泡沫铝夹心板芯层泡沫结构的研究
致密度，为发泡过程创造了有利条件。轧制复合板适
宜的发泡温度为６１５～６２０℃，温度过高会导致芯层出
现大尺寸连通孔。发泡时间对熔融态泡沫体的凝固过
程有显著影响，时间过长会使泡沫层塌陷，发泡温度为
６２０℃时，经４～６ｍｉｎ发泡芯层可形成良好的泡沫结
构。
关键词：泡沫铝夹心板；轧制复合；粉末冶金发泡；致
密度；发泡温度；发泡时间
２８１－２８３．
［２］Ｓｅｅｌｉｇｅｒ Ｈ ｗ．［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ． ２００４，６（６）１４４８－４５１． ［３］ Ｈａｎｅ Ａ Ｍ。Ｆｌｅｃｋ Ｎ Ａ，Ａｓｈｂｙ Ｍ Ｆ．［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ．２０００，２（４）１２１９—２２２。 ［４］高洪吾．刘士魁，赵彦波，等．［Ｊ］．特种铸造及有色合金， ２００５（８）：４５７－４５９． ［５］梁晓军．朱勇刚，陈 锋，等．［Ｊ］．材料科学与工程学报， ２００５，２３（１）１７７—８０． ［６］梁晓军．朱勇刚，陈锋，等．［Ｊ］．江苏冶金，２００４。３２（１）ｔ
祖国胤等：泡沫铝夹心板芯层泡沫结构的研究
泡沫铝夹心板芯层泡沫结构的研究’
祖国胤，张敏，姚广春，李红斌
（东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳儿ｏ００４）
摘要：研究了采用轧制复合一粉末冶金发泡法制备
的泡沫铝夹心板的生产工艺，探讨了主要工艺条件对
芯层泡沫结构的影响，得到了优化的工艺参数。研究
结果表明：轧制复合工艺可以使芯层粉末达到很高的
连通孔，孔的破壁及塌到很大影响。
图２ 不同板／芯结合工艺下泡沫铝夹心板的实物照 片
Ｆｉｇ ２ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｏｆ ｄｉｆ－ ｆｅｒｅｎｔ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｆａｃｅ ｐｌａｔｅ／ｆｏａｍ
·基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００４３３Ｇ０６０）ｌ辽宁省博士启动基金资助项目（２００６１０１７）
收到初稿日期：２００６—１２－１３
收到修改稿日期：２００７－０３—１２
通讯作者：祖国胤
作者简介：祖国胤（１９７７一），男．黑龙江齐齐哈尔人，讲师，博士，博士后。师承姚广春教授，研究方向为泡沫夹心复合材料．
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｌａｙｅｒ，ａｎｄ ｏｐｔｉｍｕｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｆｉｎａｌｌｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ
ｔｈｅ ｒｏｎ—ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｐｏｗｄｅｒ ｔｉｇｈｔｅｒ ａｎｄ ｃａｎ ｇｅｔ ｔｈｅ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ．
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｆａｃｅ ｐｌａｔｅ／ｆｏａｍ ｃｏｒｅ 图２为图１所对应的复合板经发泡后得到的泡沫 铝夹心板的实物照片（发泡温度６２０℃），由此可直观 地对比分析芯层粉末致密度对泡沫结构的影响。
财
斟
２００７年第５期（３８）卷
后续实验中在复合前对ＴｉＨｚ粉末进行的均匀化热处
理使这一问题得到了明显改善，具体均匀化工艺为 ４００℃保温１ｈ。
３．２发泡温度对芯层泡沫结构的影响
发泡温度对泡沫铝夹心板芯层泡沫结构的影响主
要表现在ＴｉＨ：分解释放出的Ｈ：在体系中的分压，另
外温度条件对熔融状态下芯层粘度的影响也是不容忽
视的嘲。实验中发现，发泡温度低于６１０℃时芯层无
法完成有效的发泡，而当温度超过６１０℃后，不同发泡
温度下的夹心板芯层结构也存在很大差异。图３是轧
面板材料为工业纯铝Ｌ３，规格为长１００ｍｍ、宽 ５０ｍｍ、厚１．８５ｍｍ。工业纯铝Ｌ３的主要成分（质量分 数，％）为Ｓｉ≤Ｏ．３０、Ｆｅ≤ｏ．３０、Ｃｕ≤ｏ．１５、…，Ａｌ余量。
具体实验工艺为将Ａ１一ｓｉ—Ｃａ合金粉末与１％（质 量分数）的发泡剂ＴｉＨ。粉末混合，在球磨混料机上进 行６ｈ的混料。铝面板采用钢刷进行表面清理，以获得 具有均匀凹凸状态的复合表面。清理后的上、下面板 四周采用厚度为ｏ．００７ｍｍ的铝箔进行密封包覆，在密 封体后部预留出粉末注入孔，将混合均匀后的混合粉 末注入后进行完全密封，完成夹心结构轧制坯料的准 备。将坯料在Ｄ３００ｍｍ轧机上采用４０％～７０％的压 下率进行轧制复合，轧制速度为ｏ．１ｍ／ｓ。轧制后得到 的可发泡复合板放入７ｋＷ电阻炉中进行发泡，发泡温 度设定为６００～６３０℃，发泡时间为２～１０ｍｉｎ。
