泡沫铝填充管的研究进展

泡沫铝填充管是在一个或多个不同横截面形状的薄壁金属管内填充泡沫铝而形成的一种结构功能一体化材料。泡沫铝的填充不仅提高了薄壁金属管的轴向压缩性能和抗弯曲性能,也避免了泡沫铝本身强度不高的劣势。从泡沫铝填充管的制备、结构及性能方面综述了其研究现状,从泡沫铝单管、双管与多管填充的角度分析了结构对泡沫铝填充管压缩和弯曲性能的影响。单管填充泡沫铝改变了薄壁管压缩及弯曲的失效形式,提高了薄壁管的吸能性;双管填充泡沫铝的内管多数以同心管形式排列,在管内部所填充的泡沫铝支撑的基础上,内管进一步支撑起泡沫铝填充管的承载和吸能作用,其压缩及弯曲性能较单管填充更为突出;多管填充泡沫铝在双管基础上进行拓展,可以同心或并列排布,对薄壁管性能的提升各有不同,平行排列的多管结构能量吸收效率高于泡沫铝填充单管,但低于相应的薄壁空管结构。泡沫铝填充管的制备技术通常是分别制取泡沫铝和管材再进行填充,尽管过于单一且工艺复杂,但由于其具有优异的承载和吸能能力,仍然在交通运输、航空航天等领域极具应用潜力。     

泡沫铝填充碳纤维增强树脂复合材料薄壁管的压缩变形行为与吸能特性

将填加造孔剂法制备的泡沫铝物理嵌入碳纤维增强树脂(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)复合材料薄壁管中,从而获得泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的复合结构。针对CFRP薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管分别开展准静态压缩试验测试其压缩和吸能性能,并在压缩过程中采用数字图像相关技术(Digital image correlation,DIC)同步分析其变形模式;进一步研究在不同环境温度下(25~150℃)泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能及失效模式。结果表明:泡沫铝作为填充芯材改变了CFRP复合材料薄壁管的压缩变形行为,由单一CFRP复合材料薄壁管的散射开花失效转变为泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的纤维层断裂失效。同CFRP复合材料薄壁管相比,泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的应力波动显著减小。随环境温度的升高,CFRP复合材料薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能均不断降低,但泡沫铝与CFRP复合材料薄壁管之间的交互作用增强,泡沫铝对CFRP复合材料薄壁管的增强作用在高温下表现更为显著。      

泡沫铝填充薄壁金属管结构冲击吸能特性研究

目的 为了研究静动态加载下泡沫铝填充薄壁金属管结构吸能特性随泡沫铝密度的变化规律。方法利用材料试验机对3种不同密度的泡沫铝填充薄壁金属管结构进行准静态压缩,利用Taylor–Hopkinson实验装置对相同结构进行动态压缩实验,基于电测和光测法获得结构的静动态压缩载荷位移曲线,对载荷位移曲线进行积分得到结构的静动态吸能特性。结果 准静态压缩下,随着泡沫铝密度的增加,泡沫铝填充薄壁管结构能量吸收能力近似成指数增加。动态压缩下,结构能量吸收能力随泡沫铝密度增加先保持不变后增加。结论 准静态压缩下,在薄壁金属管中添加泡沫铝能明显增加泡沫铝填充薄壁金属管结构能量吸收能力,但在动态压缩下,低密度泡沫铝的添加无益于增加结构的能量吸收能力,为增加薄壁金属管的吸能能力需要求泡沫铝的密度超过一定值。     

泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究

摘要：通过试验方法研究了泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器在准静态作用下的吸能特性。首先,进行了泡沫铝,薄壁金属管塑性变形缓冲器及泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的轴向压缩试验。然后,根据试验结果,对泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性进行了分析,并与独立的泡沫铝及薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性进行了比较。结果表明,泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的吸能特性有了很大的提高。在吸收的能量一定时,泡沫铝填充结构能够减少吸能结构所需要的体积与质量。     

