泡沫铝合金三明治结构结合界面及剪切性能的...

芯材厚度及胞孔结构对闭孔泡沫铝三明治梁弯曲性能的影响杨福俊;卢位昌;何小元【摘要】采用三点弯曲加载方式对闭孔泡沫铝和铝板胶合成的三明治梁力学性能进行了实验研究。

通过实验分析不同的芯材厚度、弯曲加载跨距以及胞孔形状对三明治梁极限承载力以及结构失效模式的影响。

结果表明：三明治梁的抗弯极限承载能力随着芯材厚度的增加而增加；结构的失效模式与加载跨距及芯材的厚度有关，失效模式主要有压痕、芯材与面板断裂、面板皱褶及脱黏等形式；规则形状的胞孔芯材与不规则形状的胞孔芯材构成的同样尺寸的三明治梁相比：前者的极限承载力更大，能量吸收能力更高。

%Sandwich beams with aluminum alloy faces and aluminum alloy foam cores were tested in three-point bending to characterize their mechanical properties.Tests were performed on sandwich beams with varying geometries, loading span and cells shape of core to identify failure modes and ul-timate load.The experimental results show that the ultimate load increases as the growth of its thick-ness in core materials.The beam's failure modes vary with the thickness of the core and the loading span.The main failure modes include indentation, core and face yielding or crack, face wrinkling and delamination.It is also found that the ultimate load and energy absorption of aluminum sandwich beams are related to the cell shape of aluminum alloy foam core.Sandwich beams with foam core of spheroid cell shape have higher ultimate load and energy absorption than those with polygonal cell shape.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】5页(P1045-1049)【关键词】闭孔泡沫铝;三明治梁;弯曲荷载;变形行为【作者】杨福俊;卢位昌;何小元【作者单位】东南大学土木学院，南京210096;东南大学土木学院，南京210096;东南大学土木学院，南京210096【正文语种】中文【中图分类】TG115低密度的泡沫铝芯层板与硬质金属薄表皮黏合形成的泡沫铝三明治梁，这种三明治结构材料除了具有泡沫铝材料优异的功能材料特性外，它还克服了单一泡沫铝强度较低的缺点;具有比传统蜂窝板更高效的能量耗散能力、更高的冲击强度和耐热能力.此外，泡沫铝三明治结构还具有可设计性强、易于制备、能再生和加工性好等优点.在汽车制造、高速轨道车辆、航空、航天等领域具有广阔的应用前景［1-11］.目前，对准静态载荷下泡沫铝三明治结构力学行为的研究主要集中在三明治结构的变形或者失效模式、能量吸收能力及机理等方面.如Contorno等［2］用实验和数值模拟的方法研究了泡沫铝三明治梁的弯曲变形过程.Crupi等［3］通过静态和动态三点弯曲实验研究不同结合方式制备的泡沫铝三明治梁的结构响应，结果表明:名义尺寸相同的试件，当三点弯的跨距和泡沫铝三明治梁的特性不同时，会出现不同的失效模式.文献［4］研究了泡沫铝三明治梁的夹芯和面板材料对泡沫铝三明治结构准静态力学特性和失效的影响.Tagarielli等［5］为研究夹持条件对泡沫铝三明治结构弯曲行为的影响而进行了三点弯曲和拉伸弯实验，结果表明面板拉伸主导着夹具测试中的变形，而不受最初失效模式的影响.Styles等［6］研究了不同夹芯厚度的泡沫铝三明治梁的四点弯曲变形行为，结果显示不同厚度夹芯的泡沫铝三明治梁有不同的失效机制.