Ａｂｓｔｍｃｔ；Ａｕｔｈｏｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｒｏｌｌ－ｂｏｎｄｉｎｇ／ｐｏｗ。
ｄｅｒ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｆｏａｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｆｏａｍｉｎｇ
７—１１．
力作用，加之Ｈ。分压Ｐ的持续作用，芯层下部的泡孔 会出现塌陷，使泡沫结构被破坏。较之粉末冶金法制
［７］高洪吾，刘 宇．刘士魁．等．［Ｊ］．特种铸造及有色合金， ２００６（３）：１３６一１３８． ［８］魏莉，姚广春，张晓明．等．口］．东北大学学报（自然科学
版），２００３·２４（１１）ｌ １０７１’１０７５．
万方数据
８６０
助
能
成了规则的层片状结构。图ｌ（ｂ）为热压工艺对比实
验获得的复合板的芯层形貌（工艺条件为压强
３００ＭＰａ，温度４００℃条件下热压Ｏ．５ｈ），可见热压后芯
层内粉末的致密度明显低于轧制复合板，粉末颗粒间
存在着较大的问隙，且粉末分布的均匀性也不理想。
图１ 不同板／芯结合工艺下芯层粉末的扫描电镜像 Ｆｉｇ １ ＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｃｏｒｅ ｐｏｗｄｅｒ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｏｎｄｉｎｇ
Ｃ０ｒｅ
由图２（ａ）可见，采用热压工艺制备的复合板经发 泡后存在较厚的无泡层。
万方数据
祖国胤等：泡沫铝夹心板芯层泡沫结构的研究
同发泡时间下夹心板的实物照片，其它工艺参数为轧 制压下率６５％，发泡温度６２０℃。由图４（ａ）可见，发泡 时间为４ｍｉｎ时，发泡后夹心板的芯层泡沫结构理想， 泡孔多呈椭圆形，相邻孔之间的孔壁厚度适宜，泡沫的 骨架结构稳定，产品具有良好的力学性能。图４（ｂ）为 发泡时间６ｍｉｎ时的情况，可见孔的平均尺寸要大于图 ４（ａ），但泡沫结构依然较为完整，未见连通孔等缺陷， 不过此时孔壁相对而言已经较薄，夹心板的孔隙率较 大，密度较小。同时压缩强度等指标变低。
中图分类号： ＴＧｌ４６．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—９７３１（２００７）０５一０８５９一０３
１引言
泡沫铝夹心板具有泡沫铝材料优异的性能，同时 解决了单一泡沫铝强度较低的缺点，是一种综合性能 优异的新型功能材料，在汽车制造、航空、航天等领域 具有广阔的应用前景［１￣３］。目前，国内外泡沫铝夹心 板的制备主要采用胶粘与粉末冶金发泡法，胶粘工艺 生产的泡沫铝夹心板耐高温与耐腐蚀能力较差，产品 的使用环境具有一定的局限性，而粉末冶金发泡工艺 是近年来研究较深入的泡沫铝夹心板的主要制备方 法［．’５】。传统的粉末冶金发泡工艺中，板／芯的结合主 要依靠热压工艺完成，结合强度较低，芯层粉末致密度 不理想，并且受热压模具尺寸的限制，不能生产大规格 的夹心板材料【６］。鉴于此，本文作者提出采用轧制复 合一粉末冶金发泡技术制备泡沫铝夹心板，通过轧制复 合工艺实现面板与芯层粉末的有效结合，并使芯层粉 末达到比热压工艺更高的致密度，为发泡过程创造有 利条件。对轧制复合板进行发泡使芯层获得良好的泡 沫结构，面板／芯层依靠扩散及相变行为实现理想的冶 金结合，最终得到高性能的泡沫铝夹心板。
制压下率为６０％的复合板在不同发泡温度下得到的
夹心板的实物照片。由图３（ａ）可见，发泡温度为
６１５℃时，发泡后夹心板的芯层泡沫结构较为理想，孔
尺寸相差不大，芯层无明显的破孔及连通孔出现，无泡 层完全消失，且芯层与面板间形成了良好的冶金结合。
图３（ｂ）为发泡温度６２５℃时发泡后的情况，可见此时
芯层泡沫结构显著恶化，体系内出现了大量的大尺寸
采用数码相机拍摄不同工艺条件下泡沫铝夹心板 的实物照片，反映宏观上不同工艺条件下夹心板的芯 层泡沫结构。在ＳＳＸ一５５０扫描电镜上研究不同工艺条 件下芯层粉末的结合状态。
３试验结果与讨论
３．１粉末致密度对芯层泡沫结构的影响 轧制复合一粉末冶金发泡技术的特点在于通过轧
制复合工艺过程，使面板／芯层形成牢固的初结合，同 时芯层混合粉末在轧制压力的作用下获得极高的致密 度。不同工艺条件下所得到的复合板芯层粉末的致密 度见图１。图１（ａ）为轧制压下率６５％时芯层的轧后状 态（平行于轧制方向）。可见轧制后粉末层达到了很高 的致密度，粉末颗粒密布排列，颗粒间几乎无间隙存 在。在轧制压力的作用下，粉末产生了明显的变形，形
实验采用Ａｌ—Ｓｉ—Ｃａ合金粉末作为芯层泡沫体的主 要原料，合金粉末的主要成分（质量分数，％）为：Ａ１≥ ８２．８８％、Ｓｉｌ２．５、ｃａ２．０～４．０、ＭｇＯ．３、ＦｅＯ．３、Ｚｎｏ．０１。 合金粉末直径ｄ＜０．１５ｍｍ。
选用ＴｉＨｚ粉末作为粉末冶金发泡过程的发泡 剂，ＴｉＨ２颗粒直径ｄ＜２０肛ｍ。
（２） 可发泡复合板适宜的发泡温度为６１５～ ６２０℃，温度过高会使芯层出现大尺寸连通孔等缺陷。
