SiC顆粒粒徑和相對密度對泡沫SiCp/ ZL104復(fù)合材料壓縮性能的影響

羅彥茹，于思榮，朱先勇，劉家安

(1. 吉林大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春，130022；2. 中國石油大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島，266555；3. 吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)，吉林 長春，130022)

在航空航天及汽車業(yè)中，要求吸收性材料具有高強度、高能量，泡沫材料正是具有這種性能的新型功能材料。在泡沫材料的諸多性能中，壓縮性能尤為重要，因此，對泡沫金屬壓縮行為的研究，成為近年來力學(xué)、材料科學(xué)及其他應(yīng)用領(lǐng)域中非?；钴S的研究課題[1?3]。為了揭示泡沫金屬的壓縮性能與結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的關(guān)系，許多科研工作者對泡沫金屬壓縮時的壓縮行為與變形機制開展了一系列的研究工作，但大部分工作都集中在Alulight和Alporas等閉孔結(jié)構(gòu)的商業(yè)化泡沫鋁上[4?6]。陶瓷顆粒增強復(fù)合材料中由于SiC顆粒的加入改變了原有復(fù)合材料的性能[7?10]，對閉孔泡沫鋁基復(fù)合材料變形機制、壓縮性能及其與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系的研究較少。Gui等[11]研究了泡沫 20%SiCp/A356(體積分數(shù))的應(yīng)力?應(yīng)變特征，但并未提及其壓縮過程中的變形機制和能量吸收特性。Elbir等[12]對用粉末冶金法制備的SiC體積分數(shù)為8.6%的泡沫鋁基復(fù)合材料進行了壓縮性能的測試，也只研究了相對密度對其屈服強度的影響?；贚uo等[13]的前期研究，本文作者主要研究SiC顆粒粒徑和相對密度對閉孔泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料壓縮性能的影響規(guī)律。

1 實驗材料和方法

1.1 泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料的制備

基體材料選用ZL104合金，增強材料選用平均粒徑分別為5，10和28 μm的α-綠SiC顆粒，發(fā)泡劑選用粒度小于 44 μm 的 CaCO3，采用熔體發(fā)泡法在700～720 ℃時保溫發(fā)泡制備出泡沫 SiCp/ZL104復(fù)合材料。

1.2 實驗方法

圖1 泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料的截面圖Fig.1 Cross section of SiCp/ZL104 composite foams

圖2 泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料的孔壁截面圖Fig.2 Cell wall cross section of SiCp/ZL104 composite foams

將制備好的塊狀泡沫材料(見圖1和圖2)加工成15 mm×15 mm×35 mm 的試樣。壓縮試驗在CMT5205電子萬能試驗機上進行，壓縮速率為 4 mm/min。載荷及位移通過傳感器輸入計算機，處理后得到不同泡沫復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料在外力作用下的變形機制

圖3所示為相對密度相同的泡沫5% SiCp/ZL104復(fù)合材料(SiC顆粒的粒徑為28 μm)和泡沫ZL104的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。從圖3可以看出：這2種不同泡沫金屬其應(yīng)力(σ)?應(yīng)變(ε)曲線都表現(xiàn)出明顯的“三階段”特征，即由線彈性變形段、屈服平臺段和壓實段組成。由圖 3可知：2種材料的線彈性變形段都很小，在ε＜0.03的范圍內(nèi)；當(dāng)彈性應(yīng)變增大到一定值后出現(xiàn)一個應(yīng)力平臺，這時，隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力幾乎保持不變。2種材料的平臺段應(yīng)變均在ε=0.03～0.65范圍內(nèi)(圖 3)。

圖3 泡沫5% SiCp/ZL104復(fù)合材料和泡沫ZL104的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.3 Stress?strain curves of 5%SiCp/ZL104 composite foams and ZL104 foams

