泡沫铝芯三明治板的粉末冶金制备及其板/芯界面研究

采用粉末冶金发泡法制备了Fe/Al/Fe、Ti/Al/Ti泡沫铝芯三明治结构,研究了泡沫铝芯的膨胀规律,分析了面板与泡沫铝芯的冶金结合过程,提出了微观结合机制.试验发现,结合界面由扩散反应形成的金属间化合物以及冷却得到的凝固组织两部分组成,从而形成良好的冶金结合.     

泡沫铝合金三明治结构结合界面及剪切性能的研究

提出了一种新的泡沫铝合金三明治结构的制备工艺--直接将铝板/混合粉末/铝板通过一次大压下量复合轧制,然后在炉中直接发泡成最终产品的制备工艺.实验成功的制备出铝面板的泡沫铝合金芯的三明治板.讨论了铝面板泡沫铝夹芯板轧制过程中以及发泡过程中界面的结合情况及界面结合机理.结果表明,轧制过程中界面结合属于机械结合,结合机制为薄膜理论;发泡过程中界面结合属于冶金结合,而铝面板与粉末体结合发泡后,界面处则只发生Al原子的互扩散,没有新相生成.剪切实验结果表明,预制坯的界面剪切强度较低,能够直接在界面处剥离开或者将板剥离开一半后将板拉断;而发泡后的泡沫铝夹芯板的界面结合力很强,剪切时断裂发生在芯材中或者铝面板上.     

泡沫铝夹芯板芯材发泡的研究

泡沫铝夹芯板不仅克服了单一泡沫铝材料强度较低的缺点;而且还具有泡沫铝材料的诸多特殊性能,是一种非常有发展潜力的材料之一.通过复合轧制的方法制备了冶金结合的界面的泡沫铝夹芯板.研究表明,早期发泡的孔隙主要以横向方向长扁孔为特征,主要是长扁孔的形成与扩展.通过对泡沫铝芯材在不同的工艺参数下进行发泡得出通过本实验的最佳混料时间为2h,轧制压下率为60%～70%,发泡温度在620～630℃之间,发泡时间在8～10min.     

泡沫铝夹芯板的制备技术

泡沫金属是一类具有低密度以及新奇的物理、力学、电学、声学等特殊性能的新型材料.而泡沫铝的潜在用途之一是作为泡沫铝夹芯板的芯材使用.详细介绍了制备泡沫铝夹芯板的不同方法,如胶粘法、超声焊接法、激光协助发泡法、扩散焊接法、面板与预制材料轧制-包覆法和粉末复合轧制法等.通过比较,在国内粉末复合轧制法工艺简单,是最有希望适合高温作业和大批量生产的方法.     

泡沫铝三明治板材的研究现状

闭孔泡沫铝是一种结构与功能一体化的多孔材料,具有轻质、高比强度和比刚度、能量吸收能力强等优点,但也存在着表层单层孔壁力学性能较差、表面粗糙度高以及耐腐蚀性差等不足.为了解决上述问题,研究人员设计并开发了泡沫铝三明治板材(AFS),其制备方法主要分为物理连接法和冶金连接法.传统物理连接法制备的AFS存在着界面结合强度低和耐候性较差等不足;粉末冶金和焊接法等冶金连接法所制备的板材实现了芯材与面板之间的冶金结合,极大地提升了板材的力学性能和服役寿命,但依然存在产品尺寸范围较小、工艺复杂、生产效率低、成本较高等不足.目前,针对AFS力学性能的研究主要集中在准静态和动态变形、失效模式、能量吸收能力等方面,研究表明其动静态力学性能主要受控于实体面板和泡沫铝芯层的性质、界面结合强度等.近年来有限元分析法逐渐得到了研究者们的青睐,但仍存在许多问题需要解决.本文结合国内外文献,概述了近年来AFS在制备技术、力学性能等方面的研究进展以及产业化应用前景,从实体面板与泡沫铝芯层的物理连接和冶金连接两个方面介绍了主要制备技术,讨论和总结了准静态和动态力学性能的主要影响因素与机理,分析了国内外应用现状并对应用前景进行了展望.     

泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能

以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。     

液态扩散焊制备泡沫铝夹芯板及其疲劳行为

采用超声辅助液态扩散焊接的方法制备冶金复合泡沫铝夹芯板,利用光学显微镜（OM）和SEM观察冶金复合样品的界面组织和结构,发现连接界面发生了侵蚀作用,接头均匀连续;EDS线扫结果表明,连接界面处焊接合金（Zn-10Al）和铝基体间的元素扩散现象明显,表明在超声作用下,基体材料表面氧化膜被破坏,枝晶在界面附着生长,形成良好的冶金连接。将制备的冶金复合样品和胶黏泡沫铝夹芯板样品进行三点弯曲疲劳对比试验,结果显示,冶金复合样品和胶黏样品的疲劳极限分别达到3 058 N和2 829 N。在相同载荷下,冶金复合样品的疲劳寿命（S-N）远远长于胶黏样品。两种样品的疲劳破坏方式完全不同,胶黏样品表现为面板和芯层黏接面的脱黏剪切破坏,冶金复合样品的疲劳剪切破坏出现在泡沫铝芯层,没有出现面板脱离现象。     

面板材料对泡沫铝夹芯梁抗冲击性能的影响

为考查泡沫铝夹芯梁面板材料对其抗冲击性能的影响,运用数值模拟方法计算了相同重量下面板材料分别为304#不锈钢、工业纯铝和HRB335级钢三种泡沫铝夹芯梁在不同冲量作用下的动力响应;分析了面板材料对泡沫铝夹芯梁跨中变形及芯材压缩应变的影响.结果显示,在冲量相同的情况下,面板材料对泡沫铝夹芯梁的抗冲击性能有一定的影响;爆炸...     

两端固支泡沫铝夹芯梁在冲击荷载作用下的动力响应

提出两端固支泡沫铝夹芯梁在跨中受到冲击荷载作用下动力响应的简化理论计算方法。运用该方法及有限元软件LS-DYNA分别计算了泡沫铝夹芯梁在冲击荷载作用下的动力响应,着重考查了面板材料及芯材厚度对泡沫铝夹芯梁跨中位移的影响情况。并通过试验测量结果对理论计算结果及数值模拟结果进行了验证。研究显示,在不同冲量作用下,泡沫铝夹芯梁跨中位移理论值与实验结果两者符合程度较好,最大误差仅为14%;HRB335级钢面板泡沫铝夹芯梁较304#不锈钢面板泡沫铝夹芯梁在相同冲量作用下具有更小的跨中位移;芯材厚度的增加对提高泡沫铝夹芯梁抵抗冲击荷载的性能也有一定的贡献,夹芯梁芯材厚度由10mm增加至20mm,其跨中位移减小了33%左右。     

面板材料对泡沫铝夹芯梁抗冲击性能的影响

为考查泡沫铝夹芯梁面板材料对其抗冲击性能的影响,运用数值模拟方法计算了相同重量下面板材料分别为304#不锈钢、工业纯铝和HRB335级钢三种泡沫铝夹芯梁在不同冲量作用下的动力响应;分析了面板材料对泡沫铝夹芯梁跨中变形及芯材压缩应变的影响。结果显示,在冲量相同的情况下,面板材料对泡沫铝夹芯梁的抗冲击性能有一定的影响;爆炸荷载冲量越大,芯材的压缩应变越大,而且面板材料对压缩应变的这种影响也相应地增大。在较大的冲量作用下,HRB335级钢面板泡沫铝夹芯梁的跨中位移及芯材压缩应变都是三者中最小的。     

Blast impact response of aluminum foam sandwich composites

Military and civilian structures can be exposed to intentional or accidental blasts. Aluminum foam sandwich structures are being considered for energy absorption applications in blast resistant cargo containers, ordnance boxes, transformer box pads, etc. This study examines the modeling of aluminum foam sandwich composites subjected to blast loads using LS-DYNA software. The sandwich composite was designed using laminated face sheets (S2 glass/epoxy and aluminum foam core. The aluminum foam core was modeled using an anisotropic material model. The laminated face sheets were modeled using material models that implement the Tsai-Wu and Hashin failure theories. Ablast load was applied using the CONWEP blast equations (*LOAD_BLAST) in LS-DYNA. This paper discusses the blast response of constituent S2-glass/epoxy face sheets, the closed cell aluminum foam core as well as the sandwich composite plate.     

镁的添加对制备泡沫铝夹芯板泡孔稳定性的影响

通过粉末-铝板复合轧制方法制备出一种界面为冶金结合的泡沫铝夹芯板.分别采用对发泡剂的处理和添加Mg元素的方法来提高芯材泡沫的稳定性.研究发现只有同时对发泡剂处理以及添加Mg元素才能够提高泡沫的稳定性.研究了此种方法中重要的泡沫稳定机制,Mg元素的添加改善了铝硅合金粉末原料生产过程中产生的氧化物颗粒在孔壁上的润湿性,使氧化物颗粒嵌入孔壁中,阻碍了孔壁上金属排液现象的产生,有效的起到稳定泡孔的作用.     