泡沫铝夹芯结构的研究现状及发展方向
结 恂组 战
充管结 构
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ＹＵ ｉｇ ｕ ． ＶＡＮＧ ｕ ｈ ｎｇ Ｙ ｎ －ｈ ａ Ｃｈ ｎ— ｏ
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２， 良好 的抗 冲击 菔能 量吸收 特－ ． 陉
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泡沫铝夹芯板
2011年将增加30%新船订单2011年的新造船订单和2010年相比增长30%，至4013万CGT。
首尔Shinyoung证劵研究院Um Kyeong-ah 预测“年底和年初相比，新造船价格将会增加10%”。
需求最大的船型可能是集装箱船，多亏了全球良好的进出口形势。
全球造船行业已经触底的情绪扩散，自从2008年大幅下降后，新造船的需求不断提高。
随着造船需求逐渐增加，全球船公司不再因为新订单而有更多心理负担。
因此，造船业乐观地看待今年的新订单量，认为和去年相比将增加近30%。
积极预测的原因之一是船舶融资市场已经再次被激活，这证明新造船市场的全面复苏。
2010年下半年船舶融资市场出现复苏迹象，自雷曼冲击以来，2010年第三季度全球船舶融资总额达到最高，比第二季度增加三倍。
至此，长期冻结的船舶融资市场开始快速复苏。
大多数船舶融资人士预测前景良好，融资市场将会在新造船市场切实增长的轨迹中发挥重要作用，因为船东会减少自己的资本而扩大贷款支付新船。
同时，截止至2011年1月25日BDI停留在1292点，比去年年底的1773点跌幅27%。
然而，大多数人预期BDI这次将触底，航运业和造船业在2011年将伴随全球经济复苏成功反弹。
一种可减轻船舶自重30%的新型材料有一种经测试可减少30%船体重量的新型材料。
对于一艘普通大小，舱容7000立方米的货船而言，使用这种材料其重量可相应减轻1000多吨。
德国弗劳恩霍夫机床和成型技术研究院的科研人员已对一种加热后呈泡沫状的铝粉做了试验，这种材料不但比水轻且硬度高。
加热几秒钟后铝材体积开始膨胀成海绵形状，其秘诀在于这种新材料的化学成分。
它是一种铝和钛氢化物粉末的混合材料，钛氢化物起着发泡剂的作用，就像酵母能使面团膨胀。
科研人员希望借此能找到一种制造大型铝泡沫夹心板的加工方法，并最终用这种材料代替船用钢板。
为形成这样的夹心化合物，粉末首先被压成条状，然后将它们放在两块钢板之间并送入烤箱内加热。
泡沫铝复合材料的研究
泡沫铝复合材料的研究泡沫铝复合材料的研究/刘欣等?79?泡沫铝复合材料的研究刘欣,薛向欣,张瑜,张淑会,段培宁,张虎(东北大学材料与冶金学院硼资源生态化综合利用技术与硼材料重点实验室,沈阳110004)摘要泡沫铝材料具有优越的综合性能,已被广泛应用于各个领域.系统阐述了国内外泡沫铝材料的应用现状,指出泡沫铝材料复合化是进一步完善其结构与功能的有效途径,并在此基础上详细介绍了国内外泡沫铝复合材料的研究情况.关键词泡沫铝性能应用复合材料中国分类号:TB383;TG146.2;TB34 StudyonAluminiumFoamsCompositesLIUXin,XUEXiangxin,ZHANGYu,ZHANGShuhui,DUANPeining,ZHANGHu (LiaoningKeyLabforEcologicallyComprehensiveUtilizationofBoronResource& MaterialsinSchoolofMaterialsandMetallurgy,NorthestemUniversity,Shenyang110004) AbstractAluminiumfoamsmaterialsarealreadyusedinvariousfieldswidlybecauseofitsex cellentcombi—nationproperty.Theinternalandoverseasapplicationstatusofaluminiumfoamsisdescribed systematicallyinthepa—per.Theavailableapproachisputforwardtoperfectthestructureandfunctionofaluminiumfo amsthroughpreparingaluminiumfoamscomposities.Andonthebasementionedabove,theresearchesaboutthealu miniumfoamscompositearepresenteddetailedly.Keywordsaluminiumfoams,performance,application,composities 0引言1?1多孔泡沫金属材料由金属骨架及孔隙所组成[】-z],是近几十年发展起来的一种功能材料.