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(yùn)輸、機(jī)械設(shè)備、工程結(jié)構(gòu)、兵器工業(yè)、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，在服役過(guò)程中構(gòu)件往往承受動(dòng)態(tài)沖擊載荷，此時(shí)需要沖擊吸能材料對(duì)內(nèi)容物進(jìn)行保護(hù)?；趶?qiáng)沖擊載荷防護(hù)的應(yīng)用背景，本文立足于之前的研究成果，設(shè)計(jì)制備了一種在動(dòng)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(duì)影響材料強(qiáng)度的因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
　　本文選擇了不同粒徑的飛灰空心球作為增強(qiáng)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?jǐn)?shù)的空心球/Al微孔

2、復(fù)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、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(guān)組織、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能以及該材料的吸能性能和防護(hù)作用，并探討了材料的變形機(jī)理及空心球粒徑對(duì)材料性能的影響。
　　首先對(duì)原始空心球的性能進(jìn)行了表征，飛灰空心球的成分主要為 SiO2和Al2O3。TEM觀(guān)察表明，空心球/Al微孔材料的界面結(jié)合情況良好。

3、純鋁基體與飛灰空心球不發(fā)生界面反應(yīng)，而6061鋁合金與空心球反應(yīng)生成MgAl2O4和Si。
　　基于材料的光學(xué)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?jǐn)?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?jǐn)?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?jǐn)?shù)較低，為45.4%，這與飛灰空心球的空間堆垛方式有關(guān)。三種飛灰粒徑的復(fù)合材料

4、中，飛灰空心球分布比較均勻，無(wú)明顯偏聚。
　　空心球/Al微孔材料在受到準(zhǔn)靜態(tài)載荷壓縮時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)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(yīng)力分別為84.8MPa、73.4MPa、48.7MPa，呈現(xiàn)出粒徑越小強(qiáng)度越高的趨勢(shì)，這個(gè)規(guī)律與顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料一致。當(dāng)動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)，空心球/Al微孔材料的峰值應(yīng)力明顯增加，分別為124.7MPa、119.8MPa、59

5、.4MPa，表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。但是，應(yīng)變率效應(yīng)與空心球/Al微孔材料內(nèi)空心球粒徑及壓縮過(guò)程中應(yīng)變率的大小無(wú)關(guān)。
　　通過(guò)掃描電鏡下的原位壓縮試驗(yàn)觀(guān)察了空心球/Al微孔材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)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(guò)ImageJ軟件計(jì)算了壓縮過(guò)程中空心球的圓度，隨著壓縮的進(jìn)行空心球的圓度逐漸減小，說(shuō)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(duì)模型的受力分析顯示材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量與粒徑成倒數(shù)關(guān)系，得到了材料壓縮強(qiáng)度和模量的預(yù)測(cè)公式。
　　空心球/Al微孔材料的微觀(guān)變形方式主要與基體的變形能力有關(guān)，與空心球無(wú)關(guān)。基體的變形能力強(qiáng)，壓縮時(shí)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(shí)，空心球的赤道處優(yōu)先變形、開(kāi)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(yīng)用于沖

7、擊防護(hù)的場(chǎng)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(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)壓縮測(cè)試，顯示含有空心球/Al微孔材料的疊層結(jié)構(gòu)能明顯地阻礙應(yīng)力波的傳播。阻礙應(yīng)力波的傳播主要來(lái)源于疊層結(jié)構(gòu)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(guān)。對(duì)疊層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，在動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)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(yīng)力。絕大多數(shù)應(yīng)力波被反射回入射桿，透射桿幾乎不發(fā)生位