空心球-Al微孔材料的壓縮變形行為和吸能性能研究.pdf

1、在交通運輸、機械設備、工程結構、兵器工業(yè)、航空航天等工業(yè)領域，在服役過程中構件往往承受動態(tài)沖擊載荷，此時需要沖擊吸能材料對內(nèi)容物進行保護。基于強沖擊載荷防護的應用背景，本文立足于之前的研究成果，設計制備了一種在動態(tài)沖擊載荷下具有高吸能能力的空心球/Al微孔材料，并對影響材料強度的因素進行了試驗研究。
　　本文選擇了不同粒徑的飛灰空心球作為增強體，以工業(yè)純鋁及6061鋁合金作為基體，采用壓力浸滲法制備一種高體積分數(shù)的空心球/Al微孔

2、復合材料。利用金相顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、材料萬能試驗機、分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)(SHPB)等分析手段，研究了空心球/Al微孔材料的微觀組織、靜態(tài)、動態(tài)壓縮力學性能以及該材料的吸能性能和防護作用，并探討了材料的變形機理及空心球粒徑對材料性能的影響。
　　首先對原始空心球的性能進行了表征，飛灰空心球的成分主要為 SiO2和Al2O3。TEM觀察表明，空心球/Al微孔材料的界面結合情況良好。

3、純鋁基體與飛灰空心球不發(fā)生界面反應，而6061鋁合金與空心球反應生成MgAl2O4和Si。
　　基于材料的光學金相照片與掃描電鏡照片，使用軟件ImageTool與ImageJ分析了材料的體積分數(shù)與分布均勻性。平均粒徑為70μm與200μm的飛灰空心球/Al微孔材料的體積分數(shù)分別為49.1％與49.8%，平均粒徑為120μm的飛灰空心球/Al微孔材料體積分數(shù)較低，為45.4%，這與飛灰空心球的空間堆垛方式有關。三種飛灰粒徑的復合材料

4、中，飛灰空心球分布比較均勻，無明顯偏聚。
　　空心球/Al微孔材料在受到準靜態(tài)載荷壓縮時，應力-應變曲線表現(xiàn)出多孔材料典型的“三階段”特征。70μm、120μm、200μm三種粒徑的空心球/Al微孔材料的峰值應力分別為84.8MPa、73.4MPa、48.7MPa，呈現(xiàn)出粒徑越小強度越高的趨勢，這個規(guī)律與顆粒增強金屬基復合材料一致。當動態(tài)壓縮時，空心球/Al微孔材料的峰值應力明顯增加，分別為124.7MPa、119.8MPa、59

5、.4MPa，表現(xiàn)出了明顯的應變率效應。但是，應變率效應與空心球/Al微孔材料內(nèi)空心球粒徑及壓縮過程中應變率的大小無關。
　　通過掃描電鏡下的原位壓縮試驗觀察了空心球/Al微孔材料的準靜態(tài)壓縮過程，空心球發(fā)生了明顯的損傷、破碎、變形，空心球/Al微孔材料中出現(xiàn)明顯的“破碎帶”，隨著“破碎帶”的逐層拓展，材料被壓潰。通過ImageJ軟件計算了壓縮過程中空心球的圓度，隨著壓縮的進行空心球的圓度逐漸減小，說明空心球由圓形逐漸被壓縮成橢圓。

6、仿照閉孔泡沫鋁的單胞模型建立了空心球/Al微孔材料的單胞模型，對模型的受力分析顯示材料的屈服強度和彈性模量與粒徑成倒數(shù)關系，得到了材料壓縮強度和模量的預測公式。
　　空心球/Al微孔材料的微觀變形方式主要與基體的變形能力有關，與空心球無關?；w的變形能力強，壓縮時空心球隨著基體共同變形，空心球逐層破碎；基體的變形能力差時，空心球的赤道處優(yōu)先變形、開裂，空心球迅速坍塌。
　　空心球/Al微孔材料具有優(yōu)異的吸能能力，適合應用于沖

7、擊防護的場合，本文制備了一種含空心球/Al微孔材料夾層的“三明治”疊層結構。通過對疊層結構進行的動態(tài)壓縮測試，顯示含有空心球/Al微孔材料的疊層結構能明顯地阻礙應力波的傳播。阻礙應力波的傳播主要來源于疊層結構中的空心球/Al微孔材料，并且與空心球/Al微孔材料的基體性能密切相關。對疊層結構動態(tài)壓縮過程進行有限元模擬，在動態(tài)壓縮過程中，空心球/Al微孔材料發(fā)生了大量變形，且承受了大部分應力。絕大多數(shù)應力波被反射回入射桿，透射桿幾乎不發(fā)生位