閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能研究

李立 劉洋志 王天石

摘要：閉孔泡沫鋁具有輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和抗沖擊吸能的特點(diǎn)，以此材料為基礎(chǔ)的閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)是一種比強(qiáng)度、比剛度較高的復(fù)合結(jié)構(gòu)。本文通過(guò)平板壓縮和平板剪切實(shí)驗(yàn)得到閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)仿真模型構(gòu)建參數(shù)。

關(guān)鍵詞：閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu);平面壓縮;平面剪切;力學(xué)仿真模型

前言

泡沫鋁是一種在金屬鋁基體中分布有無(wú)數(shù)氣泡的多孔質(zhì)材料，具有密度小、吸收沖擊能力強(qiáng)、消聲性能好等優(yōu)點(diǎn)，其在環(huán)境保護(hù)、國(guó)防科技等領(lǐng)域有了成功的應(yīng)用。泡沫鋁金屬材料的性能不僅取決于原材料本身，還與孔洞的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其重要的結(jié)構(gòu)表征參數(shù)包括孔徑、表觀密度、孔隙率、比表面積、孔的類(lèi)型（開(kāi)孔或閉孔）、孔的形狀等[1-3]。

國(guó)內(nèi)外研究人員在泡沫鋁力學(xué)模型建立方面做了大量工作，為泡沫鋁的工程應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。康穎安[4]等通過(guò)試驗(yàn)得到相對(duì)密度對(duì)泡沫鋁材料的力學(xué)性能有很大影響的結(jié)論;于英華[5]等根據(jù)開(kāi)孔泡沫鋁的特點(diǎn)，利用ANSYS軟件對(duì)泡沫鋁壓縮行為進(jìn)行了有限元研究，得出了泡沫鋁壓縮變形過(guò)程和泡沫鋁應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)及應(yīng)變率的變化規(guī)律。

以閉孔泡沫鋁為基礎(chǔ)的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)是一種比強(qiáng)度、比剛度較高的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)是由上、下鋁蒙皮和泡沫鋁基體組成。為便于泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)更好地工程應(yīng)用，本文通過(guò)平面壓縮與平面剪切實(shí)驗(yàn)探究閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度，并以此為基礎(chǔ)得到閉孔泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)的力學(xué)仿真模型構(gòu)建參數(shù)。

1.實(shí)驗(yàn)方法

1.1 夾層結(jié)構(gòu)

泡沫鋁在作為承力結(jié)構(gòu)件時(shí)，一般會(huì)采用“三明治”結(jié)構(gòu)的夾層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。利用數(shù)銑、線(xiàn)切割等方式加工好鋁蒙皮和泡沫鋁基體，然后采用環(huán)氧樹(shù)脂等有機(jī)粘接劑將兩者進(jìn)行粘接，在一定壓力和溫度下保持一定時(shí)間，待膠體固化達(dá)到最大的強(qiáng)度即可。本文中的泡沫鋁基體均為閉孔泡沫鋁。

三明治形式的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)量、高剛度的特點(diǎn)，當(dāng)兩個(gè)表面與夾芯的粘接非常牢固時(shí)，夾芯成為結(jié)構(gòu)的一個(gè)整體部分，它的主要作用是傳遞橫向切力，使泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的承載能力得到了很大的提高。

1.2 試樣材料

平面壓縮試樣和平面剪切試樣的相關(guān)材料信息如表1所示。

1.3 試樣形式

a）平面壓縮試樣

樣件的設(shè)計(jì)參考了GB/T1453-2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》，試樣的形狀為60mm×60mm×15mm的長(zhǎng)方體。

b）平面剪切試樣

樣件的設(shè)計(jì)參考了GB/T1455-2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗(yàn)方法》，試樣的形狀為200mm×60mm×15mm的長(zhǎng)方體。

1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算方法

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 平面壓縮實(shí)驗(yàn)

將兩類(lèi)試樣均別標(biāo)注為1#～5#，實(shí)驗(yàn)過(guò)程參考GB/T1453-2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》。

2.2 平面剪切實(shí)驗(yàn)

將兩類(lèi)試樣均別標(biāo)注為1#～5#，實(shí)驗(yàn)過(guò)程參考GB/T1455-2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗(yàn)方法》。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1平面壓縮實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)由力（N）和位移（mm）構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理后，獲得樣件平面壓縮的力-位移關(guān)系圖如圖2所示。

3.2平面剪切實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)類(lèi)型1的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)所有5件試樣在達(dá)到材料屈服強(qiáng)度前，其表面粘接的鋁蒙皮均發(fā)生脫粘;類(lèi)型2的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)5件試樣中3件在達(dá)到材料屈服強(qiáng)度前，其表面粘接的鋁蒙皮也發(fā)生了脫粘，因此本實(shí)驗(yàn)所得力（N）和位移（mm）曲線(xiàn)及數(shù)據(jù)不完整。

試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)由力（N）和位移（mm）構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理后，獲得樣件平面壓縮的力-位移關(guān)系圖如圖3所示。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，主孔徑2.5mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的平面壓縮強(qiáng)度、彈性模量、剪切強(qiáng)度、剪切模量均優(yōu)于主孔徑8mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)。

以各強(qiáng)度值為依據(jù)，泡沫鋁夾芯加強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真模型構(gòu)建參數(shù)如表4所示。

由于8mm主孔徑的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)5件試樣在平面剪切實(shí)驗(yàn)中有3件在達(dá)到材料屈服強(qiáng)度前，其表面粘接的鋁蒙皮也發(fā)生了脫粘，故無(wú)法得到其抗剪強(qiáng)度。但并不影響仿真，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下最?lèi)毫庸?jié)點(diǎn)的剪切強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)上給出的剪切強(qiáng)度。

4.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的平面壓縮及平面剪切實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）分別獲得了兩種不同孔徑尺寸閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的壓縮和剪切力學(xué)性能數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，主孔徑2.5mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的平面壓縮強(qiáng)度、彈性模量、剪切強(qiáng)度、剪切模量均優(yōu)于主孔徑8mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu);

2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了兩種不同孔徑尺寸閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)仿真模型參數(shù)，為該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了仿真依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳思杰，米國(guó)發(fā).泡沫鋁的制備工藝_組織性能及應(yīng)用前景.熱加工工藝，2005（5）：54-57

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[4] 康穎安，張俊彥.開(kāi)孔與閉孔泡沫鋁的壓縮力學(xué)行為[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005，（19）：122-124.

[5] 于英華，楊志，梁冰.泡沫鋁壓縮力學(xué)行為的有限元仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，（27）：317-320.

作者簡(jiǎn)介：

李立（1987-），男，工程師，主要從事電子裝配制造工藝研究工作。

（作者單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所）