聚氨酯复合泡沫塑料的准静态压缩力学性能

摘要摘要为探索泡沫铝材料应用于结构减振领域的可能性，本文以泡沫铝及泡沫铝/聚氨酯复合材料为基本研究对象，对其开展了材料层次的单调压缩和拉压循环试验、构件层次的钢管复合柱抗震性能试验。

主要研究工作及相关结论如下：(1) 试验研究了高径比为1，三种不同孔径(5~6mm、7~8mm和9~10mm)的球形通孔泡沫铝及其复合材料单调压缩力学性能。

研究明确了球形通孔泡沫铝及其复合材料压缩全过程中的关键受力特征，对比分析了各试件的应力－应变曲线，试验结果表明：球形通孔泡沫铝及泡沫铝/聚氨酯复合材料在单调压缩时的力学性能都呈现出明显的三阶段受力特性。

聚氨酯材料的加入，在一定程度上延缓了基体泡沫铝的破坏。

在泡沫铝/聚氨酯复合材料压缩过程的塑性平台阶段，聚氨酯开始发挥作用，对泡沫铝的强度和刚度有所贡献。

(2) 试验研究了孔径为7~8mm，三种不同高径比(1、1.5和2)的球形通孔泡沫铝及泡沫铝/聚氨酯复合材料的拉压不等幅循环力学性能。

研究对比分析了球形通孔泡沫铝及其复合材料拉压循环下的滞回曲线、骨架曲线及耗能性能等，结果表明：在拉压循环加载条件下，随着高径比的增加，球形通孔泡沫铝承载力和绝对耗能整体得到提高，填充聚氨酯材料对球形通孔泡沫铝的变形特性影响不大。

(3) 试验研究了空钢管柱、钢管-泡沫铝复合柱以及钢管-泡沫铝/聚氨酯复合柱的抗震性能，分析了试验柱的承载力、延性、耗能能力等，研究结果表明：填充泡沫铝及复合材料可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲，增强了钢管的稳定性。

与空钢管柱相比，钢管-泡沫铝复合柱和钢管-泡沫铝/聚氨酯复合柱构件在低周往复荷载作用下的延性、承载力、刚度、绝对耗能均有所提高。

说明填充球形通孔泡沫铝及泡沫铝/聚氨酯复合材料，在一定程度上可以提升空钢管柱的抗震性能。

关键词：泡沫铝/聚氨酯复合材料；压缩性能；拉压循环性能；钢管-泡沫铝/聚氨酯复合柱；抗震性能The purpose of this paper is to explore the possibility of applying Aluminum Foam materials to the field of structural vibration mitigation. Aluminum Foam and Aluminum Foam /Polyurethane complex materials were used for the basic research objects in this paper. Monotonous compression and tensile-compression cycle tests were performed at the material level, and seismic performance test for steel composite column was conducted at component-level. The main research work and related conclusions are as follows:(1) First test analyzed the monotonic compression mechanical behavior of three spherical open - cell Aluminum Foam and their composites with an aspect ratio of 1, pore sizes 5~6mm, 7~8mm, and 9~10mm, respectively. The essential force characteristics of the spherical open - cell Aluminum Foam and its composites during compression are clarified. The stress-strain curve of each specimen is compared and analyzed. The test results demonstrated that: The mechanical behavior of spherical open-cell Aluminum Foam and Aluminum Foam/ Polyurethane complex materials exhibit a distinct three-stage stress behavior under monotonic compression. The addition of Polyurethane material, to a certain extent, delayed the crash of the Aluminum Foam matrix. During the plastic platform stage of the compression process, the Polyurethane begins to function and contributes to the strength and stiffness of the Aluminum Foam.(2) Second test analyzed the tension-compression mechanical behavior of three spherical open - cell Aluminum Foam and their composites with pore size 7~8m, and an aspect ratio of 1, 1.5 and 2, respectively. The hysteresis curves, skeletal curves, and energy dissipation behavior of each specimen under tension-compression cycles were compared and analyzed. The results demonstrated that: Under the conditions of tensile-compression cyclic loading, the bearing capacity and absolute energy consumption improve with the increasing of height to diameter ratio. The Polyurethane material has little effect on the deformation characteristics of spherical open - cell Aluminum Foam.(3) Third test analyzed the bearing capacity, ductility and energy dissipation of hollow steel tube column, Aluminum Foam filled steel tube composite column and Aluminum Foam-Polyurethane filled steel tube composite column, respectively. The results demonstrated that: The material can delay local buckling of the steel tube and enhance the stability of the steel tube. Compared with the hollow steel tube column, the ductility, bearing capacity, stiffness and absolute energy consumption of the Aluminum Foam filled steel tube composite column and Aluminum Foam-Polyurethane filled steel tube composite column increase under low cyclic loading. Filling spherical open - cell Aluminum Foam and aluminum/Polyurethane composite can improve the seismic performance of hollow steel columns.Keywords: Aluminum Foam /Polyurethane complex materials, compressive behavior,tensile-compression cycle behavior, Aluminum Foam-Polyurethane filled steel tube composite columns, seismic performance. .4.1 引言泡沫铝及其复合材料，尤其是泡沫铝复合材料，改善了泡沫铝的诸如压缩、拉伸等力学性能，使其具备优良的滞回耗能特性；同时，泡沫铝复合材料充分利用了泡沫铝与粘弹性材料的阻尼机制，具备很好的耗能特性，可以考虑将其其应用于需要缓冲吸能的场合。