自问世以来,作为结构材料,它具有轻质,高比强度的特点;作为功能材料,它具有多孔,减振, 阻尼,吸音,隔音,散热,吸收冲击能,电磁屏蔽等多种物理性能, 兼之其可回收的特点,适应了当前发展的需要,在国内外一般工业领域及高技术领域得到了越来越广泛的应用[3川].目前已研制出的多孔泡沫金属材料有泡沫铝(及泡沫铝合金),泡沫镍,泡沫锌,泡沫铅,泡沫钛,泡沫铸铁及泡沫钢等,其中泡沫铝的研究最为成熟,并在实际应用中展现出广阔的前景L9.10J.我国对泡沫铝的研究始于2O世纪8O年代,起步较晚,在结构特征,制备工艺,性能研究等方面略落后于世界水平但是,针对泡沫铝材料自身的缺陷,以及其未来的发展趋势,国内研究者尝试研制出各种新型的泡沫铝复合材料,并取得了很好的成果.1泡沫铝的应用研究自1956年泡沫铝问世以来,人们对泡沫铝的结构特征,制备工艺,力学性能及其各种功能展开了深入全面的研究,已取得实质性进展,相关理论也较为成熟.在此基础上,人们利用泡沫铝优越的综合性能,即相对优异的力学性能,高阻尼性能,抗冲击性能,声学性能,热物理性能,渗透性能及电磁屏蔽性能等,在不同场合加以选择使用r.刘欣:女,1978年生,博士研究生E-mail;*******************泡沫铝在结构材料方面的应用泡沫铝具有一定的强度,延伸率和]jn-r性能,可用于结构材料,目前多用在交通运输,航空工业以及建筑工业_2"].泡沫铝可以用作汽车以及铁路运输车辆的缓冲部件,尤其是在汽车制造业上的应用,被认为是一种大有前途的未来汽车与其它交通运输工具的良好材料.轻质,高刚度且有吸能和隔音性能的泡沫铝已在汽车上得到应用,如顶盖板,底盖板和滑动顶板等高刚度构件C2,14~16].在航空领域,泡沫铝一般用作轻质, 传热的支撑结构,如机翼金属外壳的支撑体,导弹的防外壳高温坍塌支撑体,雷达的反射材料等.在建筑领域,泡沫铝一般用于制造质量轻,硬度高,有耐火性能要求的元件或构件l_1.叫引. 1.2泡沫铝在功能材料方面的应用因泡沫铝具有如高阻尼性能(吸声减震),冲击能吸收性能,优良的热物理性能(耐高温强热),电磁屏蔽等多种功能,令泡沫铝展现出广阔的应用前景L3"""l18].(1)利用高阻尼特性的领域.缓冲器及吸震器是泡沫铝的重要用途之一,其应用从汽车的防冲档直至宇宙飞船的起落架, 此外已被成功地用于升降机,传送器安全垫,高速磨床防护罩吸能内衬.泡沫铝轻质高阻尼性能特征,以及容易采取措施提高阻尼性能和结构加固的特点,使之特别适合高技术领域应用. (2)利用声学性能领域.开孔泡沫铝具有优异的声吸收能力,采用合适的声结构可以获得好的声吸收效果.日本已在高速列车发电机,无线电录音室及新干线吸音等多方面获得有应用前景的结果.泡沫铝还可用于消声减震方面l】.80材料导报2007年1月第21卷第1期(3)利用电磁屏蔽特征的领域.泡沫铝的电磁屏蔽性能可用于屏蔽,电磁兼容器件,根据需要可将其夹在塑料之间.(4)利用优异热物理性能的领域.开孔泡沫铝可以制作热交换器及散热器;闭孔泡沫铝可用作绝热材料,其强度及耐热能力优于相应的传统材料.作为一种新型的结构功能材料,泡沫铝材料已向人们展示了不可估量的应用前景,它的开发利用将对人类社会与科学技术的发展有着深远的意义.2泡沫铝的复合化研究目前,在实际应用中,人们为提高泡沫铝的功能特征常常以牺牲其力学性能为代价,同时由于泡沫铝生产成本高,性能可重现性差,使之无法有效地投入生产应用.针对这些问题,研究人员在致力于改善泡沫铝制备工艺,结构特征及综合性能的基础上,设计开发泡沫铝复合材料,充分发挥其质轻,多功能性的特点,使泡沫铝的推广应用得到保证.当前国内外泡沫铝复合材料的研究主要有以下几个方面.2.1泡沫铝层合结构为了充分发挥泡沫铝的各种特性,人们往往将其制成层合结构.与其它材料的层合结构相比,各种形式的泡沫铝层合结构具有耐热,各向同性,成本低等优势.在汽车,航空,航天,建筑等方面有着广泛的应用领域0.2.1.1泡沫铝三明治结构众所周知,泡沫铝最大的弱点就是强度不高,限制了它的应用领域.如果将它与传统的致密金属结合起来,组成夹芯构件使用将是其最有利的发展方向.泡沫铝夹芯结构基本上可分为夹芯板结构与填充管结构两种[2,目前应用较多的是泡沫铝夹芯板结构夹芯板结构是由金属面板与泡沫铝芯构成,即所谓的三明治结构,该结构具有轻质,高比刚度的特点,以及良好的减振(阻尼)性能,在充分发挥泡沫铝材料自身特点的同时解决了其强度低的问题,因此越来越受到研究者的重视r2.;这种泡沫铝三明治结构可以用很多方法生产,其中最简单最直接的方法是将预先制备好的泡沫材料和平板粘接在一起. 但胶黏部分不耐高温,易老化,很多情况下很不实用.另外就是采用以泡沫材料为芯的压铸方法.通过轧制一包覆工艺在发泡预制板上包覆面板,然后采用发泡的方法制备外表美观的泡沫铝三明治结构.现存的传统连接方法还有螺钉连接,铆接,钎焊,激光束焊接.但这些方法都是将制备完的中问发泡预制体或泡沫体裸板与面板进行连接I2q.当前泡沫铝三明治制备方法的研究热点是粉末冶金发泡法,该方法使面板与芯部达到冶金结合,有望克服不耐温,易老化等问题,图1为梁晓军等采用粉末冶金发泡法制备的铁面板/泡沫铝三明冶板_2.图1铁面板(1ram)/泡沫铝三明治结构Fig.1Ironplate(1mm)/Mumbfiumcoresandwichstructure[~].