．1 填充硅橡胶对不同性质泡沫铝的压缩应力．应 变的影响 图2 和图3 分别是泡沫纯铝和泡沫Z L l 0 2 合 金及其填充硅橡胶后的压缩应力一应变曲线。比较 不含填充物的泡沫纯铝和泡沫铝硅合金的压缩应力 一应变曲线可以看到，由于纯铝和Z L l 0 2 合金力学性 质的差异，相应的泡沫表现出显著不同的应力．应变 行为和力学性能。泡沫纯铝显示出典型的塑性泡沫 材料的三阶段应力应变特征，即弹性段、塑性平台段 和应力急剧上升的致密化段，由于工业纯铝本身的 力学性能较低，相应的，泡沫纯铝的屈服强度和流动 应力也比较低。而铝硅合金本身的强度高于工业纯 铝而塑性却低得多，因此，其泡沫的强度和流动应力 也显著高于泡沫纯铝，但应力．应变行为却表现出明 显的脆性泡沫的特征，没有致密化过程。 从图2 和图3 中的曲线可以看出，填充硅橡胶 后对两种不同性质基体泡沫铝的压缩应力．应变行 为产生非常显著的影响，泡沫纯铝在填充硅橡胶后， 在流动应力略有升高的条件下，使得平台段大幅度 延长，并且没有致密化阶段。这种在低应力水平下 产生大的塑性变形的行为显示出优异的吸能特性， 因此，对于这种塑性较高的泡沫铝，填充硅橡胶能有 效地改善其吸能性。然而，与前者显著不同的是，脆 性特征的泡沫铝硅合金在填充硅橡胶后，平台段不 仅没有被延长，反而消失，失去了泡沫材料特有的压 缩变形特征，即较长的平台段，其压缩应力一应变行 为类似于致密材料，在应力上升到最高点后，由于试 样的破坏，应力迅速下降。可见对于脆性的泡沫铝 合金填充硅橡胶后在静态压缩载荷作用下，没有表 现出在较低的应力下能产生大量塑性变形的泡沫材 料的压缩变形特征，这种压缩应力一应变响应特征说 明填充硅橡胶不仅不能改善脆性泡沫铝合金的吸能 性，反而使其失去了原有的在较恒定应力下大变形 的吸能特性。 图2 填充硅橡胶的泡沫纯铝静态压缩 应力．应变曲线 F i g ．2Q u a s i s t a t i cc o m p r e s s i v es t r e s s - s t r a i no fp u r e a l u m i n u mf o a m 矧J e dw i t hs i l i c a t er u b b e r 图3 填充硅橡胶的泡沫合金静态压缩 应力．应变曲线 F i g ．3Q u a s i s t a t i cc o m p r e s s i v es t r e s s - s t r a i no fa l u m i n u m a l l o yf o a mf i l l e dw i t hs i l i c a t er u b b e r 2 ．2 填充硅橡胶对不同性质泡沫铝的压缩变形过 程的影响 从对填充硅橡胶的两种性质的泡沫铝试样的压 缩过程的观察中发现，泡沫纯铝填充硅橡胶后，仍然 具有良好的塑性，当压缩应力超过一定值 即屈服强 度 后，试样在流动应力上升幅度很小的条件下，整 个高度上产生比较均匀的塑性变形。此时的试样与 爵厶_∈器an三一ul宣。盎 矗厶_苣研{；皇佛IE一暑c口 万方数据 1 8 有色金属 第5 9 卷 不含填充物的泡沫铝相比，由于硅橡胶的不可压缩 性，致使泡沫铝中不能产生孔洞的坍塌和致密化，因 此，径向尺寸逐渐增大，直至试样轴向压缩至很小的 尺寸，也不出现明显的开裂现象，但从试样的表面可 以观察到，泡沫铝中原有的铝骨架绝大部分已断裂， 只是因为与硅橡胶的交织作用，试样才未出现大的 裂纹和破坏，如图4 a 所示。而填充硅橡胶的泡沫 Z L l 0 2 合金试样却表现出显著不同的压缩特征和行 为，当压缩应力超过其屈服强度，首先在试样的顶部 产生了裂纹，随应力的上升，裂纹迅速向下扩展，同 时压缩载荷下降，继续压缩时，裂纹很快扩展到试样 的下表面，即试样完全破坏。从裂纹的走向可以看 出基本上与压缩方向成4 5 。角，而且，压缩破坏后， 试样的高度方向的变形量很小，变形后的试样如图 4 b 所示。这种宏观的变形特征与所记录的应力． 应变向应是完全一致的，可见对于脆性的泡沫铝合 金填充硅橡胶后，出现类似于致密脆性材料的压缩 特征。 a 一泡沫纯铝； b 一泡沫铝合金 图4 压缩变形后的填充硅橡胶泡沫铝 F i g ．4A l u m i n u mf o a mf i l l e dw i t hs i l i c a t er u b b e r 2 ．3 填充硅橡胶对不同性质泡沫铝的动态压缩应 力．应变的影响 通过动态压缩实验发现，填充硅橡胶对两种性 质泡沫的压缩应力．应变行也产生非常显著的影响。 图5 是不含填充物的不同性质基体泡沫铝的动态压 缩应力一应变曲线，均具有明显的三阶段变形的特 征，既弹性变形段、塑性平台段和致密化段，由于铝 硅合金本身的强度高于工业纯铝，因此动态压缩随 线上相应的流动应力也比泡沫纯铝的高。 图6 是填充硅橡胶的不同性质基体泡沫铝的动 态压缩应力一应变曲线。从图6 可以看出，填充硅橡 胶后泡沫纯铝的动态压缩曲线上只由两个阶段组 成，既弹性变形段和塑性平台段。在塑性段，随着应 变的增加，流动应力近似线性地快速上升。填充硅 橡胶的泡沫合金的动态压缩曲线却表现出了典型的 图5 泡沫铝和泡沫铝合金的动态压缩 应力．应变曲线 F i g ．5D y n a m i cc o m p r e s s i v es t r e s s - s t r a i nc u r v e so fp u r e a l u m i n u mf o a ma n da l u m i n u ma U o yf o a m 图6 填充硅橡胶泡沫纯铝和泡沫合金的动态 压缩应力．应变曲线 F i g ．