徐 平，楊 昆，于英華

（遼寧工程技術(shù)大學機械工程學院，阜新123000）

0 引 言

泡沫金屬具有優(yōu)良的物理和力學性能，如輕質(zhì)、耐熱性好、抗沖擊、高比強度、減振、吸聲等，近年來受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注［1－3］。其要作為結(jié)構(gòu)材料，通常要與傳統(tǒng)的金屬材料復合使用，這樣才能實現(xiàn)在一定載荷下的最佳力學性能；另外，將泡沫金屬“隱藏”在封閉、致密的構(gòu)件內(nèi)，還可以起到一定的防腐蝕和保護作用［4］。由泡沫鋁芯材與金屬面板構(gòu)成的夾芯結(jié)構(gòu)材料具有輕質(zhì)和高比強度、比剛度以及良好的減震性等優(yōu)點，在航空、航天、汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［5－6］。

泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)材料的傳統(tǒng)制備方法主要包括兩大類，一類是先采用金屬熔體發(fā)泡法、粉末冶金法等方法獲得泡沫金屬，再將其與金屬型材通過不同的連接方法進行連接；另一類是先通過一定的方法制備泡沫鋁夾芯板預制坯，然后將其加熱進行發(fā)泡，最后冷卻制成泡沫鋁夾芯板［7］。這些傳統(tǒng)方法得到的材料一般適于制備結(jié)構(gòu)不太復雜的構(gòu)件，對于結(jié)構(gòu)比較復雜的異形件來說，就很難得到令人滿意的結(jié)果，而且傳統(tǒng)泡沫鋁異形件的生產(chǎn)過程，需要綜合考慮泡沫金屬泡孔的膨脹與模具內(nèi)部復雜的熱傳遞過程。一旦確定了工藝流程，該工藝流程應(yīng)該是生產(chǎn)具有相同幾何形狀的泡沫鋁部件最經(jīng)濟的方式。然而，中小型零件的發(fā)泡模具成本很高，零件幾何形狀的任何變化都需要對發(fā)泡模具和發(fā)泡工藝進行改變，從而使零件的加工成本提高。

文獻［8］將泡沫鋁單元形態(tài)可以得到很好控制的先進孔形態(tài)（APM）泡沫鋁單元直接加入到夾層結(jié)構(gòu)空腔中，然后加熱使其融合成為整體，制備出了具有復雜形狀的APM泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)材料，如圖1所示。該夾層結(jié)構(gòu)材料的孔隙率主要取決于所用APM泡沫鋁單元的外形和制備工藝，而采用合適的填充工藝就可以制備出具有不同孔隙率的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)材料。為給國內(nèi)相關(guān)研究人員提供參考，作者以APM泡沫鋁單元為芯體材料，以方形鋁管為面板材料制備了復合方管，然后對APM泡沫鋁單元和APM泡沫鋁單元填充方管進行準靜態(tài)壓縮試驗，并與傳統(tǒng)泡沫鋁及其填充方管進行了性能比較，研究了APM泡沫鋁單元填充方管的縱向準靜態(tài)壓縮變形模式。

圖1 APM泡沫鋁單元及其填充結(jié)構(gòu)Fig.1 APM aluminum foam units and its filling structure

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用原料有ZL102鋁合金粉體（平均粒徑小于80μm）、TiH2發(fā)泡劑、熱塑性粘結(jié)劑聚酰胺12（室溫下無粘性）、方形鋁管（材料為AA6063T5，截面外尺寸為25mm，壁厚為0.8mm，高為60mm，兩個端面打磨平整）等。

以ZL102鋁合金粉體為APM泡沫鋁單元的基體材料，首先將其與TiH2發(fā)泡劑按質(zhì)量比為1∶0.6%的比例充分混合均勻，在300MPa壓力下將粉體壓制成尺寸為5mm×5mm×10mm的長方體發(fā)泡預制顆粒；然后直接將其放入加熱爐中進行恒溫加熱，加熱溫度為400℃，發(fā)泡時間為20min，待其充分發(fā)泡完全后降溫至100℃，在其表面涂刷聚酰胺12，冷卻后即可得到APM泡沫鋁單元，其平均直徑約為10mm，相對密度為0.16，平均孔徑為2mm。然后將這些涂有粘接劑的泡沫鋁單元直接倒入到方形鋁管中，并將其放入加熱爐中在100℃恒溫下進行低溫加熱，加熱時間為2h，以使泡沫鋁單元表面的粘接劑熔化并產(chǎn)生粘性。相鄰的泡沫鋁單元相互結(jié)合，同時與周圍相接觸的結(jié)構(gòu)也融合在一起（在常溫條件下，適宜厚度的粘接劑涂層不會對填充方管的性能產(chǎn)生太大影響）。

以傳統(tǒng)泡沫鋁（由沈陽東大先進材料發(fā)展有限公司采用熔體發(fā)泡法生產(chǎn)，其基體材料為ZL102鋁合金，平均孔徑為2～3mm，相對密度為0.22，尺寸為20mm×20mm×30mm）為對比試樣，研究APM泡沫鋁單元與傳統(tǒng)泡沫鋁壓縮性能的差別。

1.2 試驗方法

采用SANS－CMT5205型微機控制電子萬能試驗機進行準靜態(tài)單軸壓縮試驗，該試驗機采用微機控制全試驗過程，實時動態(tài)顯示載荷值、位移值、試驗加載速度和試驗曲線，自動記錄加載量－位移曲線。試驗過程中沒有特殊的固定裝置（如夾具），試樣放置于剛性平臺中部，試驗機壓頭直接對方管端面進行加載。試驗采用位移加載方式，加載速率為0.1mm·s－1（即應(yīng)變速率為10－2s－1），當壓頭下壓量為36mm（此時總應(yīng)變?yōu)?.6）或試樣發(fā)生破壞時停止加載。在試驗過程中實時觀察試樣的變形狀況和載荷－位移曲線的變化，將測得的數(shù)據(jù)整理后可得到試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。此外，對空方管進行準靜態(tài)壓縮試驗，試驗條件同上，并得到其應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 APM泡沫鋁單元的宏觀形貌