聚氨酯泡沫材料动态力学性能聚氨酯泡沫材料是一种具有轻质、高强度、耐冲击性和隔热性能的材料，广泛应用于建筑、交通、包装、家具和电子等领域。

其动态力学性能是指在动态载荷下，聚氨酯泡沫材料的变形、振动和震动等行为。

以下将详细介绍聚氨酯泡沫材料的动态力学性能。

首先是聚氨酯泡沫材料的压缩性能。

在受到压缩力作用时，聚氨酯泡沫材料具有良好的吸能能力，能够吸收并分散压力，减缓外部力对其他部件的冲击。

此外，聚氨酯泡沫材料的回弹性能也很好，在外部力解除后能够恢复原状，不易变形。

其次是聚氨酯泡沫材料的振动性能。

聚氨酯泡沫材料的密度较低，结构松散，因此具有较好的吸振性能。

在受到外部振动力作用时，聚氨酯泡沫材料能够吸收和分散振动能量，减少振动的传递和传播，保护其他部件不受振动影响。

这使得聚氨酯泡沫材料在防震降噪领域有着广泛的应用。

再次是聚氨酯泡沫材料的冲击性能。

聚氨酯泡沫材料具有较高的强度和韧性，能够在受到冲击力作用时发挥良好的耐冲击性能。

聚氨酯泡沫材料的结构松散，能够缓冲和分散冲击能量，减少外部冲击对其他部件的损害。

因此，聚氨酯泡沫材料常被用作包装材料、防护材料和保险材料等，能够有效保护产品不受损坏。

此外，聚氨酯泡沫材料还具有良好的隔热性能。

其结构中含有大量的气孔，这些气孔具有良好的隔热性能，能够减少热量的传导。

聚氨酯泡沫材料的热导率较低，能够有效防止热量传递，保持温度的稳定性。

因此，聚氨酯泡沫材料在建筑和冷链运输等领域有着广泛的应用。

除了上述动态力学性能外，聚氨酯泡沫材料还具有良好的耐化学性能、耐水性能和耐老化性能。

聚氨酯泡沫材料能够在酸、碱、溶剂等恶劣环境条件下保持稳定性能，并且不易受水分、湿度和紫外线等因素的影响，保持较长的使用寿命。

总结起来，聚氨酯泡沫材料具有优异的动态力学性能，包括压缩性能、振动性能、冲击性能和隔热性能等。

这些性能使得聚氨酯泡沫材料在多个领域有着广泛的应用前景，如建筑领域的隔热材料、交通领域的减震材料、包装领域的缓冲材料等。

温度对聚氨酯泡沫力学性能的影响温茂萍庞海燕敬仕明聚氨酯泡沫是一种比重较小的多孔材料，具有密封、隔热及绝缘等优良性能，同时又具有很好的缓冲和减振作用，在武器装置中已得到广泛应用，不但作为易损部件包装及重要设备的防护材料，而且还作为结构物内部的填充物。

