泡沫铝-聚氨酯复合材料制备及力学性能分析

目的研究泡沫铝相对密度、聚氨酯含量、聚氨酯硬段质量分数(硬段在热塑性聚氨酯弹性体橡胶中所占的质量分数)对泡沫铝-聚氨酯复合材料力学性能的影响。方法自行制备泡沫铝-聚氨酯复合材料,对制备的泡沫铝-聚氨酯样品进行准静态压缩实验。结果通过准静态压缩实验,得出了不同泡沫铝的相对密度、聚氨酯含量、聚氨酯硬段质量分数分别对应的应力应变曲线。当聚氨酯硬段质量分数和聚氨酯含量一定时,泡沫铝相对密度从5.4%提升到6.1%,泡沫铝-聚氨酯屈服强度增加了12.8%,流变应力增加了29.8%。当聚氨酯硬段质量分数和泡沫铝相对密度一定时,聚氨酯含量从9.21 g提升到13.19g,泡沫铝-聚氨酯屈服强度增加了32.6%,流变应力增加了10.9%。当聚氨酯含量和泡沫铝相对密度一定时,聚氨酯硬段质量分数从15%提升到25%,泡沫铝-聚氨酯屈服强度增加了95%,流变应力增加了55.5%。结论不同的泡沫铝相对密度、聚氨酯含量、聚氨酯硬段质量分数与泡沫铝-聚氨酯复合材料的力学性能成正相关的关系,泡沫铝相对密度、聚氨酯含量、聚氨酯硬段质量分数与泡沫铝-聚氨酯复合材料的缓冲吸能特性成正相关的关系。     

泡沫铝-聚氨酯静态压缩特性及吸能特性分析

目的研究球形孔开孔泡沫铝相对密度、孔径对泡沫铝-聚氨酯复合材料力学性能的影响,以及对其吸能性能的影响。方法对制备的泡沫铝-聚氨酯复合材料进行准静态压缩实验。结果通过准静态压缩实验,得出分别对应的应力-应变曲线,并通过应力-应变曲线推导出吸能-应变曲线。当泡沫铝孔径一定时,泡沫铝相对密度从35.0%提升到38.4%时,泡沫铝-聚氨酯复合材料的屈服强度增加了6.5 MPa。当泡沫铝相对密度一定时,泡沫铝孔径从5.5 mm增大到9.5 mm时,泡沫铝-聚氨酯复合材料的屈服强度增加了3.38 MPa。结论泡沫铝的相对密度、孔径对泡沫铝-聚氨酯复合材料的性能有很大的影响,泡沫铝的相对密度越大,复合材料的性能越好,泡沫铝孔径越大复合材料性能越好,且泡沫铝相对密度越大,复合材料吸能特性越好,泡沫铝孔径越大,复合材料吸能特性越好。     

泡沫铝-聚氨酯复合材料力学及吸能性能分析

目的 研究泡沫铝相对密度、孔径对泡沫铝-聚氨酯复合材料准静态压缩力学性能、吸能性能、吸能效率和理想吸能效率的影响。方法 将制备的泡沫铝-聚氨酯复合材料试样在万能材料试验机上进行准静态压缩试验,得出对应的应力-应变曲线,由应力-应变曲线分析材料的吸能性能、吸能效率、理想吸能效率。结果 当泡沫铝孔径一定,泡沫铝相对密度由0.350提升至0.384时,泡沫铝-聚氨酯复合材料屈服强度提升了4.38 MPa,而最大吸能效率由0.29下降至0.27,准静态压缩性能有所提高。当泡沫铝相对密度一定,泡沫铝孔径由5 mm增加至9 mm时,泡沫铝-聚氨酯复合材料屈服强度提升了6.16 MPa,而最大吸能效率由0.25升高到0.27,准静态压缩性能有所提高。结论 当进行准静态压缩时,泡沫铝-聚氨酯复合材料压缩性能随相对密度的增大而增大,随孔径的增大而增大;泡沫铝-聚氨酯复合材料的吸能性能随相对密度的增大而增大,随孔径的增大而增大;泡沫铝-聚氨酯复合材料的最大吸能效率随相对密度的增大而减小,随孔径的增大变化微小。     

中等应变率下泡沫铝的吸能特性

进行了不同密度、高度和压缩方向下泡沫铝的准静态压缩试验和中等应变率下(＜100 s-1)的冲击试验,研究了具有不同密度的闭孔泡沫铝在准静态压缩和冲击工况下的吸能特性.结果表明,泡沫铝是一种近似的各向同性结构,具有较高的单位质量吸能特性,是一种较好的吸能材料.在准静态和中等应变率冲击条件下,泡沫铝对应变率不敏感,其应力应变关系与应变率关系不大.不同的泡沫铝,其平台应力与密度之间的关系不同,在研究其性能时,必须测量应力-应变关系.泡沫铝的致密区对其吸能特性有很大的影响.     