圖2為長方體發(fā)泡預制顆粒膨脹成球狀泡沫鋁單元的成形過程，體積微小的長方體預制體顆粒由于表面張力的作用，使其發(fā)泡完成后形成球狀的泡沫鋁單元；同時，由于重力的作用，其形狀并不是完美的球形，而是橢球形。與傳統(tǒng)泡沫鋁預制體在模具中的發(fā)泡過程相比，試驗中加熱爐直接對先驅(qū)體顆粒進行加熱，未通過模具進行熱傳遞。因此，整個發(fā)泡過程所需的時間縮短，并省去了加熱和冷卻模具的時間；而且預制體顆粒的加熱過程操作簡單，每一個泡沫鋁單元都具有相同的相對密度。

2.2 APM泡沫鋁單元的壓縮性能

圖2 長方體狀預制顆粒膨脹成橢球狀泡沫鋁單元的過程Fig.2 Expansion process of an elliptical foam aluminum unit from a cuboid prefabricated particle

圖3 單個APM泡沫鋁單元和傳統(tǒng)泡沫鋁試樣的準靜態(tài)壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Compressive stress vs strain for single APM aluminum foam unit and traditional aluminum foam samples

從圖3中可以看出，單個APM泡沫鋁單元的準靜態(tài)壓縮性能與傳統(tǒng)泡沫鋁試樣的基本一致，其準靜態(tài)壓縮變形過程分為彈性區(qū)、屈服平臺區(qū)和致密區(qū)［9］3個階段。在線彈性階段，即低壓縮應(yīng)變（小于15%）時，單個APM泡沫鋁單元從準彈性平滑過渡到塑性變形，并且應(yīng)力水平較低；隨著壓縮的進行，兩條壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線相交，之后又有分開的趨勢。

2.3 APM泡沫鋁單元填充方管的壓縮性能

為了比較APM泡沫鋁單元填充方管與傳統(tǒng)泡沫鋁填充方管的壓縮性能，利用文獻［10］中的試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。該文獻中采用壁厚均勻的AA6063T5方形鋁管作為面板材料，截面尺寸為25mm×25mm，壁厚為0.8mm，與本試驗中所用方形鋁管的尺寸一致；泡沫鋁夾芯材料采用熔體發(fā)泡法制備，孔隙率為0.26，平均孔徑為1～4mm，通過環(huán)氧樹脂與鋁管進行連接，其單軸縱向壓縮試驗結(jié)果如圖4所示［10］。

從圖4，5可以看出，APM泡沫鋁填充方管的壓縮載荷明顯高于APM泡沫鋁和方形空鋁管單獨承載時的壓縮載荷之和，圖中雙向箭頭部分表示兩者之間的差值，這表明在APM泡沫鋁單元和鋁方管之間有相互作用存在，這就是復合結(jié)構(gòu)的相互效應(yīng)。APM泡沫鋁填充方管的壓縮載荷可以看作由三部分組成，即：泡沫鋁單獨承載載荷、方形空鋁管單獨承載載荷以及泡沫鋁和鋁方管相互作用承載的載荷。正是由于APM泡沫鋁單元與鋁方管之間的相互作用，極大地提高了APM泡沫鋁單元填充方管的抗壓能力，從而使填充方管所能承受的壓縮載荷遠大于APM泡沫鋁單元和方形空鋁管分別承受的載荷之和。此效應(yīng)不只局限于APM泡沫鋁單元填充結(jié)構(gòu)，同樣也適于其它閉孔泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)。因此，APM泡沫鋁單元填充方管與傳統(tǒng)泡沫鋁填充方管的壓縮性能沒有太大的差別。

APM泡沫鋁單元對其填充方管的輪廓變形模式有影響，如圖6所示，方形空鋁管壓縮后有兩個褶皺，與其壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線的兩個極大值相對應(yīng)，而APM泡沫鋁單元填充后則抑制了方鋁管向內(nèi)彎折的趨勢，褶皺的長度減小，數(shù)量增加到三個。結(jié)合圖5可知，APM泡沫鋁單元填充方管的載荷水平相對于方形空鋁管有顯著提高，這說明APM泡沫鋁單元填充方管的吸能性得到了提高。

圖6 APM泡沫鋁單元填充方管和方形空鋁管單軸壓縮后的截面形貌Fig.6 Cross－section image of APM aluminum foam units filling square tube（a）and square empty aluminum tube（b）after single compression

3 結(jié) 論

（1）APM泡沫鋁單元與傳統(tǒng)泡沫鋁的壓縮性能差別不大，前者從準彈性階段到塑性變形階段的過渡平滑，并且應(yīng)力水平較低。

（2）APM泡沫鋁單元填充方管與傳統(tǒng)泡沫鋁填充方管的壓縮性能差別不大；由于APM泡沫鋁單元與方形空鋁管之間的相互作用，使APM泡沫鋁單元填充方管的壓縮載荷明顯高于APM泡沫鋁和方形空鋁管單獨承載的壓縮載荷之和。

（3）APM泡沫鋁單元填充方管的變形方式相對于方形空鋁管的變形方式發(fā)生了改變，褶皺長度減小、數(shù)量增多，應(yīng)力水平顯著提高。

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