不同孔隙率及孔径泡沫铝的力学与吸能特性研究

第24卷 第3期2009年6月实 验 力 学JO U RN A L OF EX PERIM EN T A L M ECH A N ICSV o l.24 No.3Jun.2009文章编号:1001 4888(2009)03 0223 05不同孔隙率及孔径泡沫铝的力学与吸能特性研究*穆建春,习会峰,龙志勤(茂名学院,广东茂名525000)摘要:对三种孔径两种孔隙率共六种泡沫铝试件进行了静态压缩试验,发现对于中孔隙率材料,孔隙率对材料力学性能和吸能性能仍有明显影响:孔隙率越大,其吸能能力越强,但是屈服极限越小。

孔径对材料吸能能力也有一定影响。

同时,试验中还发现,对于孔隙率为55%的材料,当孔径 1m m时,泡沫铝材料的孔径对其力学性能及吸能性能影响甚小。

关键词:孔径;孔隙率;静态压缩试验;吸能性能;力学性能中图分类号:O341 文献标识码:A0 引言泡沫金属材料具有体积密度小、比表面积大、阻尼性能好等特点,由于其同时具备结构材料和功能材料的特点,在汽车工业、航天航空、铁路运输及建筑行业中有广阔的应用前景,已成为21世纪热点研究的材料之一。

根据孔隙率的不同,泡沫金属材料一般可分为三种类型:(1)低孔隙率(<10%)泡沫金属材料;(2)高孔隙率(>70%)泡沫金属材料;(3)孔隙率介于10%~70%之间的泡沫金属材料,大量研究已经表明,较高孔隙率会使结构重量轻、刚度大,但是也会导致结构整体承载力低;低孔隙率将使材料吸能能力明显降低[1-3]。

对于孔隙率在10%~70%之间的泡沫金属材料的力学性能及缓冲吸能性能的研究还很不成熟。

基于上述现状,本文通过试验着力研究了孔隙率介于10%~70%之间的泡沫铝材料的孔隙率、孔径对其力学性能和缓冲吸能性能的影响。

表1 泡沫铝试件图表T ab.1 A luminum foam specimen table试件编号1#2#3#4#5#6#孔隙率(%)555555707070孔径(mm)310.1310.11 试样与试验方法试验中所采用的材料为具有通孔结构的泡沫铝金属材料,试验中选用了两种孔隙率,三种孔径的泡沫铝材料,压缩试件如图1所示。

试验在微机控制电子万能试验机上进行。

对泡沫铝压缩试验过程通过计算机自动记录,并对试验数据自动进行处理得到相应的应力应变曲线;泡沫铝的吸能效率曲线和理想吸能曲线通过对试验数据进行处理后得到。

*收稿日期:2008 11 18;修订日期:2009 05 17基金项目:茂名学院人才引进科研启动项目资助,广东省科技计划项目资助(编号:0711220400013))通讯作者:穆建春(1962-),女,教授。

主要研究领域:冲击动力学。

E mail:M u-cheng2004@2 试验结果图2、图3分别是孔隙率为55%和70%,孔径分别为3mm 、1m m 、0.1mm 的应力应变曲线;图4是孔径为3mm ,孔隙率分别为55%、70%的应力应变曲线。

从图2、图3和图4中可以发现,泡沫铝的压缩应力应变曲线基本呈三个阶段:线弹性阶段、塑性屈服阶段和致密化阶段,当孔径为3m m 时,这一现象尤其明显。

在弹性阶段,应力应变曲线基本呈线性关系。

从图4中可以看出,对于同一孔径下孔隙率不同其屈服极限也明显不同,孔隙率越大,屈服极限越小,当孔径为3m m 时,屈服极限对应孔隙率55%、70%分别为10.4MPa 和6.5M Pa;从图2中可以看出在当孔隙率为55%时,随孔径的不同,材料的屈服极限也有所不同,但是,当孔径小于或等于1mm 时,孔径对材料屈服极限没有明显的影响;当孔隙率为70%时,孔径对屈服极限没有明显影响。