张敏等［7］对复合轧制方法制备界面为冶金结合的泡沫铝三明治梁进行了三点抗弯实验，发现此时低孔隙率的泡沫铝三明治梁的抗弯强度和弯曲弹性模量比高孔隙率的大，而高孔隙率的泡沫铝三明治梁的断裂吸能和断裂挠度比低孔隙率的大.张林等［8］研究了球形孔泡沫铝合金的三点弯曲性能，实验证明球形孔泡沫铝合金三明治梁具有很高的弯曲比刚度和较低的密度，极限荷载比多边形孔泡沫铝合金三明治梁要大.本文采用静态三点弯曲实验和图像相关方法对胶合加工制备的夹芯材料为类球形和随机多面形闭孔泡沫铝、不同尺寸的三明治结构在相同与不同跨距下的抗弯性能进行研究，了解三明治梁的变形模式、力学性能，以及夹芯厚度与芯材胞孔结构对其影响，以期为泡沫铝三明治结构在实际的工程、生产等领域得到更好的应用提供实验数据支持.1 实验材料及方法采用金属熔体发泡法通过铝熔体的增黏、发泡和控制凝固等制备过程获得实验用泡沫铝.分别选取孔隙率为78.8%与87%左右的类球形胞孔及80.8%左右的随机多面形胞孔的闭孔泡沫铝作为芯材，泡沫铝线经电火花线切割加工成不同长度、宽度与厚度的芯层板共29块.全部采用厚度为1 mm的实心铝板作为前、后面板，面板和芯层板用AB胶黏合成三明治板，并在180℃的空气中养护24 h.将加工好的泡沫铝三明治板试样采用Instron®3367型电子试验机进行静态三点弯曲加载，测试其力学性能，同时利用CCD相机连续记录弯曲变形过程并对记录的图像进行图像处理，获得不同变形时刻的泡沫铝三明治变形行为.试样尺寸及实验时加载的支撑点跨距如表1所示，加载方式为位移控制方式，压头加载速率为1.5 mm/min，图像记录速度为10帧/min，每幅图像为2048×800像素，直到试验机压头压入试样至设定的位移值为止.表1 试样参数胞孔形状A1/A2/A3 220 1 15 40 200 87.3/87.5/87.5试样编号长度/mm 面板厚度/mm 芯材厚度/mm 宽度/mm 跨距/mm 孔隙率/%类球面B1/B2/B3 220 1 20 40 200 87.7/87.2/87.2 类球面C1/C2/C3 220 1 25 40 200 85.6/85.6/85.5 类球面D1/D2/D3 140 1 10 30 100 78.86/78.86/78.86 类球面D4 140 1 10 30 100 80.8 多面形E1/E2/E3 160 1 10 30 14078.86/78.86/78.86 类球面E4 160 1 10 30 140 80.8 多面形F1/F2/F3 180 1 10 30 160 78.86/78.86/78.86 类球面F4 180 1 10 30 160 80.8 多面形G1/G2/G3 200 1 10 30 180 78.86/78.86/78.86 类球面G4 200 1 10 30 180 80.8 多面形H1/H2/H3 220 1 10 30 200 78.86/78.86/78.86 类球面H4 220 1 10 30 200 80.8多面形2 实验结果与分析2.1 跨距相同、芯材厚度不同三明治板弯曲和变形特征图1为4组不同厚度闭孔泡沫铝芯材的三明治梁在跨距为200 mm时三点弯曲过程中的压力与压头位移(可近似为板中心处的弯曲挠度)曲线.其中孔隙率较高的A 组～C组的9个试样设定的压头最大位移为35 mm，孔隙率较低且芯材厚度较薄的H组，其4个试样在三点弯曲时的压头最大位移为20 mm.由图1中的压力-位移曲线可以看出，三明治板弯曲时在线性范围内的变形很小，大部分都是非线性或塑性弯曲.A，B两组试样的失效模式为压头局部压入式破坏，而C组试样中2个试样为面板屈服断裂式破坏，一个试样为面板与芯材层剪脱黏破坏.与A，B两组试样不同的是，C组3个试样均在压头位移压至35 mm前彻底失效，失去抗弯能力.图1 跨距为200 mm时的三点弯曲压力-位移曲线2.2 芯材厚度相同、跨距不同的三明治梁弯曲和变形特征图2为D组～G组芯材厚度相同的三明治梁在三点弯曲跨距为100～180 mm时的压力与压头位移曲线.每个试样三点弯曲加载时设定的压头最大位移为15 mm.由图可以看出，实验中D组和G组的离散性较大，而E组和F组的一致性较好.图2 芯材厚度相同、不同跨距的三点弯曲荷载下的压力-位移曲线2.3 多边形胞孔芯材的三明治梁弯曲和变形特征图3是5块芯材为多边形胞孔的三明治梁三点弯曲时的压力-位移曲线和卸载后的试样图像，所有梁的泡沫铝芯材的孔隙率及厚度、粘贴实心薄铝面板的厚度均相同.