泡沫鋁填充薄壁管復(fù)合結(jié)構(gòu)壓縮與吸能性能

李思超, 楊旭東, 安 濤, 鄭遠(yuǎn)興

（中國民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300）

薄壁金屬管作為一種傳統(tǒng)的吸能元件，具有比剛度和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，但因?yàn)樽冃文Ｊ讲环€(wěn)定，且易發(fā)生歐拉屈曲變形，所以其力學(xué)性能及吸能效率亟待進(jìn)一步提升[1]。泡沫鋁作為一種結(jié)構(gòu)與功能一體化的新型工程材料[2-3]，兼具金屬和多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，表現(xiàn)為吸能、減震、吸聲、隔熱及電磁屏蔽等多種優(yōu)良性能[4-7]。另外，由于其質(zhì)輕，抗沖擊吸能性能較好[8]，能在瞬間吸收大量的能量，并且不會將能量再次釋放對被保護(hù)件造成二次損傷，可以在沖擊破壞過程中起到代替犧牲的作用，所以是一種理想的緩沖吸能材料[9-11]。近年來，一些研究者嘗試將泡沫鋁填充入薄壁金屬管中制備復(fù)合結(jié)構(gòu)來改善薄壁金屬管和泡沫鋁的力學(xué)和吸能性能，結(jié)果表明兩者結(jié)合得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了較好的力學(xué)性能和吸能能力[12-14]。

Hanssen等[15]對泡沫鋁填充管進(jìn)行了軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明填充結(jié)構(gòu)性能的提高是因?yàn)閴嚎s過程中泡沫鋁與薄壁管之間產(chǎn)生了相互作用。Duarte等[16]研究了泡沫鋁填充管的變形模式，認(rèn)為在形變過程中泡沫鋁填料抑制管壁向內(nèi)屈曲形成褶皺，使吸能過程更穩(wěn)定。Taherishargh等[17]制備了壁厚不同的填充管，并進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁的填入對壁厚較薄的管影響更大。Li等[14]制備了不同幾何形狀填充管，通過對比實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為泡沫鋁填充圓管比填充方管具有更高的吸能效率。Asavavisithchai等[18]對泡沫鋁填充鋼管的黏結(jié)方式進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)黏結(jié)方式對填充管性能提升的影響不大?？傊壳皩ε菽X填充薄壁結(jié)構(gòu)已有部分研究成果，但是針對填充結(jié)構(gòu)制備參數(shù)的影響以及在靜動態(tài)下力學(xué)性能的研究還不夠充分，尚需開展更為系統(tǒng)的研究。

本研究通過填加造孔劑法制備泡沫鋁，采用非原位填充的方法將泡沫鋁與薄壁管相結(jié)合，制備泡沫鋁填充薄壁管復(fù)合結(jié)構(gòu)（簡稱填充管），探究薄壁管壁厚，黏結(jié)方式，填充間隙對填充管結(jié)構(gòu)性能的影響，確定了填充管結(jié)構(gòu)制備的最佳參數(shù)；采用萬能電子試驗(yàn)機(jī)和落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對泡沫鋁、薄壁管和填充管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和低速沖擊實(shí)驗(yàn)，研究在不同應(yīng)變率下泡沫鋁與填充管的力學(xué)與吸能性能；采用SEM研究填充管中薄壁管和的泡沫鋁芯斷口形貌，分析填充管變形模式。

1 實(shí)驗(yàn)材料及測試方法

1.1 材料制備

實(shí)驗(yàn)采用粉末冶金-填加造孔劑法[19-20]制備的孔隙率為60%的泡沫鋁作為填充材料，具體制備過程如下：將鋁粉（粒度200目，分析純＞ 99.0%）與尿素（粒徑范圍為1.6～2.0 mm，密度為1.335 g/cm3）按體積比4∶6混合均勻，倒入直徑為25 mm，材質(zhì)為Cr12MoV的壓縮模具中，在500 MPa的壓力下將其壓制成預(yù)制塊，在80 ℃的水中水浴8 h，隨后干燥3 h，最后，在650 ℃氛圍中燒結(jié)3 h，得到直徑和高度均為25 mm的泡沫鋁。外薄壁管選用壁厚為1 mm和1.5 mm，內(nèi)徑為25 mm，高度為25 mm的6061-O態(tài)和6061-T6態(tài)鋁合金圓管。