在塑性阶段,随着应变的增加,应力的增加非常缓慢,应力应变曲线基本呈现为一屈服平台(见图3,图4);然后,应力随应变的增加快速增大,泡沫铝进入致密化阶段。

塑性阶段和致密化阶段曲线的交界处的应变称为压实应变,对应的应力称为压实应力。

从图中可以看出压实应变和压实应力随孔隙率和孔径的不同有明显不同,孔径为3mm 时,对应孔隙率为55%时的压实应变和压实应力分别约为0.5053MPa,28.6631M Pa;对应孔隙率为70%时的压实应变和压实应力分别约为0.5759M Pa,14.9239M Pa;当孔隙率为55%时,对应孔径为1m m 和0.1m m 的压实应力和压实应变没有明显不同(见图2)。

224 实 验 力 学 (2009年)第24卷3 试验分析J.M iltz 等[4]提出用理想吸能效率(ideality)和吸能效率(efficiency)对泡沫材料的吸能能力进行评估。

曾斐等[5]认为利用理想吸能效率曲线可以确定泡沫材料吸能能力的的强弱,通过吸能效率曲线则能更充分地利用材料的吸能性能,从而为泡沫材料作为缓冲器材料提供更好的设计依据[6]。

理想吸能效率曲线和吸能效率曲线分别定义如下:理想吸能效率曲线:I =1 m mm 0 d 吸能效率曲线:E =1 mm 0d 式中: m 为任意应变; m 为对应 m 的应力。

对于不同孔径同一孔隙率下,以及不同孔隙率同一孔径下的泡沫铝材料的应力应变曲线进行处理,得到的吸能效率曲线如图5、图6和图7;理想吸能效率曲线如图8、图9和图10。

图5为同一孔径下两种不同孔隙率的吸能效率E - 曲线图,可以看出,随材料孔隙率的增加,最大吸能效率有明显提高,对应孔隙率70%和55%,最大吸能效率分别为0.432和0.296,提高了近14%,由此可知,材料孔隙率对吸能效率有很大影响。

对应孔隙率70%和55%,最大吸能效率对应的应力值分别为14.924M Pa 和30.160M Pa,与材料的压实应力接近。

图6、图7为同一孔隙率不同孔径下的E - 曲线图,从图6和图7中可以看出,材料的孔径对最大吸能效率影响不大,尤其对于孔径小于225第3期 穆建春等:不同孔隙率及孔径泡沫铝的力学与吸能特性研究1mm 的材料。

对应孔隙率70%孔径为3m m 和1mm 时,最大吸能效率分别为0.432和0.433。

图8和图9为同一孔隙率不同孔径下的I - 曲线图,从图中可以看出,随着孔径的减小,最大理想吸能效率也有所下降。

从图8中可以看出对应孔径为3mm 、1mm 和0.1mm,最大理想吸能效率分别为0.808、0.732和0.724,分别下降了7.6%和0.8%,由图8可以看出,当孔隙率为55%,孔径小于1mm 时,孔径对理想吸能效率影响很小,但是从图9可以看出,当孔隙率为70%时孔径对理想吸能效率影响较大,对应孔径为3mm 、1m m 和0.1m m,最大理想吸能效率分别为0.821、0.745和0.646,分别下降了7.6%和9.9%。

图8中最大理想吸能效率对应的应力值按孔径降低的顺序排列依次为12.406MPa 、25.376M Pa 和20.245M Pa,近似为各自材料的平台应力。

图10为同一孔径不同孔隙率下的I - 曲线图,可以看出,孔隙率大,最大理想吸能效率则高,对应孔隙率为70%和55%,最大理想吸能效率分别为0.821和0.781,相差约4%。