空心微珠/金属基复合泡沫制备方法与吸能性能的研究进展

金属基复合泡沫是由空心微珠和金属基体复合而成的一种新型结构功能多孔复合材料。它具有许多优异的性能,如轻质、高比强度、高比刚度、高吸能能力、隔热、吸声隔音及电磁屏蔽等,高吸能能力是金属基复合泡沫的突出特点,在防撞、减振、缓冲及防爆抗振的汽车、航空航天、军事装备及船舶等领域具有广阔的应用前景。本文对金属基复合泡沫的基体材料、空心微珠填充材料、影响金属基复合泡沫压缩吸能性能的因素及压缩吸能机制进行了概述,重点报道了金属基复合泡沫常用的制备工艺及近年来铝基、镁基、锌基及钢基复合泡沫吸能性能的研究进展,分析了当前研究中存在的一些问题,并对金属基复合泡沫的应用现状作了阐述,最后展望了金属基复合泡沫的研究发展趋势。      

泡沫铝及其复合结构的制备和应用现状

泡沫铝因具有低密度、高比刚度、缓冲、减震等诸多优良特性而引起了人们越来越多的关注,并且逐渐在汽车、航空等领域得到广泛运用.泡沫铝复合结构是由泡沫铝芯与外层的致密金属通过各种连接方式所组成,其形状各异且具有比单纯泡沫铝更加优异的性能.综述了国内外泡沫铝及其复合结构的应用现状,讨论了其制备方法并对其发展前景进行了展望.     

闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管的低速冲击性能

目的 研究闭孔泡沫Al-Cu填充铝合金薄壁管在低速冲击载荷下的力学及吸能性能，探究泡沫Al-Cu与铝合金薄壁管之间的交互作用。方法 采用粉末冶金发泡法制备闭孔泡沫Al-Cu，并将其直接填充到铝合金薄壁管中，获得闭孔泡沫Al-Cu填充薄壁管(简称“填充管”)。采用万能电子试验机和冲击试验机对试样进行力学及吸能性能测试，采用VIC-3D系统和高速摄像机观察试样的宏观变形行为，采用扫描电子显微镜(SEM)分析试样的微观断口形貌。结果 在不同冲击能量下，泡沫Al-Cu具有较稳定的吸能特性。在相同位移下，较大冲击能量下的填充管能够吸收更多能量。与薄壁管相比，受冲击后填充管的形变较小且其冲击曲线更加平稳，表明泡沫Al-Cu芯材的填入能够增强变形稳定性及整体吸能能力。与泡沫Al-Cu相比，填充管受应变率影响较小，可在较宽应变率范围内稳定吸能，较高应变率下的冲击会导致泡孔发生脆性断裂。结论 填充泡沫Al-Cu芯材能够提高薄壁管受冲击载荷时的变形稳定性，两者之间的相互作用使填充管结构具有更好的吸能性能。     

高速冲击泡沫铝填充管的瞬态分析

泡沫铝具有减震和吸收冲击能量的良好特性。但由于泡沫铝自身强度较低,单独作为承载和吸能构件实用意义不大。将泡沫铝作为填充材料能充分发挥泡沫铝的优良性能。采用数值模拟方法研究低密度Duocel泡沫铝填充薄壁方钛管和圆钛管在30m/s的匀速冲击载荷作用下的瞬态吸能特性。提出柱壳比(R)作为比较不同截面形状的泡沫铝填充结构的依据。研究发现泡沫铝填充方钛管的比吸能为ES(F+P)A=0.438J;圆钛管的比吸能为EC(F+P)A=0.344J。泡沫铝填充方钛管的吸能效果好于圆钛管,前者是后者的1.273倍。在相互作用和影响下,泡沫铝柱和管的变形模式和力学性能都发生了较大的改变,被泡沫铝填充的方管的屈曲波长变短,圆管则与之相反。粘合后,泡沫铝柱和管具有类似的力—位移曲线和相似的力学性质。     

球磨对碳纳米管增强泡沫铝基复合材料压缩与吸能性能的影响

因碳纳米管（CNTs）具有优异的性能,被认为是金属基复合材料理想的增强体,因此如何制备得到CNTs增强体均匀分散的金属基复合材料一直是本领域的研究热点。本文通过原位化学气相沉积（CVD）、短时球磨和填加造孔剂的工艺成功制备了CNTs增强的泡沫铝基复合材料,着重研究了球磨过程对复合泡沫铝的微观形貌、压缩性能和吸能性能的影响规律。结果表明,随着球磨时间的延长,CNTs的分散性提高并逐步嵌入铝基体中,使复合泡沫铝的组织均匀性得到改善。相对于未球磨的含CNTs 3.0wt%的复合泡沫材料,当球磨时间增加至90 min时,复合泡沫铝的孔壁硬度、屈服强度和吸能能力分别提高了67%、126%和343%。     