為了探究不同黏結(jié)方式對填充管吸能性能的影響，采用兩種方式制備填充管：一是將泡沫鋁直接填入薄壁管中制備填充管；二是采用環(huán)氧樹脂-固化劑作為黏結(jié)劑，將環(huán)氧樹脂和固化劑以1∶1的比例混合攪拌均勻并涂抹到薄壁管內(nèi)壁和泡沫鋁試樣表面，之后將泡沫鋁填充到薄壁管中，放置24 h制備得到填充管。實(shí)驗(yàn)所用泡沫鋁、薄壁管以及制備的填充管如圖1所示。

1.2 測試方法

采用萬能電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試，采用位移速率控制壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮速率2 mm/min。采用沖擊試驗(yàn)機(jī)完成落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，選用直徑為50 mm的圓形平面沖頭。落錘的初始高度轉(zhuǎn)化成的總沖擊能為：

式中：H為落錘相對于樣品上表面初始高度；ΔL是試件沖后的塌陷高度；M為落錘總重；g為加速度。

將實(shí)驗(yàn)后的試樣放入S-3400N型掃描電鏡（SEM），觀察微觀組織和斷口形貌，選取典型區(qū)域并在不同倍率下進(jìn)行拍攝。

2 結(jié)果與分析

2.1 制備參數(shù)對填充管壓縮性能的影響

為了研究泡沫鋁與薄壁管之間的填充間隙對填充管壓縮性能的影響，使用T6-態(tài)薄壁管和泡沫鋁制備填充間隙分別為0 mm、0.25 mm和1 mm的填充管，對制備的試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可見，隨著填充間隙的增大，填充管的屈服強(qiáng)度和應(yīng)力水平均降低，而達(dá)到屈服后產(chǎn)生的最大應(yīng)力降和應(yīng)力平臺波動幅度逐漸變大（圖2（a）），這是因?yàn)殡S著間隙的增大，兩者之間的相互作用減弱，薄壁管無法對泡沫鋁受壓后的徑向膨脹產(chǎn)生良好的束縛作用，同時泡沫鋁也難以快速抑制薄壁管產(chǎn)生向內(nèi)的屈曲褶皺，導(dǎo)致整體壓縮強(qiáng)度降低，吸能能力減弱，這與Hanssen等[15]得到的結(jié)論一致，薄壁管與泡沫鋁之間的相互作用提高了填充管的壓縮性能和吸能能力，而當(dāng)填充間隙較大時薄壁管和泡沫鋁之間的相互作用減小，性能明顯降低。

圖 1 試樣宏觀圖片 （a）泡沫鋁；（b）泡沫鋁縱截面；（c）薄壁管；（d）填充管Fig. 1 Macroscopic picture of specimen （a）Al foam；（b）Al foam longitudinal section；（c）Al alloy tube；（d）Al foam-filled tube

圖 2 不同填充間隙的填充管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)響應(yīng) （a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）吸能曲線Fig. 2 Mechanical response of Al foam-filled tube with different filling margin under quasi-static compression （a）stress-strain curve；（b）energy absorption curve

圖 3 有無環(huán)氧樹脂粘接試樣對比 （a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）吸能曲線Fig. 3 Comparison of epoxy resin bonded specimens （a）stress-strain curve；（b）energy absorption curve

圖 4 不同壁厚鋁管填充管的壓縮力學(xué)響應(yīng) （a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）吸能曲線Fig. 4 Compressive mechanical response of Al foam-filled tubes with different wall thickness （ a） stress-strain curve；（b）energy absorption curve

利用環(huán)氧樹脂-固化劑黏結(jié)填充泡沫鋁與薄壁管間隙，對黏結(jié)件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，探究有無界面黏結(jié)對填充復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸能性能的影響，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可見，環(huán)氧樹脂黏結(jié)對填充管的屈服強(qiáng)度無明顯增強(qiáng)效果，且吸能曲線基本重合（圖 3（b））。Asavavisithchai等[18]通過將熔融發(fā)泡法制備的泡沫鋁填充入不銹鋼管，對不同黏結(jié)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到與本研究類似的結(jié)論。