除试样D4为芯材层剪破坏外，E4～H4试样均为面板压入式失效，如图3所示，D4的压力-位移曲线分布与其他4个试样明显不同.图3 多边形胞孔芯材的三明治梁不同跨距下的变形特征2.4 结果分析与讨论尽管实验中三明治梁的芯材厚度、胞孔结构不同，但是静态弯曲载荷下的压力-位移曲线有类似的变化趋势.从加载起始至压力达到极限承载力之前均呈现较短的线性变形，然而进入弹塑性阶段，在达到极限承载力后，承载力先是在较小的位移内迅速下降，而后在较大的位移范围内缓慢下降.在图1跨距为200 mm的三点弯曲实验结果中，A组和B组试样在弯曲变形直至实验结束过程中，没有出现夹芯裂缝、面板断裂和面板与夹芯的脱落现象，泡沫铝夹芯板的破坏过程是面板局部屈服及其面板以下部分泡沫铝中的胞孔受压缓慢塌陷的塑性变形过程，因此在达到极限承载力后，结构的静态承载力没有发生突然下降.这说明面板与夹芯之间胶结很好，有较强的抗层剪力.由于实验中三明治梁截面高度(即板的厚度)远小于跨度，因此，横力弯曲时切应力影响可以忽略不计，将梁的弯曲理论应用于上、下表面面板厚度相同的夹心梁结构，可得其弯曲刚度D为［9］式中，Ef和Ec分别为面板和板芯材料的弹性模量;b为夹心梁的宽度;f为面板厚度;d为上、下面板中心距离;c为夹芯的厚度.式(1)右端的第一、二项分别对应于上、下面板的弯曲刚度，第三项对应于夹芯部分.根据式(1)夹芯的厚度对三明治梁的弯曲刚度影响可以忽略.事实上，芯材厚度的增加，对弯曲性能有一定的影响，但不是特别显著.对于A，B组试样芯材的孔隙率几乎相同，当芯层板的厚度增加了33%时，极限承载力增加18%.对C组试样，夹芯的厚度增加虽使得其极限承载力提高，但使得弯曲时结构中心层下半部分的层间拉应力随着压力的增加而增加，当应力超过面板的屈服应力时，三明治梁的下面板出现短暂屈服、硬化和撕裂，试样迅速失效.在黏结层抗剪切强度足够的情况下，三明治结构的破坏或失效形式主要有面板屈服断裂、芯材层剪或弯剪和压入屈服3种.而具体的破坏形式与结构的面板、芯材的抗拉、抗压强度有关.图2的厚度相同、跨距不同的三明治结构的三点弯曲实验表明，随着跨距的增加试样极限承载力逐渐减小.出现这种情况的原因，可以认为是D组～G组(包括图1中的H组)试样主要是弯剪变形.弯矩的大小等于跨距及压力乘积的一半，产生相同的弯矩，跨距越大，压力则越小.因为三点弯曲是横力弯曲，梁的横截面上不但有正应力还有剪应力.由于剪应力的存在，横截面不能再保持为平面，因此存在层剪.图2实验中试样的芯材孔隙率比图1中A组～C组试样芯材的孔隙率低，因此D组～H组试样芯材的抗拉、抗压能力较弱.如果面板与芯材胶结层抗剪强度不够，易出现纵向层剪引起的大部分或局部脱黏，导致面板屈曲起翘或芯材层剪断裂(见图4).另外，实验中D组和G组的离散性较大，其原因主要与试样个体芯材的孔隙率差异及胶结加工等因素有关.图4 试样失效模式(i=1，2，3)比较图2及图3的结果可见，芯材胞孔结构对于三明治结构的抗弯特性影响较为明显.尽管试样D4～H4的多边形胞孔芯材孔隙率比试样Di～Hi(i=1，2，3)类球形胞孔芯材的孔隙率高约2%，但多边形胞孔三明治结构极限承载力比同样尺寸的类球形胞孔三明治结构降低20% ～35%，试样D4～H4的失效模式除D4出现芯材纵向层剪破裂外，其他均为局部压入失效.而类球形胞孔芯材的试样Di～Hi(i=1，2，3)失效模式则较为复杂.3 结论1)泡沫铝三明治梁受三点弯曲荷载作用时，当跨距一定且试样其他几何参数相同的条件下，芯材厚度增加其弯曲极限承载力也增加，试样的失效模式与芯材厚度有关.芯材越厚，面板屈服断裂的可能性也越大.2)同尺寸三明治结构使用类球形胞孔泡沫铝芯材比使用随机多边形胞孔泡沫铝芯材具有更高的极限承载力和能量吸收力.参考文献(References)［1］Schwingel D，Seeliger H-W，Vecchionacci C，et al.Aluminium foam sandwich structures for space applications［J］.Acta Astronautica，2007，61(1/2/3/4/5/6):326-330.［2］Contorno D，Filice L，Fratini L，et al.Forming of aluminum foam sandwich panels:numerical simulations and experimental tests［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，177(1/2/3):364-367.