作为支撑和包装材料，其力学性能应是其重要的性能参数之一。

聚氨酯泡沫属于高分子材料，温度对其力学性能有一定的影响。

文中研究温度对其力学性能的影响，首先测试聚氨酯泡沫材料在不同温度下的压缩及拉伸应力-应变曲线，从其压缩应力–应变曲线上可以计算得到聚氨酯泡沫材料在不同温度下的压缩性能数据，如压缩模量、σ0.01、屈服强度等，其中σ0.01是聚氨酯泡沫压缩应变为0.01时的应力，同样，从拉伸应力–应变曲线上可以计算得到聚氨酯泡沫材料在不同温度下的拉伸性能数据，如拉伸模量、抗拉强度。

试验条件：(1)试样种类及尺寸；均为带玻璃微珠聚氨酯泡沫试样、尺寸为φ50 mm×60 mm，密度为0.50 g/cm3；(2)仪器设备；INSTRON-5582试验机，负荷传感器为100 kN，双侧引伸计，其量程为2.5 mm、标距为25 mm；(3)试验类型，压缩和拉伸，加载速率均为5.0 mm/min；(4)试验温度，0，25，35，45，55，65，75 ℃。

从试验结果看，聚氨酯泡沫的拉伸、压缩力学性能均随温度增加而下降，因此聚氨酯泡沫材料力学性能对温度比较敏感，采用下式所示的Johnson热黏塑性本构方程对试验结果进行拟合，]1)[ln1)((*mn TCBA-++=εεεσ其中A，B，C，n，m是材料常数，ε ，0ε 分别为试验应变和准静态加载时试样的平均应变速率，本文中ε /0ε =1，T*是定义为下式的无量纲温度：T*=(T-T r)/(T m-T r)，T m，T r分别为20 ℃和120 ℃。

采用这一本构模型对聚氨酯泡沫在不同温度下的拉伸、压缩应力-应变曲线进行了拟合，拟合曲线以及得到的材料常数分别如图1，2所示。

聚氨酯泡沫塑料的性能测试材料性能的测试和分析是认识、鉴别材料的唯一手段，是了解其基本性能、建立性能与结构关系，为材料配方、加工和使用提供充分和必要条件的“数据库”。

同一材料、同种性能的测试方法，结果表征都可能有多种方式，为了能有效地进行不同体系的配方比较、生产上的品质控制和质量验收，以及在应用中作为性能指标和工程设计的数据，在实际检测中形成了一系列统一的、规范的概念。

一、检测中的数据处理与误差分析1.数据位数：有效数字，在测试中，由于测量总含有误差，测得的数值总是近似数，因此，表示测量结果数字的位数不宜大多，也不宜太少。

太多容易使人误认为精度很高，太少则会损失精度。

例：如果测量结晶L的极限误差是某一位上的半个单位，该位到L的左起第一个非零数字一共有几位数，则我们说L有几位有效数字。

2.数字舍入规则：当实验结果由于计算或其它原因位数较多时，须采用以下的舍入规则进行：舍去部分的数值，大于0.5，则末位加1；反之末位不变；末位数等于0.5时则奇进偶不进。

3.误差：对一个物理量测量后，测量结果与该物理量真实值大小之间的差异。

即误差＝（测量值）-（真实值），这里真实值可以是绝对正确的值，也可以是标称值，更多的则是精确度较高的测量值。

（1）绝对和相对误差：其中，绝对误差指误差的绝对值，绝对误差＝｜测量值-真实值｜。

相对误差指误差与真实值的比较，相对误差＝误差/真实值≈误差/测量值（2）误差的种类：从误差的性质来看，误差可以分为四种：偶然误差：单项测量时，误差可大可小，可正可负，但多项测量后，其平均值趋于零的误差。