為了探究壁厚對填充管力學(xué)和吸能性能的影響，分別對壁厚為1 mm和1.5 mm的填充管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和吸能曲線如圖4所示。由圖4可見，隨著薄壁管壁厚的減小，填充管的力學(xué)性能（圖4（a））和吸能性能（圖4（b））出現(xiàn)明顯的下降。Zare等[21]通過研究多組不同壁厚的泡沫鋁填充鋼管，得到相似結(jié)論：通過增加管的壁厚，可以增加管的折疊強(qiáng)度和吸能能力。但同時隨著外管壁厚的降低，填充管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線波動趨勢減小，由圖4可得，壁厚為1.5 mm的填充管的最大應(yīng)力降為25.76 MPa，而壁厚為1 mm的填充管的最大應(yīng)力降為17.73 MPa，隨著填充管外管壁厚減小0.5 mm，其最大應(yīng)力降減小了31.1%。填充管外管壁越薄，填充管的力學(xué)表現(xiàn)越類似于泡沫鋁填料[22-23]。其應(yīng)力平臺相對較小，吸能過程更加平穩(wěn)，這種力學(xué)特點(diǎn)更有利于防止被保護(hù)件受到損害。

2.2 泡沫鋁填充薄壁管的力學(xué)性能

分別對泡沫鋁，薄壁管和填充管進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及吸能曲線如圖5所示。由圖5可知，填充管的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為5個區(qū)域[24]：第1階段為初始彈性階段，這個階段填充管和薄壁管的壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加；第2階段為應(yīng)力緩慢上升階段，在此階段壓縮應(yīng)力隨著應(yīng)變的增速放緩，并逐漸到達(dá)一個局部的峰值；第3階段是最大應(yīng)力降的階段，填充管和薄壁管在這個階段被壓縮屈服，開始出現(xiàn)局部屈曲形成“壓縮褶”，導(dǎo)致壓縮應(yīng)力逐漸降低；第4階段應(yīng)力振蕩階段，應(yīng)力隨應(yīng)變逐漸振蕩，形成一個屈服平臺；第5階段是完全致密化階段，應(yīng)力急劇上升。在應(yīng)力振蕩階段，填充管的平臺應(yīng)力要高于泡沫鋁和薄壁管的平臺應(yīng)力，這表明在相同的應(yīng)變下，填充管具有更好的力學(xué)性能。同時，在相同應(yīng)變下，填充管的吸能量遠(yuǎn)高于泡沫鋁和薄壁管，說明填充管具有更強(qiáng)的吸能能力。通過分析曲線可知，在達(dá)到峰值應(yīng)力之后，填充管的最大應(yīng)力降小于薄壁管最大應(yīng)力降，由此可知填充管的吸能過程更加平穩(wěn)。將泡沫鋁和薄壁管的吸能曲線相加，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變?yōu)?0%時，填充管的吸能量相比于泡沫鋁和薄壁管吸能量之和提高了22%（圖5（b）），說明填充管的兩部分存在相互作用，從而提升了吸能性能。應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的每一個應(yīng)力波動代表在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中試樣管壁形成了一個褶皺，由圖5（a）可見，薄壁管的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了5次應(yīng)力波動，而填充管在壓縮過程只出現(xiàn)了3次應(yīng)力波動，說明填充泡沫鋁降低了應(yīng)力波動次數(shù)。將準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)后的薄壁管和填充管進(jìn)行縱向切割，對比其縱截面如圖6所示。在圖6中薄壁管的褶皺長度H1大于填充管的褶皺長度H2，說明在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中填充入管內(nèi)的泡沫鋁阻礙了薄壁管向內(nèi)翻折[25]，改變了管的變形模式，使得壓縮過程更加平穩(wěn)，由于薄壁管與泡沫鋁之間的相互作用非常明顯，復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸能性能較單一材料有了明顯的提升。