泡沫铝-聚氨酯复合材料压缩性能分析

目的研究泡沫铝孔径(泡沫铝内部孢孔直径)对泡沫铝压缩性能的影响,并对泡沫铝、聚氨酯(PU)、泡沫铝-聚氨酯复合材料的压缩性能和吸能性能进行对比分析。分析泡沫铝孔隙率、聚氨酯含量对泡沫铝-聚氨酯复合材料压缩性能和吸能性能的影响规律。方法对试样进行准静态压缩试验。结果通过准静态压缩试验,分别得出了对应的应力-应变曲线,并通过应力-应变曲线推导出吸能-应变曲线。结论从试验所得的应力-应变曲线和吸能-应变曲线可知,泡沫铝压缩性能、吸能性能随着泡沫铝孔径的增加而变好,且在泡沫铝中加入聚氨酯形成泡沫铝-聚氨酯复合材料后,其压缩性能、吸能性能相对于单纯泡沫铝、聚氨酯有很大提升。当泡沫铝孔隙率一定时,泡沫铝-聚氨酯复合材料的压缩性能、吸能性能会随着聚氨酯含量的增加而变好。当聚氨酯含量一定时,泡沫铝-聚氨酯复合材料的压缩性能、吸能性能会随着泡沫铝孔隙率的减小而变好。     

泡沫铝相对密度对泡沫铝-聚氨酯复合材料吸能性能的影响

目的通过准静态压缩试验研究泡沫铝-聚氨酯复合材料(AF-PU)的压缩性能,并利用试验数据探究泡沫铝(AF)相对密度对整体材料吸能性能的影响规律。方法首先使用相关仪器和材料制备AF-PU复合材料,其次用相关仪器对其进行准静态压缩试验。结果 AF-PU复合材料通过相关仪器进行准静态压缩试验,计算得到相对应的应力-应变曲线,同时通过计算得到相对应的吸能-应变曲线。当泡沫铝相对密度从5.6%增加到6.7%时,整体复合材料的屈服强度提升了22.18%。在压缩过程中,当复合材料的压缩应变为0.8时,整体复合材料的总吸能增加了70.08%。结论 AF-PU复合材料的吸能性能随着AF相对密度的增加而增强。     

相对密度对泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响

对不同相对密度的两种胞孔结构--开孔和闭孔泡沫铝进行了单轴压缩试验,研究了相对密度对泡沫铝力学性能和能量吸收性能的影响.结果表明:随着相对密度的增大,泡沫铝的屈服强度与流动应力也相应增加,通过对本实验结果进行拟合,得出泡沫铝的屈服强度与相对密度的关系式.泡沫铝材料吸收的能量随着应变量的增大而增加,在相同应变量下,高密度开孔泡沫铝的吸收能比低密度闭孔材料多.吸能效率反映材料本身的一种属性,高的理想吸能效率表明泡沫铝是一种优良的吸能材料.     

闭孔泡沫铝的动态压缩性能试验研究

为了研究闭孔泡沫铝动态压缩性能的应变率效应,采用改进的INSTRON高速动力加载系统,对不同应变率下闭孔泡沫铝试件进行动态压缩试验研究。首先利用正向试验和反向试验技术对不同厚度的闭孔泡沫铝试件在同一加载速率下的动态压缩性能进行了研究,得到了在一定速率下消除泡沫铝动态压缩试验中惯性效应的合理试件厚度。进一步开展了闭孔泡沫铝试件在不同加载速率下的高速压缩试验,研究了其动态压缩性能随应变率的变化规律。结果表明在高速压缩下,闭孔泡沫铝的应力-应变曲线与准静态条件相同,具有明显的弹性段、平台段及压实段的3阶段特征。闭孔泡沫铝的平台应力具有明显的应变率效应,而致密应变在不同的应变率下表现出了不同的变化趋势,初步解释为泡沫铝孔壁塑性变形机制的改变以及波动效应的相互影响。闭孔泡沫铝的吸能能力随应变率的增加而明显提升。     