6D y n a m i cc o m p r e s s i v es t r e s s - s t r a i nc u r v e so fp u r e a l u m i n u mf o a mf i l l e dw i t hs i l i c a t er u b b e ra n d a l u m i n u ma l l o yf o a mf i l l e dw i t hs i l i c a t er u b b e r 泡沫材料的压缩变形特点在应变率小于3 ％时应 力随应变线形增加，接着随着应变率的增大，在压缩 曲线上出现了应力随应变的增加在一个很小的范围 内波动的类似于塑性平台的阶段，最后在应变率超 过4 0 ％以后，应力又随着应变线性增加，比较缓慢 地上升。比较图5 和图6 可以看出，填充硅橡胶的 泡沫铝和泡沫铝合金的动态压缩曲线上没有出现明 显的致密化阶段，曲线上的塑性段大幅度延伸，因此 填充硅橡皎能改善泡沫铝和泡沫铝合金的吸能性， 尤其是对于脆性泡沫铝合金，填充硅橡胶使其动态 压缩曲线的塑性段不仅大幅度的延伸而且变得更加 平缓，这种较低应力水平下产生大的塑性变形的动 态压缩应力一应变响应特征反映出更好的吸能特性， 因此在动态压缩下填充硅橡胶能更有效的改善其脆 性泡沫铝合金吸能性。另外在动态压缩条件下，填 充硅橡胶的泡沫铝的压缩曲线上均出现了明显的波 厶，s矾墨二兽一巨oo 万方数据 第4 期许玲等高分子填充泡沫铝合金的压缩力学行为1 9 动现象，表现出类似闭孔泡沫材料的锯齿状的特 征[ 1 1 】，这可能是由于压缩过程中孔壁发生断裂，硅 橡胶中承受的压力不断的释放造成的，同时泡沫孔 层坍塌的不同时性也可能导致了应力一应变曲线出 现明显的波动现象。 3 结论 在准静态压缩条件下，不同性质的开孔泡沫纯 铝和泡沫铝一硅合金，填充硅橡胶后，应力．应变行为 与变性特征产生了显著不同的改变。对于泡沫纯 参考文献 铝，应力应变曲线上，应力随应变的增加变化不大而 其塑性段大幅度延长，没有出现致密化段，吸能大幅 度提高。而对于脆性泡沫铝填充硅橡胶反而使其失 去泡沫金属所特有的变形特征，而呈现出致密材料 的特征。 在高应变率压缩条件下，填充硅橡胶均能有效 地改善泡沫铝和泡沫铝的吸能性，尤其是对于脆性 泡沫铝合金，其应力一应变曲线的塑性段大幅度的延 伸而且变得更加平缓，因此填充硅橡胶能更有效的 改善脆性泡沫铝合金的吸能性。 [ 1 ] C h e n gH e f a ，H u a n gX i a o m e i ，X u eG u o x i a n ，e ta 1 ．S h o c kw a v ec o m p r e s s i o nb e h a v i o ro fa l u m i n u mf o a m [ J ] ．J o u r n a lo fC e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，1 0 4 3 3 3 3 3 7 ． [ 2 ] 程和法，黄笑梅，许玲．泡沫铝镁合金的压缩与吸能性的研究[ J ] ．兵器材料科学与工程，2 0 0 2 ，2 5 6 1 2 一1 4 ． [ 3 ] 王斌，何得坪，舒光冀．泡沫～合金的压缩性能及能量吸收[ J ] ．金属学报，2 0 0 0 ，3 6 1 0 1 0 3 7 1 0 4 0 ． [ 4 ] 程和法，黄笑梅，许玲．开孔泡沫铝的压缩与吸能性的研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 3 ，2 3 1 7 0 7 2 ． [ 5 ] 程和法，黄笑梅，李剑荣．铝催橡胶复合材料动态压缩行为的研究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 4 ，2 4 1 4 4 4 8 ． [ 6 ] C l a r kD R ．I n t e r p e n e t r a t i n gp h a s ec o m p o s i t e s [ J ] ．J o u r n a lo ft h eA m e r i c a nC e r a m i cS o c i e t y ，1 9 9 2 ，7 5 4 7 3 9 7 5 9 ． [ 7 ] W e g n e rLD ，G i b s o nLJ ．T h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fi n t e r p e n e t r a t i n gp h a s ec o m p o s i t e s - I m o d e l i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fM e c h a n i c a lS c i e n c e s ，2 0 0 0 ，4 2 5 9 2 5 9 4 2 ． [ 8 ] L i uW ，K 6 s t e rU ．C r i t e r i af o rf o r m a t i o no fi n t e r p e n e t r a t i n go x i d e ／m e t a l - c o m p o s i t e sb yi m m e r s i n gs a c r i f i c i a lo x i d ep e r f o r m si n t o o l t e nm e t a l s [ J ] ．S c r i p t aM a t e r i a l i a ，1 9 9 6 ，3 5 1 3 5 4 0 ． [ 9 ] 程和法，黄笑梅，陈国宏．渗流法制备泡沫铝工艺的研究[ J ] ．轻合金加工技术，2 0 0 1 ，2 9 1 3 8 ．一4 0 ． ‘[ 1 0 ] 刘剑飞，王正道，胡时胜．低阻抗多孔介质材料的S H P B 实验技术[ J ] ．