圖 5 泡沫鋁、薄壁管及填充管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）吸能曲線Fig. 5 Results of quasi-static compression test for Al foam, empty tube and Al foam-filled tube （a）stress-strain curve；（b）energy absorption curve

經(jīng)過落錘沖擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，T6-態(tài)管在沖擊過程中產(chǎn)生裂紋，不利于實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，因此選用O態(tài)管和泡沫鋁制備填充管。分別對泡沫鋁、薄壁管及填充管進(jìn)行沖擊能量為100 J的落錘沖擊實(shí)驗(yàn)，得到?jīng)_擊的載荷-位移曲線和吸能曲線如圖7所示。由圖7（a）可知，填充管、薄壁管和泡沫鋁的沖擊過程都分為3個階段[26-27]：第1階段為線彈性階段，在這個階段泡沫鋁的泡孔和薄壁管發(fā)生彈性形變，載荷急劇增大，樣品只沿單軸方向發(fā)生形變；第2階段為漸進(jìn)屈曲階段，在載荷達(dá)到屈服強(qiáng)度后，泡沫鋁的泡孔和薄壁管都發(fā)生塑性變形，泡沫鋁的孔胞發(fā)生坍塌，薄壁管漸進(jìn)屈曲折疊，這個階段隨著位移增大，載荷不斷振蕩；第3階段為卸載階段，經(jīng)過漸進(jìn)屈曲階段，沖頭的初始動能基本耗盡，沖擊力迅速降至零。由沖擊的載荷-位移曲線可知，在漸進(jìn)屈曲階段，填充管的沖擊平臺要高于另外兩者的沖擊平臺，說明填充管具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，可以承受更高的載荷。填充管在漸進(jìn)屈曲階段載荷最大值與最小值的極值差為4.61 kN，薄壁管載荷的極值差為6.29 kN，填充泡沫鋁使載荷的極值差下降了26%，填充管的沖擊過程更為平穩(wěn)。填充管、泡沫鋁和薄壁管在100 J的沖擊能量下產(chǎn)生的位移分別為8.6 mm、15.3 mm和21.8 mm，說明填充管在更短的位移內(nèi)吸收相同的能量，具有更優(yōu)異的吸能性能。將泡沫鋁和薄壁管的載荷-位移曲線相加，發(fā)現(xiàn)兩者的載荷隨位移增加而迅速降低，而填充管的載荷較為平穩(wěn)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)殡S著位移的增加，薄壁管屈曲變形，泡沫鋁潰散、失效，使載荷降低。將落錘沖擊試驗(yàn)后的薄壁管和填充管進(jìn)行縱向切割，對比其縱向截面如圖8所示。由圖8可見，泡沫鋁與薄壁管之間存在相互作用，管內(nèi)填充的泡沫鋁抑制了薄壁管向內(nèi)折疊形成褶皺，使填充管的褶皺長度H2遠(yuǎn)小于薄壁管的褶皺長度H1，說明填充結(jié)構(gòu)改變了管的變形模式，抑制泡沫鋁的潰散，有效地避免了載荷下降，使沖擊過程更加平穩(wěn)。

圖 6 薄壁管、填充管準(zhǔn)靜態(tài)壓縮截面Fig. 6 Quasi-static compression cross sections of empty tube and Al foam-filled tube

圖 7 泡沫鋁、薄壁管及填充管在100 J沖擊能量下的沖擊性能對比 （a）載荷-位移曲線；（b）吸能曲線Fig. 7 Comparison of impact properties of Al foam, empty tube and Al foam-filled tube under 100 J impact energy（a）stress-strain curve；（b）energy absorption curve

圖 8 薄壁管、填充管沖擊截面Fig. 8 Impact cross sections of empty tube and Al foam-filled tube