泡沫铝变形与吸能特性研究

目的研究密度、孔洞分布以及加载应变率对泡沫铝材料变形行为和吸能特性的影响。方法对3种不同密度范围的泡沫铝材料进行不同应变率下的压缩实验研究。结果实验结果显示,在10 mm/min加载速率下,密度范围为0.27~0.33 g/cm3和0.47~0.53 g/cm3的泡沫铝材料平均屈服应力分别为1.3和7.2MPa,平均应变能密度分别为0.8和3.8 MJ/m3。此外,密度为0.453 g/m3但孔洞分布不均匀的泡沫铝应变能密度为3.26 MJ/m3,密度为0.449 g/m3但孔洞分布均匀的泡沫铝应变能密度为3.84 MJ/m3。结论随着密度的增加,泡沫材料的屈服应力以及对应于不同应变时的应力均增加,而孔洞分布均匀的泡沫材料的能量吸收能力明显优于孔洞分布不均匀的泡沫材料,此外,加载速度对泡沫材料的应力应变行为有一定的影响,但对其能量吸收能力并无影响。     

开孔与闭孔泡沫铝的压缩力学行为

研究了开孔与闭孔两种胞孔结构不同、制备工艺不同的泡沫铝在准静态压缩载荷下的压缩响应曲线.结果表明:开孔与闭孔泡沫铝压缩应力-应变曲线均具有多孔泡沫材料明显的三阶段特征,即线弹性段、塑性屈服平台段及致密段;相对密度对泡沫材料的力学性能(如杨氏模量、屈服强度)有很大影响;在准静态下,开孔泡沫铝表现出明显的应变率效应,而闭孔泡沫不如开孔敏感;泡沫铝材料表现为弱的各向异性;胞孔结构影响两种泡沫材料的压缩响应曲线.     

粉煤灰聚氨酯复合泡沫静动态力学特性实验研究

以大尺寸粉煤灰漂珠为主要组分,以硬质聚氨酯泡沫为黏结剂制备了一种具有多尺度胞孔形态的复合泡沫,对其准静态压缩和动态冲击下的力学性能和变形机制进行研究。结果表明:①该复合泡沫应力应变曲线具有典型的线弹性、塑性平台和致密化三个特征阶段且具有相对稳定的平台应力;在密度0.45~0.6 g/cm^3,复合泡沫平台应力(6.5~18 MPa)和到压实应变处吸收的能量(3.42~8.9 MJ/m 3)随密度增大而提高,且平台应力与相对密度之间满足幂函数关系;②采用铝蜂窝为增强相可使同密度下复合泡沫抗压强度和平台应力分别提升约20%~45%和10%~25%,准静态下复合泡沫主要发生剪切失效,增强泡沫的主要失效形式则转变为轴向压缩失效。③在0.001~1500 s^-1应变率范围内,复合泡沫抗压强度有明显的应变率效应但平台应力并未随应变率的增大而提高。增强复合泡沫的强度和平台应力均呈现出明显的应变率效应,采用铝蜂窝不仅能提高复合泡沫力学性能,还能够改善其力学行为,使材料具有更优异的动力学特性;研究为工业固废粉煤灰的综合利用提供新思路。     

相对密度对球体开孔泡沫铝压缩及吸能性能的影响

目的研究球体开孔泡沫铝的相对密度在准静态压缩过程中对球体开孔泡沫铝压缩性能和吸能性能的影响。方法对准备的3种不同相对密度的泡沫铝试样进行准静态压缩试验。结果利用相关软件绘制出不同相对密度球体开孔泡沫铝试样的实验曲线,由分析试验曲线可知,当泡沫铝的相对密度从0.35提升到0.392时,球体开孔泡沫铝的屈服强度虽增加了3.2MPa,但吸能效率的最大值下降了近2.4%。结论随着泡沫铝相对密度的提高,其压缩性能越高、抗压强度越高。在同等应变下,高密度泡沫铝比低密度泡沫铝的吸能性能好。泡沫铝相对密度越大,吸能效率的最大值越小,理想吸能效率的最大值也越小。     