系统误差：服从某一确定规律的误差。

综合误差：偶然误差与系统误差的合成。

粗差：明显歪曲测量结果的误差。

在测量结果中是不允许存在的。

4.精度：实际上是误差的另一种说法，它反映测量结果与其真实值接近的程度。

精度高的实验其误差小。

精度又分为：（1）精密度：表示实测值彼此之间一致的程度。

反映偶然误差大小的程度。

第16卷1999年　第4期10月复　合　材　料　学　报A CTA M A T ER I A E COM PO S ITA E S I N I CA V o l .16 N o.4O ctober 1999 收修改稿、初稿日期:1998212220,1998207215玻璃纤维增强灌注型聚氨酯泡沫塑料的拉伸、压缩性能和破坏机理闻荻江 陈再新 李国忠3(苏州大学材料工程学院,苏州215021)　(3山东建材学院)摘　要　研究了用短切玻璃纤维对硬质聚氨酯泡沫体的增强效果及拉伸、压缩的破坏行为。

结果表明当纤维长为12mm 时,6w t %纤维含量的增强效果为最好,可以使泡沫体的拉伸强度提高75%,压缩强度提高25%,压缩模量增加约30%。

纤维增强的泡沫体拉伸产生的裂纹扩展时,遇到纤维可能终止扩展(应力不大时),也可能发生偏转(应力较大时);泡沫破坏时,可能出现纤维拉出、拉断等不同的破坏形式。

增强泡沫体在压缩破坏时,主要是泡沫结构的支柱弯曲、扭转变形引起泡壁破裂和支柱失稳,并导致材料的破坏。

关键词　玻璃纤维,聚氨酯,增强泡沫体,破坏机理中图分类号　TB 332 泡沫塑料的最大优点是质轻、隔热保温、吸音及缓冲抗震性优良,故得到广泛的应用,但作为结构材料的配套材料,还缺乏一定的强度和刚度。

纤维增强泡沫塑料为树脂基体、纤维及气体所组成的一种三相复合材料。

利用玻璃纤维增强泡沫塑料进入结构材料的应用,是技术领域的一个新趋势,也是泡沫塑料的一个重要研究课题。

以纤维增强泡沫塑料,使原泡沫基体的强度、蠕变阻尼、变形、热扭曲温度及其它物理性能有明显的改善[1]。

因此,很有必要对其物理机械性能和拉伸破坏机理进行探索和研究。

本文作者根据国内的灌注成型的聚氨酯泡沫,利用短切玻璃纤维增强,考察了其物理机械性能和拉伸破坏机理。

1　实　验1.1　原材料 树脂:组合聚醚(Θ0.04 50,含发泡剂)、PA P I (均由常州向阳化工厂提供) 玻璃纤维:中碱45s1.2　玻璃纤维的预处理 将纤维切短为12mm ,干燥待用。

工 程 塑 料 应 用ENGINEERING PLASTICS APPLICATION第44卷，第8期2016年8月V ol.44，No.8 Aug. 2016124doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.027硬质聚氨酯泡沫压缩性能增强研究进展*鲍铮，刘钧，张鉴炜，边佳燕(国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙 410073)摘要：从纤维增强、粒子增强、混杂增强3个角度介绍了不同增强体对硬质聚氨酯泡沫压缩性能的增强改性效果，阐述了各类增强体的增强机理与特点，讨论了表面改性对增强效果的影响，并对不同增强体提高硬质聚氨酯泡沫压缩性能的发展趋势作出展望。

关键词：硬质聚氨酯泡沫；增强体；改性；压缩性能中图分类号：TQ328.3 文献标识码：A 文章编号：1001-3539(2016)08-0124-05Research Progress on Reinforcement for Compressive Property of Rigid Polyurethane FoamsBao Zheng ， Liu Jun ， Zhang Jianwei ， Bian Jiayan(College of Aerospace Science and Engineering ， National University of Defense and Technology ， Changsha 410073， China)Abstract ：The reinforced effects of different reinforcements ，including fiber reinforcing ，particle reinforcing and hybrid rein-forcing ，on the compressive properties of the rigid polyurethane foam were reviewed. The reinforcing mechanisms and characteristics for the different reinforcements were expounded ，and the in fluences of the surface modi fication of reinforcements on the reinforcing effects were also discussed. Finally ，an outlook for the developing trends of the reinforcements on improving compressive properties of the rigid polyurethane foams were given.Keywords ：rigid polyurethane foam ；reinforcement ；modi fication ；compressive property 聚氨酯是一类由多元羟基化合物与多元异氰酸酯反应制备的主链具有氨基甲酸酯重复单元的聚合物，最早由德国I. G. Farben 公司的O. Bayer 合成而得[1]。