泡沫5% SiCp/ZL104復(fù)合材料的屈服應(yīng)力幾乎是泡沫ZL104的2倍(圖3)。造成這種差異的原因是泡沫5% SiCp/ZL104復(fù)合材料中SiC顆粒的存在導(dǎo)致在平臺區(qū)泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料與泡沫ZL104的變形機制不同，如圖 4所示(以平行泡孔為例)。由于泡沫材料制備過程不可避免地出現(xiàn)孔壁厚度不均勻現(xiàn)象，閉孔泡沫金屬受壓時，變形機制主要為孔壁材料的彎曲和橫向拉伸。當(dāng)材料承受載荷時，破壞首先出現(xiàn)在最弱的泡孔壁處，孔壁的材料首先由彈性彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詮澢敝翑嗔?，泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料屬于彈脆性泡沫材料，SiC顆粒本身具有的脆性導(dǎo)致了孔壁的整體塑性下降，一旦外力破壞了最弱泡孔，就會發(fā)生其所在的整層泡孔的破壞。如圖 4(a)所示，孔壁發(fā)生斷裂導(dǎo)致含有此泡孔且與外力垂直的平面內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，破壞隨后在此層中擴展，導(dǎo)致此層的泡孔壁逐漸被破壞，從而使部分能量在變形過程中被耗散掉，但其余層面上的泡孔仍處于彈性變形后的等待階段。隨著應(yīng)力進一步增加，泡孔的破壞又在孔壁較薄的其他未被破壞的泡孔層中產(chǎn)生。如此反復(fù)進行，最終材料被壓實。當(dāng)某層泡孔發(fā)生破壞時，作用在泡沫材料上的應(yīng)力瞬間變小；當(dāng)該層泡孔被壓實后，應(yīng)力又開始增大，直到把其他層泡孔破壞，應(yīng)力才又瞬間變小。如此反復(fù)，泡沫材料逐層被壓實。因此，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線呈鋸齒狀波動。泡沫ZL104中孔壁發(fā)生的是塑性變形(圖4(b))，因而，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線的平臺段相對光滑(圖3)；由于泡沫金屬材料在制備過程中難免會產(chǎn)生泡沫不均勻現(xiàn)象，即孔壁薄厚在微觀尺度上分布不均，所以，實際變形中泡孔并不完全是整行的破裂最后導(dǎo)致壓實。由于力是垂直加載到試樣上，因此，變形仍舊會首先出現(xiàn)在泡孔壁最薄的橫斷面處，但一旦一系列孔壁較薄的泡孔位于與橫截面成較大角度的斜截面上時，便會產(chǎn)生切向力，致使在加壓過程中可能發(fā)生沿斜截面方向的坍塌(圖5(a))，所以，即使整行的泡孔中偶爾有幾個壁薄的泡孔，變形也未必從這一行開始，關(guān)鍵還是看泡孔和孔壁分布的均勻度,由于實驗制備的泡沫 SiCp/ZL104復(fù)合材料厚度分布比較均勻，大部分試樣變形時都發(fā)生逐層破壞(見圖5(b))。由以上分析可知：無論泡沫 ZL104還是泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料，變形特征都是逐層破壞的。泡沫材料被壓實后，應(yīng)變越來越多地由基體材料本身所提供，導(dǎo)致壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而迅速增大。

2.2 SiC顆粒粒徑對泡沫 SiCp/ZL104復(fù)合材料壓縮性能的影響

SiC顆粒粒徑對泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料壓縮性能的影響主要表現(xiàn)在對基體材料性能的增強上。對于相同結(jié)構(gòu)特征的泡沫材料，增強材料占泡沫體的體積分數(shù)越大，對基體材料的增強效果越明顯，從而壓縮性能越好。這一結(jié)論已在作者的前期研究工作中得到證實[13]。而對于相同體積分數(shù)的復(fù)合材料，增強顆粒粒徑對其強度也有一定的影響。圖6所示為SiC顆粒粒徑對泡沫 5% SiCp/ZL104復(fù)合材料壓縮性能的影響。從圖6可見：隨SiC顆粒粒徑的減小，泡沫5%SiCp/ZL104復(fù)合材料的屈服強度逐漸增大，當(dāng)SiC顆粒粒徑由28 μm減小到10 μm時，材料的屈服強度增大僅約1 MPa；而SiC顆粒粒徑由10 μm減小到5 μm時，材料的屈服強度卻增加了4 MPa。這說明增強顆粒的粒徑越小對泡沫復(fù)合材料屈服強度的影響越大，顆粒粒徑越小，泡沫復(fù)合材料的屈服強度越大。顆粒增強金屬基復(fù)合材料的位錯強化說增強機制認為可以用Orowan理論來解釋顆粒強化的機理[14?15]：