熔体发泡法泡沫铝的力学性能研究

对采用熔体发泡法制造的不同密度泡沫铝进行了准静态压缩试验、拉伸试验和弯曲试验。结果表明,泡沫铝的压缩特性曲线包括线弹性变形区、平台区和密实化区。试样的高宽比H/D明显影响压缩应力-应变曲线。当H/D较小时,平台应力曲线较平滑;当H/D较大时,平台应力曲线剧烈波动,呈显著的锯齿状。且在试样中间部位出现与加载轴线呈25°—45°的剪切带。拉伸和弯曲过程中,泡沫铝应力快速增加,当达到应力峰值即屈服点后急剧减小,在最终破断失效前,没有明显的屈服变形带。压缩坪应力Rpl、拉伸屈服应力RUTS和冷弯屈服应力Rf随密度的增加而增加。     

Aluminum Melt Foam Processing for Light-Weight Structures

Aluminum foam was prepared by two routes, namely, gas injection technique and by the decomposition of TiH₂ blowing agent. The foam structure can be largely controlled by the amount of degassing agent and duration of foaming. The heterogeneity in cell structure could be explained on the basis of foam stability, drainage in the cell walls, and heat transfer during quenching. The variation in cell size and drainage is negligible when the holding time is around 120 s at 750°C. The constant strain rate compression tests indicate that the Young's modulus, plateau stress, and energy absorption capacity increases with relative density of the foam, while the densification strain reduces with increase in relative density.     

中低应变率下闭孔泡沫铝动态力学性能研究

为探索闭孔泡沫铝的动态力学性能与吸能特性,基于万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对闭孔泡沫铝在准静态和中应变率下(0.001~100s^-1)的动态力学性能进行了测试,分析了不同应变率、不同相对密度和不同泡沫铝基体特性下闭孔泡沫铝的应力应变曲线特征和吸能特性变化。研究结果表明:中低应变率下的纯铝基体泡沫铝并不具备应变率效应,高脆性、相对密度较小的泡沫铝具备更好的吸能特性,塑性和脆性基体泡沫铝变形带分别呈现“V”形和“X”形,脆性基体泡沫铝同样不具备应变率效应。     

漂珠聚氨酯复合泡沫力学特性及本构模型研究

以粉煤灰漂珠为主要组分的复合泡沫具有较高的比强度和比吸能,在轻质抗冲击结构设计和缓冲防护领域极具应用潜力。然而,漂珠尺寸和增强相等因素对材料力学性能和行为的影响机制尚不清楚,且当前研究尚未构建该类复合泡沫的力学模型,不利于开展结构设计中材料选型和数值仿真等工作。为此,该研究针对漂珠尺寸和蜂窝铝增强相对复合泡沫的力学性能和变形行为的影响规律进行系列准静态压缩实验研究,在此基础上采用Avalle理论构建该复合泡沫的力学模型。结果表明:①当相对密度小于0.29时,漂珠尺寸对复合泡沫的力学性能几乎没有影响;当相对密度大于0.29时,漂珠尺寸对复合泡沫力学性能的影响随密度的增大而增大;②对于含增强相的复合泡沫,含小尺寸漂珠的复合泡沫力学性能有明显提高,铝蜂窝的额外增强效果对包含小尺寸漂珠的复合泡沫更为明显,该增强机制主要是将材料的初始失效模式由剪切转变为轴向压溃;③使用Avalle理论构建的本构模型,其应力平台阶段和能量耗散特性的拟合与实验结果一致,可较为准确地预测该材料的基本力学性能。该研究可为粉煤灰的综合利用及其复合泡沫在轻质抗冲击结构设计中的应用提供理论参考和基本预测模型。     

The mechanical behavior of foamed aluminum

Experiments have been carried out to investigate the mechanical behavior of foamed aluminum with different matrixes and states. It is found that the matrix composition has a significant influence over the deformation, failure and fracture of foamed aluminum. Like other cellular solid materials, Al foam shows a smooth compression stress–strain curve with three regions characteristic of plastic foams: linear elastic, plastic collapse and densification. AlMg10 foam has a serrated plateau and no densification, characteristic of brittle foams. AlMg10 foam has higher compressive and tensile strength but lower ductility than Al foam. The difference in the mechanical properties between Al foam and AlMg10 foam decreases as the relative density decreases, and when it is lower than roughly 0.15, no difference can be discerned. The mechanical properties in compression are clearly higher than those in tension, which can be explained in terms of dislocation theory and stress concentration behavior.