Si元素对碳纳米管增强铝基复合泡沫组织与性能的影响

针对金属基复合材料,添加合金元素是提升其综合性能的有效途径。本文通过高能球磨和填加造孔剂法,制备了添加Si元素的碳纳米管(CNTs)增强铝基(CNTs/Al-Si)复合泡沫,通过准静态压缩实验测试其压缩性能和吸能性能,进一步研究烧结温度和不同Si元素含量对CNTs/Al-Si复合泡沫微观组织、压缩性能和吸能性能的影响,并结合压缩断口形貌分析其断裂失效机制。结果表明:随着烧结温度的升高,CNTs/Al-Si复合泡沫的致密度和结合性提高,当烧结温度为600℃、Si质量分数为7wt%时,CNTs/Al-Si复合泡沫的屈服强度、平台应力和吸能性能,较烧结温度为550℃时分别提高了98.4%、167.7%和166.4%;Si元素的添加可以在球磨过程中细化复合粉末颗粒,经合金化后的CNTs/Al-Si复合泡沫强度和塑性均有所改善。与CNTs/Al复合泡沫相比,Si质量分数为7wt%的CNTs/Al-Si复合泡沫屈服强度和平台应力分别提高了58.5%和117.8%,吸能性能明显提高。      

泡沫钢填充管的准静态压缩变形模式、力学性能及吸能特性

本工作以430L不锈钢粉为原料,采用粉末冶金法制备泡沫钢,然后通过物理粘结法将泡沫钢芯与薄壁金属管结合,分别对空管和泡沫金属填充管进行准静态轴向压缩实验,并对比分析空管和填充管的压缩变形模式、力学性能和吸能性能.研究表明:在压缩变形过程中,空铝管和泡沫钢填充铝管均呈现轴对称变形模式,而空钢管呈现非轴对称变形模式,泡沫钢填充钢管呈现混合变形模式;泡沫钢填充铝管抗压强度约为56.09 MPa,比泡沫铝填充铝管高1.69倍;泡沫钢填充钢管抗压强度高达116.03 MPa,比泡沫铝填充钢管高1.05倍;当应变量为40％时,泡沫钢填充铝管单位体积能量吸收值为27.93 MJ/m3,是泡沫铝填充铝管吸能值的2.91倍,泡沫钢填充钢管单位体积能量吸收值为35.98 MJ/m3,是泡沫铝填充钢管吸能值的1.15倍;当泡沫钢填充铝管的壁厚由1 mm增大到2 mm时,泡沫钢填充管的平台应力值增大1.36倍;在应变量为40％时,单位体积能量吸收值增大1.26倍,同时泡沫钢填充管在压缩过程中的变形褶皱数随着壁厚的增加而减少.     

泡沫铝填充多棱管的吸能分析

通过LS-DYNA模拟分析泡沫铝填充多棱管的准静态过程。以柱壳比（R）作为比较具有不同截面形状的泡沫铝填多棱管的依据。通过比吸能、比力和能量吸收率,实现泡沫铝填充多棱管吸能性能的定量化比较分析。研究发现在具有相同柱壳比的条件下,泡沫铝填充四棱管的比吸能最高;泡沫铝填充八棱管的能量吸收率最高（约78%）;四棱管的吸能量占泡沫铝填充四棱管总吸能量的比例最小（约57%）。不同的几何形状和结构对泡沫铝填充多棱管的吸能性能有着显著的影响。同时,对泡沫铝填充多棱管的变形模式和内在机制也做了初步的分析     

颗粒增强铝基复合材料界面性能的研究

颗粒增强铝基复合材料具有较好的比刚度、比强度、抗疲劳、耐热耐磨和辐射屏蔽等优点,广泛应用于航空航天、军工、电子和汽车等领域。在这类材料中,基体-增强体界面的结构与性能对复合材料宏观性能影响显著。综述了颗粒增强铝基复合材料主要的制备方法和应用现状,特别聚焦于界面的结构及其对复合材料宏观性能的影响方式与机制,同时指出了复合材料制备过程中各种因素对材料界面性质的影响。最后,展望了颗粒增强铝基复合材料界面性能研究的发展前景,指出可采用先进的微纳米尺度的测量技术,结合显微结构表征的方法,系统地研究界面性能与结构之间的关系。     

