碳纖維復(fù)合泡沫鋁沖擊響應(yīng)的各向異性及變形機理

泡沫金屬對高速沖擊載荷的緩沖和有效的能量吸收特性使其在減震、碰撞過程中具有潛在的應(yīng)用價值。本項目從閉孔泡沫鋁金屬的制備優(yōu)化、精細表征和性能測試入手，結(jié)合材料學與力學研究手段，較為系統(tǒng)地研究了閉孔泡沫金屬的宏觀力學行為，并通過細觀-微觀表征揭示了閉孔泡沫金屬的變形機理。首先，優(yōu)化了熔體發(fā)泡法制備碳纖維復(fù)合鋁基閉孔泡沫的制備工藝，改善了碳纖維在基體中的分布和泡孔的均勻性。對碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁的準靜態(tài)壓縮、高速壓縮和沖擊韌性進行了測試。詳細表征了碳纖維復(fù)合泡沫鋁材料壓縮穩(wěn)定性和能量吸收能力。證明了碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，且基體材料的率敏感性是導(dǎo)致閉孔泡沫鋁應(yīng)變率效應(yīng)的主要因素，其它如微慣量和氣體壓縮與氣體粘滯流動均可忽略。提出了在高應(yīng)變率條件下，閉孔泡沫鋁以兩種模式變形，剪切變形和端部局域化變形。明確了高應(yīng)變率壓縮能量耗散的主要機制：孔壁材料破碎產(chǎn)生大量新表面及碳纖維的拔出和斷裂。對碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁材料的沖擊韌性進行了測試并獲得了沖擊歷程曲線。結(jié)果表明，密度仍然是首要影響因素，隨著密度的增加平均峰值載荷、最大能量吸收、沖擊韌性都增加，但對于中等密度泡沫材料，裂紋傳播路徑是影響沖擊韌性的另一重要因素。由于裂紋傳播的不確定性導(dǎo)致中等密度泡沫沖擊韌性值具有較大的波動性。這可能與泡孔的尺寸、分布有很大關(guān)系，該方面的研究有待進一步深入。

本項目圍繞碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁承受沖擊載荷時的力學響應(yīng)及變形機理，融合材料學和力學研究方法，以建立結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系為主線。利用分離式Hopkinson壓桿對碳纖維復(fù)合鋁泡沫進行動態(tài)壓縮測試，著重研究孔形各向異性、氣體效應(yīng)、碳纖維含量對纖維復(fù)合鋁泡沫動力學特性的影響，建立碳纖維復(fù)合鋁泡沫率相關(guān)本構(gòu)關(guān)系。通過過程凍結(jié)技術(shù)在細觀孔/膜水平探討碳纖維復(fù)合鋁泡沫動態(tài)響應(yīng)各階段的變形模式和失效機理，從而揭示碳纖維復(fù)合鋁泡沫在承受沖擊載荷作用時的能量耗散機制。分析沖擊載荷條件下孔取向和碳纖維對孔壁材料微結(jié)構(gòu)演化的影響，探討沖擊誘發(fā)熔融相變區(qū)的演化過程及其影響因素，闡明不同應(yīng)變率條件下孔壁材料的熱塑失穩(wěn)機制。在上述基礎(chǔ)上，揭示碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁宏觀動力學響應(yīng)與細微觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，為指導(dǎo)泡沫鋁制備過程中細微觀結(jié)構(gòu)的控制和評價其耐撞性提供理論依據(jù)。

通過系統(tǒng)的細宏觀實驗研究，了解泡沫鋁材料及其夾芯板復(fù)合結(jié)構(gòu)的循環(huán)變形行為特征，觀察泡沫鋁材料在循環(huán)變形過程中的孔洞微結(jié)構(gòu)演化情況，揭示泡沫鋁金屬循環(huán)變形行為的規(guī)律和循環(huán)變形的細觀機理；通過細觀有限元分析，研究微結(jié)構(gòu)參數(shù)對泡沫鋁宏觀力學響應(yīng)的影響；基于細觀機理，在唯象粘塑性本構(gòu)框架下，提出新的泡沫鋁循環(huán)本構(gòu)關(guān)系；結(jié)合泡沫鋁循環(huán)本構(gòu)關(guān)系和面板材料循環(huán)本構(gòu)關(guān)系，利用有限元軟件對泡沫鋁夾芯板的循環(huán)變形行為進行數(shù)值模擬和分析。該研究針對泡沫金屬及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學問題這一固體力學研究的熱點和難點問題，研究成果將是對泡沫金屬這一細觀非均勻材料本構(gòu)關(guān)系的重要突破，具有重要的理論意義；同時，研究成果可用于循環(huán)加載條件下泡沫鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及安全性和壽命評估中，對于促進泡沫鋁在輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價值。

實現(xiàn)泡沫鋁的輕質(zhì)高性能化是具有科學內(nèi)涵的研究課題。本項目以金屬-陶瓷復(fù)合化為主要科研思路，采用微弧氧化法在通孔泡沫鋁表面原位生成陶瓷層，形成外強內(nèi)韌的新型陶瓷增強泡沫鋁。研究陶瓷層的成分、組織、結(jié)構(gòu)的影響因素及演變規(guī)律，闡明陶瓷層在泡沫鋁外表面及內(nèi)表面的原位生長特性及陶瓷層的生長動力學，探討通孔泡沫鋁的結(jié)構(gòu)特征（孔隙率和孔徑）對微弧氧化陶瓷層原位生長行為的影響及機理。研究陶瓷增強泡沫鋁在壓縮載荷下的壓縮性能及能量吸收特性，探討陶瓷增強泡沫鋁的宏觀失效機理及微觀失效機理，揭示其能量吸收特性影響規(guī)律，闡明陶瓷層對泡沫鋁的力學作用機理。本項目的開展可揭示陶瓷增強泡沫鋁的形成、組織結(jié)構(gòu)與壓縮特性間的內(nèi)在規(guī)律，為泡沫鋁的設(shè)計和應(yīng)用提供科學理論依據(jù)。

針對金屬泡沫循環(huán)變形行為實驗研究和本構(gòu)描述方面的不足，通過系統(tǒng)的實驗研究，了解材循環(huán)過程中的變形行為特征和演化規(guī)律，并討論加載應(yīng)力、孔隙率和孔洞結(jié)構(gòu)的影響，揭示其循環(huán)變形變形的內(nèi)在機理；基于實驗揭示的規(guī)律，在多機制本構(gòu)模型的框架下，將塑形變形分為基體材料變形和孔洞結(jié)構(gòu)變形兩部分，引入相對密度來反映位孔洞結(jié)構(gòu)對變形行為的影響，建立一個基于變形機理的循環(huán)本構(gòu)模型；基于周期性邊界條件，對泡沫鋁壓縮行為進行有限元模擬，討論了孔隙率、孔的形狀、孔的分布對泡沫鋁力學性能的影響。還對泡沫鋁夾芯板的三點彎行為進行了有限元模擬，對泡沫鋁拉壓彈性模量差異對夾芯板變形行為的影響和粘合夾芯板在三點彎加載下的脫粘破壞行為進行了模擬和討論。研究成果將完善泡沫金屬材料的力學性能研究，對于促進泡沫金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。