实验力学，1 9 9 8 ，1 3 2 2 1 8 2 2 3 ． [ 1 1 ] M u k a iT ，K a n a h a s h iH ，M i y o s h iT ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo fe n e r g ya b s o r p t i o ni nac l o s e d c e l la l u m i n u mf o a mu n d e rd y - n a m i cl o a d i n g [ J ] ．S c r i p aM a t e r i a l i a ，1 9 9 9 ，4 0 8 9 2 1 9 2 7 ． C o m p r e s s i v eM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fA IA l l o yF o a m sw i t hP o l y m e rF i l l e r X UL i n 9 1 ，H u a n gX i a o - m e i 2 ，Z h a n gZ h a n 9 2 ，F l uK o n g - g a n 9 2 ，C h e n gH e y a 2 1 ．A n h u iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g ya n dS c i e n c e ，W 讪“2 4 1 0 0 0 ，A n h u i ，C h i n a ； 2 ．H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H e f e i2 3 0 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t A 1f o a ma n dA 1a l l o y A 1 S i l 2 f o a ma r em a d eb ya ni n f i l t r a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ef o a mf i l l e dw i t hs i l i c a t er u b b e ta r ef a b r i c a t e dt h r o u g hi n f i l t r a t i n gt h es i l i c a t er u b b e ri n t ot h ef o a m s ，a n dt h ee f f e c t so ff i l l i n gw i t hs i l i c a t e r u b b e ro nt h ec o m p r e s s i v em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h ef o a m sa r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so ft h eq u a s i s t a t i ca n dd y - n a m i cc o m p r e s s i v et e s t s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a s t i cr e g i o no ft h ep l a s t i cf o a mi sl a r g e l yp r o l o n g e db yf i l l i n gw i t hs i l i c a t er u b b e ru n d e rt h eq u a s i s t a t i cc o m p r e s s i v ec o n d i t i o n ，t h e r e f o r et h ee n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t yo f t h ef o a m si Sw e l li m p r o v e d ．H o w e v e r 。b r i t t l ef o a mf i l l e dw i t hs i l i c a t er u b b e rl o s e si t sd e f o r m a t i o nc h a r a c t e ro f m e t a lf o a ma n de x h i b i t st h ec h a r a c t e ro fd e n s em a t e r i a lu n d e rt h eq u a s i - s t a t i cc o m p r e s s i v ec o n d i t i o n ．U n d e rt h e d y n a m i cc o m p r e s s i v ec o n d i t i o n ，t h ep r o p e r t yo fa b s o r p t i o ne n e r g yo fb r i t t l ef o a mi si m p r o v e db yf i l l i n gw i t hs i l i c a r er u b b e r ，t h ep l a s t i cr e g i o no ft h es t r e s s - s t r a i nc u r v ei se x t e n d e da n dg e n t l e r ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；f o a m e da l u m i n u ma l l o y ；c o m p r e s s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t y ；s i l i c a t er u b b e r 万方数据