泡沫鋁-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)行為及應(yīng)用研究.pdf

1、泡沫鋁是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型材料，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其具有許多良好的功能特性，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景，成為力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫鋁的研究取得了一定的成果，但仍有許多有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。如泡沫鋁結(jié)構(gòu)中的大量孔洞，使其力學(xué)性能必然有所損失，為此，如何在保持其原有功能特性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高其力學(xué)性能成為該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者共同關(guān)注的課題。采用浸滲法制備了泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂類復(fù)合材料，對(duì)該材料的力

2、學(xué)行為和應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要研究的內(nèi)容和得出的結(jié)論如下： 通過(guò)常壓水浴加熱向泡沫鋁孔洞中滲入環(huán)氧樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂納米蒙脫土，制備出了泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂類復(fù)合材料。 綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)、有限元模擬和理論分析研究等方法對(duì)泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的壓縮行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料壓縮行為取決于泡沫鋁的結(jié)構(gòu)參數(shù)和填充材料的性能參數(shù)及載荷應(yīng)變率。與泡沫鋁相比泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度均有一定的提高，其中以滲入環(huán)

3、氧樹(shù)脂納米蒙脫土的復(fù)合材料為最佳。泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂類復(fù)合材料在壓縮載荷的作用下，其微觀變形機(jī)制與泡沫鋁相比略有改變，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的情況下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍大致滿足多孔材料的三階段特征，但壓縮開(kāi)始時(shí)的彈性階段，該材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率(即有效彈性模量)及平臺(tái)階段的坪應(yīng)力均有一定提高，提高的程度依填充材料的性能的不同而不同；而在動(dòng)態(tài)壓縮的情況下，只表現(xiàn)出線彈性階段和屈服平臺(tái)2階段，而沒(méi)有致密化階段，且塑性平臺(tái)區(qū)比泡沫鋁的高且長(zhǎng)，尤其是泡

4、沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂納米蒙脫土復(fù)合材料。泡沫鋁幾何參數(shù)對(duì)其環(huán)氧樹(shù)脂類復(fù)合材料壓縮力學(xué)行為的影響規(guī)律類似于對(duì)泡沫鋁的：相對(duì)密度越大，有效彈性模量和屈服平臺(tái)階段的坪應(yīng)力越大；孔徑對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響受應(yīng)變率的制約，對(duì)靜態(tài)壓縮，幾乎無(wú)影響，對(duì)動(dòng)態(tài)壓縮有影響。在相同的應(yīng)變率下，泡沫鋁復(fù)合材料的壓縮坪應(yīng)力隨孔徑的增大而升高。應(yīng)變率越高，升高得越多。有限元模擬方法是研究泡沫鋁及其環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)行為的一種省時(shí)、省力、低成本且較為可靠的研究方法。

5、 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)交織復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)胞元方法，對(duì)泡沫鋁及其環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的壓縮行為進(jìn)行了理論分析，建立了該材料的有效彈性模量預(yù)測(cè)模型和彈塑性本構(gòu)關(guān)系框架。采用復(fù)合材料的“混合率”和“協(xié)同效應(yīng)”建立了泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的壓縮坪應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)所建立的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果的比較，證明所建模型的正確性。 綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析研究方法對(duì)泡沫鋁及其環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的阻尼的機(jī)理、影響因素進(jìn)行了研究，并嘗試建立了泡沫

6、鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料阻尼的半定量化數(shù)學(xué)模型，該模型可對(duì)材料的阻尼變化規(guī)律做出合理地解釋。研究表明，在泡沫鋁孔隙中滲入環(huán)氧樹(shù)脂特別是環(huán)氧樹(shù)脂納米蒙脫土，可進(jìn)一步提高材料的阻尼性能。 以泡沫鋁及其環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在齒輪阻尼環(huán)中的應(yīng)用為例，較系統(tǒng)地研究該材料在減振降噪方面應(yīng)用的優(yōu)越性。 通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬研究，對(duì)泡沫鋁及其環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料填充金屬園管壓縮力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，建立了考慮管與填充物相互作用的泡沫鋁填充圓管

7、的壓縮吸能特性理論模型。在此基礎(chǔ)上對(duì)泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料填充金屬園管壓縮吸能性進(jìn)行了預(yù)見(jiàn)。研究結(jié)果表明：泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料填充圓管的吸能性優(yōu)于泡沫鋁填充圓管的吸能性，更優(yōu)于金屬空心圓管的吸能性。 系統(tǒng)研究了泡沫鋁及其環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在汽車保險(xiǎn)杠中的應(yīng)用，結(jié)果表明泡沫鋁填充圓管特別是泡沫鋁高分子復(fù)合材料填充圓管制造的汽車保險(xiǎn)杠可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，有利于汽車向輕質(zhì)量、小體積、低能耗、安全和環(huán)保等方向發(fā)展，泡沫鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在