聚氨酯泡沫塑料性能检测1、制备试样的基本要求聚氨酯泡沫塑料各项性能检测的试样，应在室温（23±2）℃下存放72 h 后的保温管道上切取，取样点应距管道保温层两端头大于500 mm 处。

取样时应去除紧贴工作钢管和外护管的泡沫皮层，去除皮层厚度分别为5 mm 和3 mm 。

多块试样应在保温层同一环形截面均匀分布的位置上切取。

2、泡孔尺寸2.1、沿保温层环向均匀分布的3个位置上分别切取1块试样，每块试样的尺寸为50 mm ×50 mm ×t mm ，t 为保温层径向最大允许厚度，但不应小于20 mm 。

2.2、用切片器沿每块试样的任意一个切割面切取厚度为0.1 mm ～0.4 mm 的试片。

2.3、将两片50 mm ×50 mm 的载玻片，用胶布沿一边粘接成活页状，上层载波片上贴附1张印有30 mm 长标准刻度的透明塑料膜片。

2.4、分别将3块试片夹在两载波片之间，再将载波片置于投影仪或放大40倍～100倍有标准刻度的读数显微镜之下，调节成像清晰度。

在30 mm 直线长度上计数泡孔数目，并以30 mm 除以泡孔数目，分别求得每块试片上泡孔的平均弦长。

然后计算3块试片泡孔的平均弦长。

当试片长度不足30 mm ，可在最大长度上计数泡孔数目，再将实际最大长度除以数得的泡孔数目，得到泡孔的平均弦长。

2.5、当泡孔结构尺寸在各个方向上明显不均匀时，则应在3块试样的3个正交方向上各切取试片，求取9块试片上泡孔的平均弦长。

2.6、平均泡孔尺寸按公式（2）计算，计算结果保留两位有效数字。

AL D ………………………………………（2） 式中：D ——泡孔平均尺寸，单位为毫米（mm ）；L ——泡孔平均弦长，单位为毫米（mm ）；A——弦长与直径的换算系数，按0.616取值。

2.7、采用精度为0.02 mm 的游标卡尺或千分尺测量试样尺寸。

3、闭孔率3.1、泡沫闭孔率的测试应按GB/T 10799的规定执行。

玻纤增强硬质聚氨酯泡沫塑料研究进展朱海静杨伟李忠明杨鸣波(四川大学高分子材料科学与工程学院，成都610065)王建华罗陈雷芦艾田春蓉(中国工程物理研究院化工材料研究所，绵阳610003)摘要主要介绍近年来玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫塑料的成型方法、力学性能及形态结构等方面的研究进展，探讨了玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫塑料的增强机理，详细讨论了玻璃纤维的长度、含量对增强硬质聚氨酯泡沫塑料力学性能的影响。

关键词聚氨酯泡沫塑料玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料是一种应用广泛的工程材料，是使用特殊的发泡工艺制作而成的，具有相对密度低，比模量、比强度高，以及较好的绝热、隔音、耐化学腐蚀性，受到工程界的普遍重视。

作为一种理想的轻质结构材料，它广泛用于航空结构件、航海结构件及体育运动器材等方面；作为一种很好的能量吸收材料，它经常用作各种防撞缓冲包装或衬垫材料；此外，较高密度的聚氨酯泡沫塑料还可以作为工程结构材料使用。

不过聚氨酯泡沫塑料强度较低，在许多特殊的工作条件下达不到使用要求，所以很多研究工作者都开展了对聚氨酯泡沫塑料增强的研究。

增强聚氨酯泡沫塑料是一种新型的复合材料，自20世纪70年代末注模成型技术出现后，这种材料得到了迅速发展。

1 玻纤增强聚氨醋泡沫塑料的成型方法随着机械设备的发展和改进，玻纤(GF)增强聚氨酯泡沫塑料成型方法呈现多样化的趋势，典型的有浇注成型、注射成型等。

浇注成型是用搅拌器将GF分散到组合聚醚中，分散均匀后加入一定配比的异氰酸酯，快速搅拌，迅速进行浇注，固化。

这种成型方式成本较低，模具装置简单，但循环周期较长，不方便连续化作业，而且制品的性能不易得到保证，主要是由于空气排除性差和模具的不密封性，造成制品中存在空气气泡，在制品的后处理过程中可能发生泡沫不稳定现象。