圖4 泡沫材料壓縮變形示意圖Fig.4 Sketch map of compressive deformation of foams

圖5 泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料變形的不同截面Fig.5 Different deformation sections of SiCp/ZL104 composite foams

圖6 SiC顆粒粒徑對泡沫5% SiCp/ZL104復(fù)合材料壓縮性能的影響(相對密度ρ/ρs=0.16)Fig.6 Effect of SiC particle size on compressive property of 5% SiCp/ZL104 composite foams when ρ/ρs is 0.16

式中：σc為屈服應(yīng)力；G為復(fù)合材料基體的剪切模量；b為位錯的柏氏矢量；λ為平均顆粒間距。當(dāng)增強相粒子所占體積分數(shù)一定時，顆粒半徑越小，顆粒數(shù)量就越多，顆粒間距也越小，位錯繞過顆粒所需的切應(yīng)力越大，強化作用越大。

用上述理論可以解釋本實驗中泡沫 5% SiCp/ZL104復(fù)合材料中含不同粒徑SiC顆粒的壓縮行為。當(dāng)增強相SiC顆粒所占體積分數(shù)一定時，隨SiC顆粒粒徑的減小，所得泡沫材料的強度增大，這與實驗結(jié)果相符。

2.3 相對密度對泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料壓縮性能的影響

圖 7所示為不同相對密度泡末 10% SiCp/ZL104復(fù)合材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。由圖 7可知：隨著相對密度的增大，泡沫10% SiCp/ZL104復(fù)合材料的屈服應(yīng)力與流動應(yīng)力也相應(yīng)增加，但壓縮至壓實段的最大應(yīng)變量εD減小。這一結(jié)論也可從圖3和圖6的對比得出。相對密度ρ/ρs是0.16的泡沫5% SiCp/ZL104復(fù)合材料的屈服應(yīng)力小于相對密度為0.32的泡沫體屈服應(yīng)力，前者為5 MPa，后者則為10 MPa。相對密度越大，在垂直于加載方向的截面內(nèi)泡孔的數(shù)目越少，孔壁越厚，引起的應(yīng)力增量越大。在研究有關(guān)閉孔泡沫材料的應(yīng)力與相對密度的關(guān)系方面，Gibson?Ashby等建立了二維閉孔泡沫體受壓時的理論模型[16]，認為當(dāng)閉孔泡沫材料受壓時，孔棱的變形引起孔面的變形，并得出如下方程式：

式中：σ為泡沫材料的屈服應(yīng)力；σys為孔壁材料的屈服應(yīng)力；C1為常數(shù)。由式(2)可知：隨著泡沫材料相對密度的增大，材料的屈服應(yīng)力逐漸增大，這與實驗結(jié)果相吻合。

圖7 不同相對密度泡沫10% SiCp/ZL104復(fù)合材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.7 Stress?strain curves of 10% SiCp/ZL104 foams with different relative densities

3 結(jié)論

(1) 泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料在外加載荷作用下孔壁材料發(fā)生彎曲和橫向拉伸的變形，由于SiC顆粒的加入，使得該材料受壓時呈脆性逐層破壞或沿某斜截面斷裂的特征，這導(dǎo)致其應(yīng)力?應(yīng)變曲線上出現(xiàn)較長的帶鋸齒狀的屈服平臺段；泡沫SiCp/ZL104復(fù)合材料的壓縮性能較好，壓縮變形過程經(jīng)歷線彈性段、屈服平臺段和壓實段3個階段。

(2) 對于 SiC顆粒體積分數(shù)和相對密度相同的泡沫5% SiCp/ZL104復(fù)合材料，當(dāng)SiC顆粒粒徑由28 μm減小到5 μm時，其屈服應(yīng)力由5 MPa增至11 MPa，利用Orowan理論可以解釋SiC顆粒的強化機理；而對于SiC顆粒粒徑和體積分數(shù)相同的該材料，其相對密度由0.16增至0.32時對應(yīng)的屈服應(yīng)力則由5 MPa增至10 MPa，這一結(jié)論與Green的二維閉孔泡沫體受壓時的理論模型相符。

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