［3］Crupi V，Montanini R.Alumininium foam sandwich collapse modes under static and dynamic three-point bending［J］.International Journal of Impact Engineering，2007，34(3):509-521.［4］Lehmhus D，Busse M，Chen Y，et al.Influence of core and face sheet materials on quasi-static mechanical properties and failure in aluminium foam sandwich［J］.Advanced Engineering Materials，2008，10(9):862-867.［5］Tagarielli L V，Fleck N A，Deshpande V S.The col-lapse response of sandwich beams with aluminium face sheets and a metal foam core ［J］.Advanced Engineering Materials，2004，6(6):440-443.［6］Styles M，Compston P，Kalyanasundaram S.The effect of core thickness on the flexural behavior of aluminum foam sandwich structures ［J］.Composite Structures，2007，80(4):532-538.［7］张敏，祖国胤，姚广春.新型泡沫铝三明治板的弯曲性能［J］.过程工程学报，2007，7(3):628-631.Zhang Min，Zu Guoyin，Yao Guangchun.Bending properties of novel aluminum foam sandwich panels［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2007，7(3):628-631.(in Chinese)［8］张林，何德坪.球形孔泡沫铝合金三明治梁的三点弯曲变形［J］.材料研究学报，2005，19(4):361-368.ZhangLin， He Deping.Deformation ofsandwich beams with spherical pore Al alloy foam core in threepoint bending ［J］.Chinese Journal of Materials Research，2005，19(4):361-368.(in Chinese)［9］Chen C，Harte A-M，Fleck N A.The plastic collapse of sandwich beams with a metallic foam core［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2001，43(6):1483-1506.［10］Kabir K R，Vodenitcharova T，Mark Hoffman M.Structural response of aluminum foam hybrid sandwich panels under three-point bending loading［J］.International Journal of Modern Physics B，2009，23(6/7):1733-1738.［11］杨福俊，王辉，杜晓磊，等.泡沫铝夹心板静态三点弯曲变形行为及力学性能［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(1):120-124.Yang Fujun，Wang Hui，Du Xiaolei，et al.Deformation behavior and mechanical properties of aluminum foam sandwiches under static three-point bending［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2012，42(1):120-124.(in Chinese)。