目前,泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明冶式结构.用三明治式泡沫铝材制造的某些汽车零件的质量只有原钢件质量的1/2,而其刚度却为钢件的10倍,绝热性能比铝高95,对频率大于800Hz的噪声有很强的消声能力.同时因泡沫铝材还是一种热稳定的不可燃材料,也是一种抗破坏的耐用材料,并可以完全回收与再生利用,被认为是一种大有前途的用于未来汽车与其它交通运输工具上的良好材料.德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的"吉雅"轻便轿车(Ghiaroadster) 的项盖板的刚度达到原来钢构件的7倍左右,而其质量却比原钢件轻25.此外,其还具有更好吸收冲击能与声能的效果[.在航天工程中,同时具有多项优良性能的泡沫铝是理想的结构材料.在火箭实际运载能力有限的条件下,如能减轻结构质量,增加有效载荷则可以大大降低发射成本.如果把泡沫铝用在航天器上,经济效益将是显而易见的.美国波音公司对使用三明治式泡沫铝制造直升机的尾桁进行了评估,达到了理想的效果[3o]2.1.2泡沫铝复合板结构对于泡沫铝声学性能上的利用与完善多采用泡沫铝复合板结构.单一泡沫结构具有较好的吸音效果,但比不上玻璃纤维类传统吸音材料,特别是在低频(1000Hz)以下,其吸音系数要低得多.然而,可利用泡沫金属与其它吸音材料的组合,或从吸音结构上进行改进等方法获得高性能吸音器,如AISi.泡沫+玻璃纤维+空气垫的组合就表现出了优越的吸音特性r3.另外通过热处理工艺研制的氧化铝陶瓷和泡沫铝合金的夹层复合板可以提高陶瓷的抗冲击能力【3.];用热压固化法制备的泡沫铝/树脂/铝合金叠层复合材料的界面结合良好,弯曲强度达300MPa左右,具有优良的冲击性能和阻尼吸振性能【3.总之,为了充分发挥泡沫铝材料的性能,更多的泡沫铝层合结构正在研制开发中,以适应社会不断发展的各种需求.2.2填充高分子材料的泡沫铝复合材料泡沫铝具有一系列独特的性能,特别是它所具备的高阻尼性能和广义阻尼性能,将在阻尼技术领域尤其是航空及国防高技术领域发挥更大的作用L3q.提高泡沫铝的力学性能,同时进一步增强其阻尼性能,可以使泡沫铝的结构功能趋于完善.目前普遍采用的方法是在泡沫铝孔洞中渗入粘弹性高分子材料,利用不同材料的优势,形成一种高阻尼的复合材料.由于开孔泡沫铝较闭孔泡沫铝的阻尼性能优越,同时其力学性能较差,因此当前的研究主要是针对其开孔材料与高分子材料的复合.由于这种复合材料中的铝及高分子材料各自呈连续状,相互穿插,因此称之为网络交织复合材料(Interpenetra—tingPhaseComposite,简称IPC材料),将其中任何一相去除便剩下另外一相的三维连通孔结构的多孔材料,并能独立承载.高分子材料的阻尼性能优于泡沫铝,但在力学性能方面,金属相铝的强度远高于高分子材料,这种在泡沫铝基础上填充高分子相所组成的复合材料,有望综合两者的优势而获得新型的泡沫铝复合材料_3.目前在泡沫铝中渗入的高分子材料包括硅橡胶,环氧树脂和松香.程和法["盯]及田杰等[3B]对硅橡胶填充泡沫铝进行了相对系统的研究,针对泡沫铝/硅橡胶复合材料的动静态压缩行为及应变率敏感问题做了较为详尽的描述,为高分子填充泡泡沫铝复合材料的研究/刘欣等?81?沫金属的设计和应用提供了依据.李晓静等_39]提出了泡沫铝/纳米环氧树脂复合材料的设想,并对它的性能进行了预测,其结果如图2,图3所示,指出新型复合材料将综合发挥泡沫铝与纳米环氧树脂各自的性能特点,使其具备功能结构一体化的性能特征,从而扩大泡沫铝的应用范围.图2泡沫铝及泡沫铝/纳米环氧树脂压缩应力一应变曲线示意图Fig.2Schematicplanofcompressionstress-straincurv~of aluminiumfoamsandaluminiumfoams/nanoepoxide图3泡沫铝,铝硅合金及泡沫铝/纳米环氧树脂屈服强度与孔隙率的关系Fig.3Relationbetweenyieldstrengthandporosityofa!uminium foams.aluminium-siliconalloyandaluminiumfoams/nanoepoxide刘建英等[4o3对松香,环氧树脂及环氧树脂填料渗入泡沫铝的3种材料分另U进行了阻尼性能研究,得出复合泡沫铝材料的阻尼性能明显高于纯泡沫铝阻尼性能的结论.但是,目前有关这种填充高分子材料的泡沫铝复合材料尚未形成系统全面的理论体系,有待人们的进一步探索研究.2.3表面改性的泡沫铝复合材料泡沫铝合金因其具有很大的表面积有望用作催化剂载体,其互相通连的孔隙兼之具备阻尼,吸声,选择通过等特性,也已在过滤,消声等方面得到应用但泡沫铝合金表面易遭受腐蚀,限制了它的应用,故应对泡沫铝表面进行改性处理(如在其微孔表面上镀覆金属或其它涂层),以改善表面抗腐蚀能力,满足其在催化剂载体,过滤等领域的应用.杜楠等[41]对泡沫铝表面镀镍工艺进行了研究.为了满足泡沫铝合金制备时熔体流动性的要求,常常以高硅铸铝为原料.