碳纖維復(fù)合泡沫鋁沖擊響應(yīng)的各向異性及變形機(jī)理項(xiàng)目摘要

本項(xiàng)目圍繞碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁承受沖擊載荷時(shí)的力學(xué)響應(yīng)及變形機(jī)理，融合材料學(xué)和力學(xué)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(duì)碳纖維復(fù)合鋁泡沫進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮測(cè)試，著重研究孔形各向異性、氣體效應(yīng)、碳纖維含量對(duì)纖維復(fù)合鋁泡沫動(dòng)力學(xué)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(guò)過(guò)程凍結(jié)技術(shù)在細(xì)觀孔/膜水平探討碳纖維復(fù)合鋁泡沫動(dòng)態(tài)響應(yīng)各階段的變形模式和失效機(jī)理，從而揭示碳纖維復(fù)合鋁泡沫在承受沖擊載荷作用時(shí)的能量耗散機(jī)制。分析沖擊載荷條件下孔取向和碳纖維對(duì)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(guò)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(jī)制。在上述基礎(chǔ)上，揭示碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁宏觀動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與細(xì)微觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，為指導(dǎo)泡沫鋁制備過(guò)程中細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的控制和評(píng)價(jià)其耐撞性提供理論依據(jù)。

泡沫金屬對(duì)高速?zèng)_擊載荷的緩沖和有效的能量吸收特性使其在減震、碰撞過(guò)程中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目從閉孔泡沫鋁金屬的制備優(yōu)化、精細(xì)表征和性能測(cè)試入手，結(jié)合材料學(xué)與力學(xué)研究手段，較為系統(tǒng)地研究了閉孔泡沫金屬的宏觀力學(xué)行為，并通過(guò)細(xì)觀-微觀表征揭示了閉孔泡沫金屬的變形機(jī)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(duì)碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、高速壓縮和沖擊韌性進(jìn)行了測(cè)試。詳細(xì)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(dòng)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(jī)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(duì)碳纖維復(fù)合閉孔泡沫鋁材料的沖擊韌性進(jìn)行了測(cè)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(duì)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(dòng)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(jìn)一步深入。

通過(guò)系統(tǒng)的細(xì)宏觀實(shí)驗(yàn)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(guò)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(xì)觀機(jī)理；通過(guò)細(xì)觀有限元分析，研究微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泡沫鋁宏觀力學(xué)響應(yīng)的影響；基于細(xì)觀機(jī)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(duì)泡沫鋁夾芯板的循環(huán)變形行為進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。該研究針對(duì)泡沫金屬及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)問(wèn)題這一固體力學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，研究成果將是對(duì)泡沫金屬這一細(xì)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(shí)，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(jì)以及安全性和壽命評(píng)估中，對(duì)于促進(jìn)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(jià)值。

實(shí)現(xiàn)泡沫鋁的輕質(zhì)高性能化是具有科學(xué)內(nèi)涵的研究課題。本項(xiàng)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(qiáng)內(nèi)韌的新型陶瓷增強(qiáng)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(zhǎng)特性及陶瓷層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，探討通孔泡沫鋁的結(jié)構(gòu)特征（孔隙率和孔徑）對(duì)微弧氧化陶瓷層原位生長(zhǎng)行為的影響及機(jī)理。研究陶瓷增強(qiáng)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(qiáng)泡沫鋁的宏觀失效機(jī)理及微觀失效機(jī)理，揭示其能量吸收特性影響規(guī)律，闡明陶瓷層對(duì)泡沫鋁的力學(xué)作用機(jī)理。本項(xiàng)目的開(kāi)展可揭示陶瓷增強(qiáng)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(jì)和應(yīng)用提供科學(xué)理論依據(jù)。

針對(duì)金屬泡沫循環(huán)變形行為實(shí)驗(yàn)研究和本構(gòu)描述方面的不足，通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，了解材循環(huán)過(guò)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(jī)理；基于實(shí)驗(yàn)揭示的規(guī)律，在多機(jī)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(duì)密度來(lái)反映位孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)變形行為的影響，建立一個(gè)基于變形機(jī)理的循環(huán)本構(gòu)模型；基于周期性邊界條件，對(duì)泡沫鋁壓縮行為進(jìn)行有限元模擬，討論了孔隙率、孔的形狀、孔的分布對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能的影響。還對(duì)泡沫鋁夾芯板的三點(diǎn)彎行為進(jìn)行了有限元模擬，對(duì)泡沫鋁拉壓彈性模量差異對(duì)夾芯板變形行為的影響和粘合夾芯板在三點(diǎn)彎加載下的脫粘破壞行為進(jìn)行了模擬和討論。研究成果將完善泡沫金屬材料的力學(xué)性能研究，對(duì)于促進(jìn)泡沫金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。