综上所述,对于孔隙率在10%~70%之间的泡沫铝金属材料,最大吸能效率与最大理想吸能效率均随孔隙率的增加而明显增加,尤其是最大吸能效率,孔隙率对其影响很大。

孔径对最大吸能效率与最大理想吸能效率也有一定影响。

试验中还发现:当孔隙率为55%时,对于孔径为1mm 和0.1mm 的泡沫铝材料,其应力应变曲线及吸能效率曲线基本重合,均没有表现出明显不同,可以推断,对于一定范围内的孔隙率(孔隙率=55%左右)的泡沫铝材料,当孔径 1mm 时,孔径的变化对材料的力学性能及吸能性能均没有较明显影响。

4 结论本文对三种孔径两种孔隙率共六种泡沫铝材料进行了静态试验研究。

试验中发现,对于中孔隙率材料:1)孔隙率对材料的吸能能力有很大影响,孔隙率越大,其吸能能力越强。

当孔径为3mm 时,对应孔隙率为70%和55%的最大吸能效率分别为0.432和0.296,最大理想吸能效率分别为0.821和0.781;2)孔隙率对材料屈服极限影响很大,孔径为3m m 时,对应孔隙率分别为55%和70%的屈服极限分别为10.4MPa 和6.5M Pa;3)孔径对材料吸能能力也有一定影响,孔径越大,其吸能能力越强。

但是对于孔隙率为55%的材料,随着孔径的减小,孔径对材料的吸能能力的影响也明显减弱;4)孔隙率为55%时,对于较小孔径的泡沫铝材料,孔径的变化对于材料的力学性能及吸能性能影响甚小。

参考文献:[1] P faffenw al dr ing Pr ivate co mmunications w ith the I nstit ute for Str uctures and Desig n,DLR.Stuttar t 80,G ermany,226 实 验 力 学 (2009年)第24卷1996,1997:38-40.[2] Reid S R,Peng C.Dy nam ic axial crushing of w oo d[J].I nt.J.Impact Eng ng.,1997,19:531-542.[3] G ibso n L J,A shby M F.Cellula r Solids[M ].Per gamo n P ress,O xfo rd,1988.[4] M ilt z J,G ruenbaum G.Evaluation of Cushio n Pr operties of Plastic F oams Co mppressiv e M easurements [J ].P olymer Eng Sci,1981,21(15):1010-1014.[5] 曾斐,潘艺,胡时胜.泡沫铝缓冲吸能评估及其特性[J].爆炸与冲击,2002,22(4):358-362(ZEN G Fei,PA N Y i,H U Shisheng.Evaluat ion of Cushioning P ro per ties and Energ y absor ption Capability of Fo am Aluminum [J ].Ex plosio n and Sho ck W aves,2002,22(4):358-362(in Chinese))[6] 富裕,蒋平等.泡沫铝铜合金静态压缩力学行为和吸能性能的实验研究[J].爆炸与冲击,2006,26(5):416-422(FU Y u,JIA N G Ping,et al.Exper imental inv estigation on stat ic compressive behavior and energ y absor ption perfo rmance o f closed cellula r A l Cu a lloy[J].Ex plosio n and Shock Wav es,2006,26(5):416-422(in Chinese))Study of Mechanical Property and Energy Absorption Capacity of Foam Aluminum with Different Porosities and Pore DiametersM U Jian chun,XI H ui feng ,LONG Zhi qin(M aomin g U nivers ity,Guan gdon g M aoming 525000,C hina)Abstract:Static com pression tests w ere carried out for six kinds of foam aluminum specimens with three different po re diam eters and tw o different por osities.Results show that mechanical property and energy absor ption capacity o f foam aluminum w ith m edium porosity is sig nificantly affected by its por osity.T he higher po rosity is,the greater energy absorption capacity is,but the smaller y ield limit is.Mo reo ver,the energ y abso rption capacity of foam aluminum is also so mew hat affected by its pore diameter.At the same time,results show that mechanical pr operty and energy absorption property ar e less influenced for foam alum inum w ith 55%po rosity and pore diam eter less than 1millimeter.Keywords:por e diameter;po rosity;static co mpression test;energ y absor ption capacity ;mechanical pro perty 227第3期 穆建春等:不同孔隙率及孔径泡沫铝的力学与吸能特性研究。