在高硅铸铝上电镀的难度很大,加上泡沫铝合金的孔径较小,对前处理的要求很高.因此,研究适合于泡沫铝合金的镀镍工艺, 包括镀液成分,工艺条件和前处理方法显得尤为重要.为了在防护性能方面改善泡沫铝的抗腐蚀性,耐磨性,耐光性和经受大气环境影响的能力,以及在装饰性能方面模拟贵金属工艺制品,以美化制品外观,李海娟等[4]进行了泡沫铝阳极氧化电解着金黄色的试验研究.该工艺制成的金黄色泡沫铝, 色泽均匀美观,为制造大型泡沫铝装饰品提供了参考作用.试验获得的仿金色(金黄色)膜具有耐蚀,耐晒,耐光,色调稳定,色差均匀等优点.研究的泡沫铝着金黄色工艺流程具有工艺简单,重现性好,条件易于控制等特点.随着泡沫铝材的大量投入使用,该工艺将会有更加广阔的应用前景.3结语综上所述,泡沫铝材料具有各种优异的性能,展现出不可估量的应用前景如何充分利用这种新型的结构功能材料,使之在社会发展中发挥应有的作用,是泡沫金属研究工作者最终的目标.因此,有必要深入了解和认知泡沫铝材料,改善其过程的控制和性能;努力寻求解决问题的途径,促进这种多孔泡沫金属产品的产业化进程.泡沫铝复合材料的研究有望获得结构功能一体化的新型材料,是实现泡沫铝材料广泛应用的有效途径.纵观材料的发展历程,复合化应该是泡沫金属材料的发展趋势之一.相信新一代多孔泡沫金属材料泡沫铝将有着更美好的前景_7].123参考文献朱震刚.金属泡沫材料研究EJ],物理,1999,28(2):84 DaviesGJ,ZhenShu.Reviewmetallicfoams:theirproduc—tion,propertiesandapplications[J]-JMaterSci,1983,18:1899何德坪,陈锋,张勇.发展中的新型多空泡沫金属[J].材料导报,1993,7(4):llPat,2434775.1948EllictJCUSPat,2751289.1956AllenBCUSPat.3087807.1963陈祥,李言祥.金属泡沫材料研究进展[J].材料导报,2003, 17(5):5戴长松,张亮,王殿龙,等.泡沫材料的最新研究进展EJ].稀土金属材料与工程,2005,34(3):337DegischerHP,Kristy13.多孔泡沫金属[M].北京:化学工业出版社,2005.5于英华,梁冰,李智超.多孔泡沫金属研究现状及分析EJ]. 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闭孔泡沫铝及其夹芯梁多温工况准静态力学性能试验研究
泡沫铝具有高比强度、高比刚度和高能量吸收率等优点,在汽车交通、航空航天、船舶运输等领域广泛应用。然而,泡沫铝在单独使用下无法很好地满足强度、刚度等方面的要求,通常需要与传统致密的金属材料相结合形成夹芯结构。
目前,关于泡沫铝及其夹芯结构的力学性能的研究主要集中在常温条件下,随着泡沫铝应用潜力的日益增大、科技的发展,航空航天领域对环境温度的要求越来越苛刻,需要探索泡沫铝在高低温等极端环境下的力学性能。本文以试验研究为主,结合理论分析研究了闭孔泡沫铝及其夹芯梁在不同温度下的力学性能,主要的研究内容以及结果如下:一、通过准静态压缩试验获得了不同温度下的泡沫铝应力-应变曲线,发现高温条件下闭孔泡沫铝具有明显的温度软化现象,低温条件下具有略微的硬化现象。
泡沫铝夹芯梁随着芯材厚度的增加峰值荷载增大,能量吸收增多,峰载位移减小;随着加载跨距的增大峰值载荷减小都略高于常温下,表现出泡沫铝硬化现象;而在高温条件下,峰值载荷和能量吸收都远远小于常温下,且随着温度的升高峰值载荷和能量吸收都减小,表现出泡沫铝的高温软化现象。
在准静态压缩试验中,泡沫铝的屈服应力、平台应力以及能量吸收都随着温度的升高而减小,塑性平台段随着温度的升高而变长,而压实应变基本不随温度的变化而变化。分析泡沫铝的吸能特性并给出吸能效率图和理想吸能效率图,表明泡沫铝是一种理想的吸能材料,在高温条件下更接近理想的吸能材料。
二、通过理论分析与试验结合的方式研究了不同温度下泡沫铝夹芯梁的准静态三点弯曲变形。发现泡沫铝夹芯梁在常温和低温下的三点弯曲中,高温胶夹芯梁承载能力低,较早地出现面板脱胶导致承载能力下降,吸收能量少,不利于结构的安全防护。
冲击载荷下泡沫铝夹芯防护结构的侵彻动力学行为研究
冲击载荷下泡沫铝夹芯防护结构的侵彻动力学行为研究泡沫铝夹芯板结构的特点是轻质、高比刚度，并具有良好的冲击波散射性能，被广泛应用于航空航天、军用汽车、船舶制造以及核工业等领域。
作为一种轻质复合装甲，不可避免地经常遭受子弹及爆轰产物、破片的冲击，只有清楚了解其抗侵彻性能，才可以使其充分发挥自身的防护能力。
为了进一步探讨泡沫金属夹芯板防护装甲的抗侵彻性能，本文从实验研究、理论建模与数值模拟三个方面对不同弹头的子弹撞击作用下泡沫铝夹芯板防护装甲的动态响应问题进行了系统深入的研究，取得如下重要成果：通过不同弹头的子弹对泡沫铝夹芯板的侵彻实验，研究了其在子弹撞击下的变形模式和侵彻失效问题，以及泡沫铝夹芯板抗侵彻性能与弹头形状、芯层厚度及面板厚度等参数的关系。
研究发现：侵彻所导致的变形和损伤主要集中在子弹头部下方区域发生，而在径向方向上几乎没有发生变形和损伤。