聚醚和异氰酸酯在搅拌时，要进行真空脱气，以减少制品中空气空隙。

但抽真空降低了生产效率，限制了其工业化生产。

增强反应注射成型(BRIM)是将纤维和聚醚搅拌混合，分别通过不同的管道将异氰酸酯和聚醚的混合物按一定比例输送到模具中成型。

泡沫压缩强度测试标准
泡沫压缩强度测试标准因泡沫类型和应用领域的不同而有所差异。

以下是一些常见的泡沫压缩强度测试标准：
1. 对于聚氨酯泡沫（PU foam），可以参考以下标准：
- GB/T 29901-2013《聚氨酯泡沫塑料压缩强度试验方法》
- ISO 15365:2017《硬质泡沫塑料压缩强度的测定》
2. 对于聚苯乙烯泡沫（EPS foam），可以参考以下标准：
- GB/T 17794-2008《聚苯乙烯泡沫塑料》
- EN 13163:2004《硬质聚苯乙烯泡沫塑料》
3. 对于聚甲基丙烯酸酯泡沫（PMI foam），可以参考以下标准：
- GB/T 20801.3-2006《塑料泡沫材料第3部
分：聚甲基丙烯酸酯泡沫塑料》
- ASTM D648-18《塑料和弹性体 - 硬度试验- 压缩和弯曲》
4. 对于聚乙烯泡沫（PE foam），可以参考以下标准：
- GB/T 17794-2008《聚苯乙烯泡沫塑料》
- EN 13163:2004《硬质聚苯乙烯泡沫塑料》
请注意，这些标准可能会有所更新，因此在进行泡沫压缩强度测试时，请确保使用的是最新版本的标准。

此外，不同的应用领域可能会有特定的测试要求，请根据实际情况选择合适的标准。

第14卷　第3期应用力学学报V o l.14　N o.3 1997年9月CH INESE JOURNAL OF APPL IED M ECHAN I CS Sep.1997用数字散斑相关法研究聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能α张东升　张小虎　陈　志(国防科技大学　长沙　410073)摘 要提出了一种改进的数字散班相关计算方法,使其能直接进行应变迭代,灵敏度可达1000ΛΕ,并对它进行了验证试验。

对于两种不同密度的聚氨酯泡沫塑料,采用改进的数字散斑相关法对其压缩力学性能进行了测试,得到了其应力——应变关系及弹性模量等力学参数。

关键词:数字散班相关法;泡沫塑料;力学性能1　引　言数字散斑相关法是随着数字图象技术发展起来的测量物体表面位移和应变的光测力学方法。

它的基本假设认为;被测试的结构表面在某一光源照射下,在其变形或微小移动过程中,其领域的灰度分布是保持不变的。

这样,为了求解结构表面上某点的位移或应变,就可以在变形前的物面散斑场中,以该点为中心取一个样本空间,通过试凑的位移或应变,利用相关技术,在变形后的物面散斑场中搜寻与样本空间具有最大相关值的点,此时试凑的位移和应变就是该点的变形值。

对于数字图象,引入标准相关函数[1]:C=〈F1 F2〉-〈F1〉 〈F2〉[〈(F1-〈F1〉)2〉 〈(F2-〈F2〉)2]1 2其中,〈 〉表示系统平均,F1、F2分别为变形前后数字散斑场的样本图象。

通常数字散斑相关法只能得到较为精确的位移值,精度约为011个象素。

若用该方法直接迭代应变,其测量灵敏度约为10000—20000ΛΕ。

这样使该方法在应变测量中受到了限制[2]。

文中采用改进的数字散班相关法——大窗口相关法,可将其测量灵敏度提高十倍以上,同时也提高了测量精度。

α来稿日期:1995211228;修回日期:19962062092　改进的数字散斑相关法对于平面问题的几何方程,考虑任一微元段pQ ,如图1所示,它在变形后,p 、Q 点分别移动到p 3、Q 3位置,由变形理论知,Q 点的位移可由p 点的位移及位移梯度表示。