2.3 泡沫鋁及填充管壓縮斷口分析

圖9為薄壁管及填充件的壓縮斷口SEM，由圖9可見，薄壁管壓縮斷口形成拉長撕裂韌窩，韌窩形貌大而深，且存在部分卵形韌窩（圖9（a）、（b）、（c）），說明薄壁管在壓縮過程中變形量大，強(qiáng)度低，且薄壁管在變形過程中主要受到剪切力作用；填充管壓縮斷口表現(xiàn)為等軸韌窩，韌窩小而密，這表明在填充管的壓縮過程中，鋁管的變形量小，強(qiáng)度更高?？拷菽X一側(cè)存在部分穿晶滑動斷裂形貌（圖 9（d）、（e）、（f）），這表明管壁在變形的過程中受到正應(yīng)力作用，內(nèi)部的泡沫鋁芯阻礙了薄壁管在變形過程中的離面位移，即填充泡沫鋁改變了薄壁管的變形模式，泡沫鋁和薄壁管之間有較強(qiáng)的相互作用。

圖10是填充管芯材泡沫鋁的沖擊斷口的SEM圖片，由圖10可見，在沖擊實(shí)驗(yàn)之后，泡沫鋁產(chǎn)生的斷裂方式包括孔壁斷裂和孔內(nèi)斷裂兩種方式，泡沫鋁孔壁的斷面呈現(xiàn)出明顯的穿晶斷裂形貌（圖 10（a）、（b）、（c）），斷面沿著沖擊方向呈現(xiàn)層狀，斷口的撕裂帶表明試樣斷面處受到剪切力作用。泡沫鋁的孔內(nèi)壁上產(chǎn)生了裂紋（圖10（d）、（e）、（f）），孔內(nèi)壁的斷面呈現(xiàn)出明顯的沿晶斷裂形貌，在圖10（f）中可見，沖擊后，泡沫鋁在沖擊力的作用下產(chǎn)生了較為明顯的微裂紋，同時萌生了二次裂紋，當(dāng)這些裂紋延伸、擴(kuò)展，全都連接在一起時，便導(dǎo)致了泡沫孔內(nèi)壁的斷裂。在兩種失效的同時作用下，鋁芯最終潰散與失效。

圖 9 薄壁管壓縮斷口形貌分析 （a）、（b）、（c）單純薄壁管壓縮斷口形貌；（d）、（e）、（f）填充管壓縮斷口形貌Fig. 9 Morphology analysis of compression fracture of Al foam-filled tube （a），（b），（c）compression fracture morphology of pure tube；（d），（e），（f）compression fracture morphology of Al foam-filled tube

圖 10 泡沫鋁的沖擊斷口形貌分析 （a）、（b）、（c）為孔壁斷裂斷口；（d）、（e）、（f）為孔內(nèi)斷裂斷口Fig. 10 Analysis of impact fracture morphology of Al foam （a），（b），（c） fracture of hole wall；（d），（e），（f）fracture in hole

3 結(jié)論

（1）制備參數(shù)對填充力學(xué)性能有不同的影響，填充間隙越小，薄壁管和泡沫鋁之間的相互作用越明顯；黏結(jié)方式對填充管性能影響不大；填充管壁厚較小時，填充管的應(yīng)力曲線更平緩，吸能過程更加穩(wěn)定。

（2）在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，填充管中的泡沫鋁與薄壁管相互作用明顯，填充泡沫鋁降低了最大應(yīng)力降，并減少了應(yīng)力波動，吸能過程更加平穩(wěn)，在壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時，填充管的吸能量較泡沫鋁和薄壁管之和提升了22%，填充管在壓縮過程具有更加優(yōu)異的力學(xué)與吸能性能。

（3）在低速沖擊過程中，填充管的平均載荷高于泡沫鋁與薄壁管的平均載荷，填充管的載荷-位移曲線比泡沫鋁與薄壁管載荷-位移曲線更平穩(wěn)，并且吸收相同能量時，填充管位移最小，說明填充管在沖擊過程中的力學(xué)性能更好且吸能過程更加穩(wěn)定。

（4）通過對薄壁管、填充管的壓縮斷口SEM微觀分析，填充泡沫鋁改變了薄壁管的變形模式，兩者之間的相互作用非常明顯。通過對填充管芯材的SEM分析，在沖擊過程中產(chǎn)生剪切力的作用，萌生微裂紋，最終導(dǎo)致泡沫鋁芯潰散與失效。