Effect of processing parameters on cell structure of an aluminum foam

A closed cell aluminum foam with the same composition but different cell sizes and structures was prepared by changing air injection rate and impeller speed during foaming process to study the influence of air injection rate and impeller speed on cell structure. The foams prepared under the foaming conditions are characterized as roughly equiaxed polyhedral cells with density range of 0.1–0.22 g/cm³ and cell diameter of 4–11 mm with different cell wall thickness and Plateau border size. Cell size of the aluminum foam is increased with increasing air injection rate, and higher impeller speed results in a much smaller cell size at given air injection rate. Cell wall thickness and Plateau border size of the aluminum foams are decreased with the increase in cell size. Moreover, the higher impeller speed produces smaller size of the foam cells with thicker cell wall and Plateau border size, resulted in higher density foam in contrast to the foam with the same cell size prepared at lower impeller speed.     

泡沫铝制备过程中泡沫体形成机制研究

采用粉末冶金法制备泡沫铝材料，对发泡过程中泡沫体膨胀的演变过程及动力学机制进行了研究．通过对发泡过程的动态观测，获得了泡沫体体积膨胀与发泡时间的关系曲线．结果表明：泡沫体体积膨胀经历3个阶段：发泡初期的泡沫铝体积缓慢增大到迅速膨胀达到最大膨胀点，随后开始塌缩，体积保持在一定数值．对发泡过程动力学机制的分析表明，泡沫体膨胀过程与发泡剂分解产生的气体量和从熔体中排出气体的量有直接关系，由此推导出泡沫体体积-时间的动力学方程，该方程与实验获得的体积变化曲线相吻合，为发泡过程的控制提供理论依据．     

Aluminum foam integral armor: a new dimension in armor design

Closed-cell aluminum foam offers a unique combination of properties such as low density, high stiffness, strength and energy absorption that can be tailored through design of the microstructure. During ballistic impact, the foam exhibits significant non-linear deformation and stress wave attenuation. Composite structural armor panels containing closed-cell aluminum foam are impacted with 20-mm fragment-simulating projectiles (FSP). One-dimensional plane strain finite element analysis (FEA) of stress wave propagation is performed to understand the dynamic response and deformation mechanisms. The FEA results correlate well with the experimental observation that aluminum foam can delay and attenuate stress waves. It is identified that the aluminum foam transmits an insignificant amount of stress pulse before complete densification. The ballistic performance of aluminum foam-based composite integral armor (CIA) is compared with the baseline integral armor of equivalent areal-density by impacting panels with 20-mm FSP. A comparative damage study reveals that the aluminum foam armor has finer ceramic fracture and less volumetric delamination of the composite backing plate as compared to the baseline. The aluminum foam armors also showed less dynamic deflection of the backing plate than the baseline. These attributes of the aluminum foam in integral armor system add a new dimension in the design of lightweight armor for the future armored vehicles.     

泡沫铝衰减冲击波峰值压力的理论及数值分析

为比较系统地了解表面粘贴泡沫铝及其夹芯层对结构上作用冲击波峰值压力的衰减性能与影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了泡沫铝及其夹芯层衰减冲击波峰值压力的性能。并讨论了影响泡沫铝及其夹芯层衰减冲击波峰值压力的几个主要因素。研究结果显示,在达到压实应变之前,表面粘贴泡沫铝及其夹芯层能有效地衰减冲击波的峰值压力。达到压实应变后,泡沫铝及其夹芯层对冲击波峰值压力的衰减性能下降。孔洞形式、相对密度对泡沫铝衰减冲击波峰值压力具有明显地影响,面板材料对泡沫铝夹芯层衰减冲击波峰值压力的性能也有一定的影响。要取得较好地衰减冲击波峰值压力的性能需综合考虑以上因素进行优化设计,否则可能出现粘贴的泡沫铝或其夹芯层达不到衰减结构上冲击波峰值压力的目的。     

Al-Si闭孔泡沫铝电磁屏蔽效能

通过调整发泡温度、发泡时间、保温时间及发泡剂加入量等工艺参数,采用熔体转移发泡法制备不同相对密度的Al-Si闭孔泡沫铝.利用法蓝同轴法测试其电磁屏蔽效能,结果表明:电磁干扰频率对其屏蔽效能影响显著,在10～600MHz范围内,随着干扰频率增加,泡沫铝屏蔽效能逐渐减小,在600～1500MHz范围内,屏蔽效能又逐渐增加.相对密度对Al-Si闭孔泡沫铝材料电磁屏蔽效能影响不大.