增加芯层厚度或面板厚度均能有效提高泡沫铝夹芯板的抗侵彻性能。
夹芯板对平头弹的抗侵彻性能最好，对球头弹的抗侵彻性能次之，对锥头弹的抗侵彻性能最弱。
建立了泡沫金属夹芯板厚靶在不同弹头的子弹撞击下的多阶段侵彻动力学理论模型，得到了侵彻阻力和瞬时速度等物理量的解析解。
并在此基础上研究了子弹几何尺寸、芯层密度、子弹入射速度等参数与能量吸收的关系。
同时应用非线性结构动态响应分析有限元程序对子弹侵彻不同面板组合、不同尺寸的泡沫铝夹芯板防护装甲的全过程进行了数值模拟，研究了其变形和失效过程，并探讨分析了影响夹芯板抗侵彻性能和整体吸能特性的参数。
结果表明：夹芯板的抗侵彻性能随着芯层密度、芯层厚度的增加而增加，夹芯板的能量吸收也随着子弹初始速度和直径的增加而增加。
夹芯板的抗侵彻性能和整体吸能特性不仅与面板材料的强度有关，也与不同强度材料的面板前后顺序有关。
文中还对多层防护甲板的抗侵彻性能进行了数值模拟研究，比较了不同数量、厚度、布置方式与层合方式的效果。
研究表明：双层靶板首层的厚度与靶板（除空气层外）总厚度的比值等于0.5时，靶板的抗侵彻性能最弱，当比值等于0.25时，靶板的抗侵彻性能最好。
《冲击载荷下泡沫铝夹芯防护结构的侵彻动力学行为研究》
《冲击载荷下泡沫铝夹芯防护结构的侵彻动力学行为研究》篇一一、引言随着科技的不断进步和现代战争的需求，防护结构的设计和优化变得越来越重要。
在众多防护材料中，泡沫铝夹芯防护结构因其良好的吸能性能和较高的冲击韧性而备受关注。
本文将针对冲击载荷下泡沫铝夹芯防护结构的侵彻动力学行为进行研究，旨在揭示其侵彻机制、能量吸收特性和结构优化方法。
二、文献综述在过去的几十年里，国内外学者对泡沫铝材料及其在防护结构中的应用进行了广泛的研究。
泡沫铝因其优良的物理性能，如低密度、高比表面积、良好的吸能性能等，被广泛应用于冲击防护领域。
泡沫铝夹芯防护结构以其独特的结构形式，在抵御冲击、减少破坏等方面表现出较好的性能。
然而，关于其在冲击载荷下的侵彻动力学行为，仍需进一步研究。
三、研究内容1. 实验设计为了研究冲击载荷下泡沫铝夹芯防护结构的侵彻动力学行为，本文设计了一系列实验。
实验中采用不同厚度的泡沫铝夹芯板，以及不同速度、不同形状的侵彻体进行冲击试验。
同时，为了对比分析，还设置了其他类型防护结构的实验。
2. 实验结果通过实验，我们观察了泡沫铝夹芯防护结构在冲击载荷下的变形过程、能量吸收情况和侵彻体的穿透情况。
实验结果表明，泡沫铝夹芯防护结构具有良好的吸能性能和抗侵彻能力。
同时，我们还发现，不同厚度的夹芯板对侵彻体的抵抗能力有所不同，较厚的夹芯板能更好地抵御高速侵彻体的穿透。
3. 数据分析与讨论通过对实验数据的分析，我们发现在冲击过程中，泡沫铝夹芯板能够有效地吸收侵彻体的能量，降低其穿透力。
此外，我们还发现夹芯板的厚度、侵彻体的速度和形状等因素都会对侵彻动力学行为产生影响。
同时，我们分析了泡沫铝材料的力学性能和结构特性对侵彻行为的影响机制。
四、侵彻动力学行为分析1. 侵彻机制分析在冲击过程中，泡沫铝夹芯板通过塑性变形和能量耗散来抵抗侵彻体的穿透。
当侵彻体与夹芯板接触时，夹芯板发生局部变形，吸收部分能量；同时，夹芯板内部的泡沫铝材料通过塑性流动和断裂来消耗能量。
双层泡沫铝夹芯板抗冲击性能数值研究
铁道科学与工程学报 Journal of Railway Science and Engineering
DOI: 10.19713/ki.43−1423/u.2019.10.029
Volume 16 Number 10 October 2019
收稿日期：2018−12−28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51434002) 通信作者：邓旭辉(1975−)，男，湖南郴州人，副教授，博士，从事工程结构设计与优化研究；E−mail：dengxh75@
2604
铁道科学与工程学报
2019 年 10 月
泡沫铝作为一种新型多孔材料具有相对密度 轻、强度高、吸能比高等优良特性的新型工程材料， 越来越多地被用于抗爆结构。其工作机理是当夹芯 结构受到冲击荷载，夹芯产生压缩变形，从而吸收 大量的能量，进而能够抵抗较大的能量冲击[1-4]。其 优异的结构特性引起了国内外学者的广泛关注。 Vaziri 等[5]比较了金属夹层板与相同重量的实心板 的抗冲击性，发现夹层板在冲击载荷下表现出优异 的机械性能。Radford 等[6]对面板为钢板、泡沫芯层 为铝合金的夹芯板进行了冲击实验和有限元模拟， 结果表明泡沫铝结构能耗散更多的冲击能量从而 减少后面板的挠度，增加面板或芯层的厚度均能提 高整体的抗形变能力。倪小军等[7]研究泡沫铝在爆 炸冲击作用下的结构特性数值研究，结果证明所建 立的泡沫铝的流体弹塑性本构方程可以用来描述 泡沫铝的冲击特性，这为研究泡沫铝结构提供了理 论基础。爆炸实验是检验结构抗爆性能最有效、最 直接的方法，但其耗费资源巨大并存在风险。数值 模拟是现代一种流行的科学手段，这种方法能够有 限的还原实验现象，获得冲击荷载下结构变形过程 和损伤机理[8−10]，且具备节省时间、成本的优势。 本文研究双层泡沫铝复合结构在冲击荷载下的变 形机理和能量吸收特性。数值模拟得出在冲击荷载 下泡沫铝结构后面板中心点位移、夹芯总能量时程 曲线，然后据此分析不同时间段面板、夹芯泡沫铝 的动力学行为以及各个阶段的能量吸收特性。考虑 不同结构参数对结构响应的影响，分析双层泡沫铝 板面板厚度、不同爆轰入射角、面板厚度配合对结 构响应的影响，这为后续双层泡沫铝板设计提供定 量依据。