泡沫铝孔单元结构模型及压缩特性研究

泡沫金属是近年发展起来的一种新型结构功能材料.对熔体发泡法制备的泡沫铝进行压缩实验,测试了其压缩应力-应变曲线,探讨了压缩变形过程的机理.结果表明,泡沫铝压缩过程具有明显的三阶段变形特征,即弹性段、塑性变形平台段和压实段.压缩性能显示随泡沫铝孔隙率和孔径升高,屈服强度和压实强度下降,且随着颗粒增强剂SiCp的加入,泡沫铝强度得到较大提高.同时,初步建立起理想的孔单元结构模型,推导出孔隙率与孔结构(孔径、壁厚、孔分布)的关系.     

填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究

采用数值模拟的方法研究和分析了无填充物的多层铝管结构的吸能特性,结果发现多层铝管相比单层铝管,不但具有较大的吸能量,而且还具有较高的比吸能率;在此基础上,设计了不同层数的多层管泡沫铝填充结构,研究发现泡沫铝不但受轴向压溃变形,同时也受到了铝管层之间的相互作用力使其在径向发生了变形;之后对多层管填充3种不同密度的泡沫铝,采用变参分析的方法研究了多层管层数和泡沫铝密度对整个结构吸能特性的影响;研究结果表明:填充泡沫铝的多层管,随着层数的增加,其比吸能率和吸能量也随之有所增加,随着泡沫铝密度的提高,比吸能率的提高量开始下降,但仍高于填充相同泡沫铝的单层管。     

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。     

粉末冶金泡沫铝的研究进展

泡沫铝是一种新型的超轻多功能材料。粉末冶金发泡法因能制备异型泡沫铝和泡沫铝芯三明治复合结构．可满足汽车、航天、航空和军工等领域的需求，已成为当前泡沫铝研究的热点方向.本文介绍了国内外粉末冶金泡沫铝方面的研究现状，指出了现存问题。并展望了今后的发展趋势。     

面向星球探测的高速撞击穿透器缓冲防护设计与仿真分析

高速撞击穿透器以碰撞的方式嵌入天体内部,由于其着陆速度大,碰撞产生的过载严重,为了保证科学载荷在碰撞后能正常工作并且足够灵敏,必须对其进行减振防护。该研究对穿透器的减振结构进行设计,采用非线性有限元技术对穿透器的侵彻过程进行仿真分析,确定了穿透器的着陆速度,并研究了主要减振结构,即泡沫填充铝薄壁管,在碰撞载荷作用下的动态响应和能量吸收问题。从分析结果看,泡沫铝填充薄壁管在隔冲效率和能量吸收方面有较好的效果。     

闭孔泡沫铝的力学性能和吸能能力

在闭孔泡沫铝准静态压缩试验的基础上,研究了其力学性能、吸能能力。结果表明,闭孔泡沫铝单轴压缩应力-应变曲线呈现线弹性变形、塑性平台阶段、致密化阶段3个阶段;闭孔泡沫铝的压缩强度、吸能能力随着孔隙率的增大而减小,采用Gibson-Ashby模型分析闭孔泡沫铝的压缩屈服强度,吻合良好。并在此基础上,提出可供工程使用的多孔泡沫金属吸能能力公式,为其工程应用提供理论支持。     

椭圆形泡沫填充薄壁管斜向冲击吸能特性仿真研究

为了提高汽车在斜向碰撞中的防撞性,提出了一种新型的椭圆形泡沫填充管。以比吸能和冲击力峰值作为评价指标,采用有限元仿真的方法分析了椭圆向心率、壁厚和泡沫铝密度等参数对其斜向冲击吸能特性的影响。结果表明:向心率的减小,在小角度冲击时,可降低冲击力峰值,大角度冲击时,能提高比吸能量;比吸能和冲击力峰值与壁厚近似为线性关系;泡沫铝密度为0.153 g/cm~3时,泡沫填充管的综合比吸能最小,而冲击力峰值则随着泡沫密度的增大而增大。因此,合理地设计椭圆形泡沫填充管参数有利于提高汽车的防撞性,从而提高乘员安全性能。