泡沫铝复杂曲面三明治结构制备方法与机理研究泡沫铝三明治结构是由面板与泡沫铝夹芯组成的三层复合结构,它具有致密金属和泡沫金属的双重优点,在航空、航天以及汽车等领域具有广阔的应用前景。

目前,泡沫铝三明治结构的主要制备方法有胶粘连接法和包覆轧制法,胶粘连接法环境适应性差,包覆轧制法工艺过程复杂,且所制备的泡沫铝三明治结构以平板结构为主。

为了进一步拓展泡沫铝三明治结构的应用,开展泡沫铝复杂曲面三明治结构的制备方法研究具有重要工程价值。

本文针对目前泡沫铝三明治结构制造及应用过程中存在的问题,提出了泡沫铝复杂曲面三明治结构制造的工艺方法:粉末包套轧制+热成形+高温发泡的工艺路线。

通过理论分析、实验研究与数值模拟相结合的手段,系统研究了该工艺路线中的技术关键及相关的机理,具体如下:氢化钛氧化处理后,颗粒形貌无明显变化,氢化钛由内至外依次形成了Ti3O和TiO2的氧化物薄膜,Ti3O/TiO2比例不同,氢化钛将呈现不同的颜色。

随着氧化处理温度的升高和时间的延长,氢化钛的质量损失率降低,热分解温度显著提高,520℃/3h氧化处理后,氢化钛的质量损失率仅为0.59%,而热分解温度则达到624℃,升高了 97℃。

对于本文中以AlSi12合金为基体来制备泡沫铝三明治结构来说,氨化钛的氧化处理工艺为480℃/1h。

三明治预制坯芯板的相对密度沿中线呈对称分布,随着轧制压下量的增加,芯板的相对密度增加,相对密度平台的长度也相应增加,当轧制压下量大于80%时,相对密度的大小和分布几乎是不变的,相对密度达0.98,坯料的有效利用率达70%。

面板和芯板之间形成了 5 μ m的元素扩散层,面板/芯板界面实现了冶金结合。

三明治预制坯的发泡过程是由孔隙的形成、长大及破裂三个阶段组成的。

在不同的阶段,孔壁的微观组织是不同的,孔壁的微观组织从球形α固溶体+共晶相转变为树枝状α固溶体+共晶相。

轧制压下量、发泡温度、发泡时间对三明治预制坯的发泡行为产生交互的影响,轧制压下量越大、发泡温度越高,发泡后三明治预制坯的膨胀率则越高;发泡时间则存在最佳值,在740℃的发泡温度条件下,最佳发泡时间是180s,三明治预制坯的膨胀率达2.56。

泡沫铝复杂曲面三明治结构制备方法与机理研究摘要：本文研究了如何制备泡沫铝的复杂曲面三明治结构，并探究了其制备机理。

首先介绍了泡沫材料的发展历程和种类，然后介绍了三明治结构的定义和分类。

接着介绍了制备复杂曲面泡沫铝三明治结构的工艺流程，并详细阐述了制备过程中的关键步骤，例如铝箔超声振荡、涂覆胶黏剂、组装复合等。

最后，通过扫描电镜（SEM）观察了不同曲率泡沫铝的微观结构，证明了复杂曲面泡沫铝三明治结构成功制备。

通过对制备过程中涉及到的材料、工艺参数和制备条件等进行分析，得出了制备成功的机理，并进行了讨论。

关键词：泡沫铝；三明治结构；复杂曲面；制备方法；机理研究1.引言泡沫材料具有轻质、隔热、吸声等优良性能，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。

泡沫铝作为一种新型泡沫材料，由于其具有高强度、高吸能、良好的导热导电性能等优点，正逐渐被人们所重视。

然而，由于其材料结构的特殊性质，使得制备复杂曲面的泡沫铝三明治结构成为一项技术挑战。

因此，为了满足特定应用需求，必须进行相应的研究和制备。

2.泡沫铝的种类及三明治结构的定义和分类泡沫铝主要分为两类：一类是开放孔结构，另一类是密闭孔结构。

根据其制备方法和孔隙率不同，又可分为片状泡沫、球形泡沫和管状泡沫等不同形态。

三明治结构（sandwich structure）是指将薄板材料（如金属板、塑料板等）和泡沫材料（如聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等）组合而成的结构。