中高速弹体侵彻下泡沫铝夹芯结构抗侵彻性能实验研究
２ ０ １ ７年 ６月
舰船科源自学技术 ＶＯ １ ． ３ ９ ． ＮＯ ． ６ Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０１ ７
Ｓ ＨＩ Ｐ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ ０ＬＯＧＹ
中高速弹体侵彻下泡沫铝夹芯结构 抗侵 彻 性能 实验研 究
方 志威 ，侯 海量 ，张元 豪 ，陈长海 ，胡年 明
Ｆ ＡＮＧ Ｚｈ ｉ — ｗｅ ｉ ， ＨＯＵ Ｈａ ｉ — ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ， ＺＨＡＮＧ Ｙｕ ａ ｎ — ｈ ａ ｏ ， ＣＨＥ Ｎ Ｃｈ ａ ｎ ｇ — ｈ ａ ｉ ， ＨＵ Ｎｉ ａ ｎ — ｍｉ ｎ ｇ
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包套轧制技术制备泡沫铝夹芯板的发泡效果
对 泡 沫 铝 夹 芯 板 进 行 及 时 冷 却 可 以 保 证 泡 孔 均
匀 、面 板不 出现 熔化 。理 想 的冷 却状 态应 是 发泡 体 内外 同时凝 固 ，温度 梯度 很 小 ，使气 泡尽 量 保 留在
原 位 。 模 具 内 冷 却 、空 冷 及 水 冷 对 芯 层 凝 固 及 冷 却 能 力 均 有 影 响 。 当预 制 体 达 到 预 期 的 膨 胀 率 后 将 发 泡 模 具 整 体 从 发 泡 炉 中取 出 ，对 发 泡 模 具 进 行 喷 淋
制在４ ０ ～ ６ ０ ｓ 可 达 到 较 理 想 的 发 泡 效 果 ，得 到 的 泡 孔 结 构 较 为 完 整 均 匀 ，并 且 随 着 发 泡 时 间 的 延 长 ，泡 孔 均 匀 长 大 ， 面 板 平 整 ， 在 达 到 最 高 膨 胀 率 前 未 出 现 面 板 熔 化 现 象 ，具 有 较 好 的发 泡效 果 。
泡剂 具有 较好 的释氢 量 与分解 速 度 ，同时保 持熔 体
有 一定 的黏度 。当发泡温 度为７ ０ ０℃时 ，发 泡 时 间 控
面 。泡 沫铝夹芯板不仅具备泡沫铝材 料的特 性 ，还 克 服 了单 纯泡沫铝强度较低等缺点 ，因而应用 范围大大
拓 展 。泡 沫 铝 夹 芯 板 质 量 轻 、 比 刚度 及 比强 度 高 、能 量 吸收性能好 ，可在降低车辆 的质量 、节能减排的同 时 提 高 驾 驶 的 安 全 性 ，有 着 非 常有 希 望 的潜 在 市 场 。
泡沫铝夹芯结构抗平头弹侵彻理论分析模型
!!摘!要 为研究泡沫铝夹芯结构抗平头弹侵彻的理论分析模型$将弹体侵彻泡沫铝夹芯结构的过程分为三个阶段!
前面板剪切失效'泡沫铝压缩剪切和后面板隆起开口& 根据夹芯结构各组成部分的破坏模式$结合牛顿运动定律和能量守
<"= 9+,2$! N8SZIGSZR7NZ% KNGT]IFW [8NQL% QWL7PLQIFN8NGN8MKIKZ7TL8% LGLPVMNOK7P[QI7G
!!泡沫铝材料以低密度'高比强度'高比刚度和良好 的吸能特性而广泛应用在航空航天'汽车制造以及防 护工程等领域($ =") & 泡沫铝材料在压缩过程中会出现 应力平台期$应力基本保持不变而应变变化较大$因此 可承受较大的塑性变形而能吸收较多的层而与高强 度的材料组成夹芯结构& 宋延泽等(? =#) 对泡沫铝材料 及泡沫铝夹芯结构的抗冲击性能进行了大量研究& 闫
基金项目! 国家自然科学基金"<$A#>:?A%<$?#>:;?# 收稿日期! :;$# =;< =;"!修改稿收到日期! :;$# =;A =$> 第一作者 方志威 男$硕士$$>>: 年生 通信作者 侯海量 男$博士$高级工程师$$>## 年生
晓鹏等(%) 基于动态空穴膨胀模型研究了锥形弹撞击开 孔'闭孔泡沫铝的侵彻过程$对比分析了弹速'弹体形 状以及泡沫铝密度对开孔'闭孔泡沫铝抗侵彻性能的 影响& X[LP7GI等(>) 对两种密度的泡沫铝进行三个加 载方向的 4'Y6/*3'*冲击试验$观察到泡沫铝在高应 变率下应力-应 变 曲 线 也 有 应 力 平 台 期$ 力 学 性 能 表 现为各向同性& 章超等($;) 利用 4'Y6/*3'*杆试验装 置对泡沫铝进行冲击压缩试验$探究了不同冲击速度 下泡沫铝的变形模式%发现泡沫铝在局部变形区和致 密区存在应力不均匀现象& X7WNZ等($$) 设计了三种 不同材料的面板和泡沫铝组成的夹芯板$探讨了夹芯 板在半球形冲头冲击下的力学性能和吸能效能$指出 夹芯板的 吸 能 效 能 可 以 随 着 泡 沫 铝 厚 度 的 增 加 而 增