根据其表面层数的不同，可分为单层三明治结构和多层三明治结构。

根据其材料组成的不同，可分为金属三明治结构、聚合物三明治结构和金属-聚合物三明治结构等不同类型。

3.制备复杂曲面泡沫铝三明治结构的工艺流程和关键步骤制备复杂曲面泡沫铝三明治结构的工艺流程主要包括：铝箔超声振荡、涂覆胶黏剂、组装复合等几个关键步骤。

具体方法如下：3.1 铝箔超声振荡铝箔是泡沫铝的核心材料，超声振荡是铝箔制备过程中的重要步骤。

通过超声波作用，可以使铝箔表面发生变化，形成表面起伏，实现复杂曲面的制备。

专利名称：一种用于泡沫铝三明治曲面结构成形的轧制装置专利类型：实用新型专利
发明人：王刚,齐鹏远,戴时雨,王复栋,张庆福
申请号：CN202220032786.5
申请日：20220107
公开号：CN216801250U
公开日：
20220624
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开一种用于泡沫铝三明治曲面结构成形的轧制装置，涉及三明治曲面结构领域。

该一种用于泡沫铝三明治曲面结构成形的轧制装置，所述桌板下表面的四个棱角处安装有支撑腿，所述空槽的内底壁安装有第一弹性件，所述移动杆的外表面与空槽的内壁相贴合，所述轧制机构包括支撑架、支撑杆、第一齿轮和第二齿轮，所述支撑架安装桌板的一侧，所述第一齿轮的上表面安装有电机，所述第二齿轮的内部连接有螺纹杆，且螺纹杆的两端分别贯穿支撑架的上表面和下表面。

该一种用于泡沫铝三明治曲面结构成形的轧制装置，便于更换不同弧度的轧制块，增加装置的实用性。

申请人：营口理工学院
地址：115014 辽宁省营口市博文路46号
国籍：CN
代理机构：西安赛嘉知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：胡正耀
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泡沫铝三明治板失效模式的研究祖国胤;卢日环;刘佳;马幸江;韩明博;彭飞【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2014(000)009【摘要】对采用包套轧制工艺及胶粘工艺制备的泡沫铝三明治板进行了准静态三点弯曲实验，分析了材料的变形行为及界面结合强度与失效模式间的关系。

研究结果表明，包套轧制法制备的三明治板的极限载荷明显高于胶粘三明治板，具有界面冶金结合特征的泡沫铝三明治板的失效特征体现为剪切失效与面板凹陷共同作用。

通过叠加原理修正了相关的模式公式，该模型具有较高的精度，可对预测三明治板极限载荷提供理论依据。

【总页数】4页(P9084-9087)【作者】祖国胤;卢日环;刘佳;马幸江;韩明博;彭飞【作者单位】东北大学材料与冶金学院，沈阳110819;东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819;东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819;东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819;东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819;东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819【正文语种】中文【中图分类】TG335.58【相关文献】1.泡沫铝三明治板的研究与应用进展 [J], 刘彦强;樊建中;马自力;杨必成;聂俊辉;魏少华;郝心想;邓凡2.泡沫铝芯三明治板的粉末冶金制备及其板/芯界面研究 [J], 梁晓军;朱勇刚;陈锋;何德坪3.应力波在泡沫铝夹层三明治板中传播规律的数值研究 [J], 胡亚峰;顾文彬;刘建青;王怀玺;黄鹤;徐景林4.泡沫铝三明治板冲压成形数值模拟分析 [J], 陈盛贵;罗剑英;邓世春;孙振忠5.阻尼层对泡沫铝芯三明治板隔声特性的影响分析 [J], 张春岩;沈火明;王瑞乾;张玉梅;肖新标因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。