空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料制備及性能研究

范琦琪,姜風(fēng)春,果春煥,王春鶴,于天淼,常云鵬,王振強(qiáng),王建東,牛中毅

(哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 前 言

空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料是一種將空心球與鋁基體結(jié)合形成的新型金屬?gòu)?fù)合泡沫材料(metal composite foams，MCFs)，這種空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料在傳統(tǒng)金屬泡沫材料原有性能(高強(qiáng)度、高能量吸收能力)基礎(chǔ)上結(jié)合了鋁基復(fù)合材料的高韌性、疲勞耐久性等優(yōu)點(diǎn)[1, 2]。與全致密型鋁基復(fù)合材料相比，金屬?gòu)?fù)合泡沫材料表現(xiàn)出低密度、高比剛度、高能量吸收能力、優(yōu)異的機(jī)械及聲學(xué)阻尼性能等性能優(yōu)點(diǎn)[3-5]?？招那蛑?chē)饘倩w的填充使得空心球球壁和材料整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了提升，此外相同規(guī)格的金屬空心球使得金屬?gòu)?fù)合泡沫材料中的孔隙分布均勻，克服了材料非均勻變形問(wèn)題[6-8]；而金屬空心球規(guī)格尺寸及數(shù)量的可調(diào)性保證了金屬?gòu)?fù)合泡沫結(jié)構(gòu)與性能的可控性，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的孔隙尺寸、孔隙率及不同的孔隙結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?fù)合泡沫材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用[9]。

金屬?gòu)?fù)合泡沫材料作為一種新型功能材料，在航空航天、交通運(yùn)輸、國(guó)防等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，近年受到了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注及研究。Rabiei等[10, 11]分別采用重力鑄造法、粉末冶金法將鋁(不銹鋼)基體與不銹鋼空心球結(jié)合，制備了不同基體的金屬?gòu)?fù)合泡沫材料，并對(duì)材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，兩種金屬?gòu)?fù)合泡沫材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線展現(xiàn)了泡沫材料在壓縮條件下的典型彈性-塑性行為。金屬?gòu)?fù)合泡沫材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要經(jīng)歷彈性、平臺(tái)應(yīng)力(材料在相對(duì)恒定應(yīng)力下經(jīng)歷的均勻變形)、致密化3個(gè)階段。另一方面，金屬?gòu)?fù)合泡沫材料作為一種封閉式泡沫，由于孔隙間的相互獨(dú)立性，也可應(yīng)用于隔音領(lǐng)域，但關(guān)于金屬?gòu)?fù)合泡沫材料隔聲性能的研究較少[12-14]。目前金屬?gòu)?fù)合泡沫材料中，鐵鋁復(fù)合泡沫材料大都采用鑄造法制備，且鋁基體大多采用純鋁基體，本研究采用粉末冶金技術(shù)，以316L不銹鋼空心球和7075鋁合金為原材料，制備空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料，并對(duì)不同孔隙率的試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)及隔聲測(cè)試。

2 材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 原材料與材料制備

本文采用的原材料為316L不銹鋼空心球及7075鋁合金粉，其中空心球外徑為2.8 mm、壁厚為0.24 mm。采用粉末冶金技術(shù)對(duì)原材料在真空環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，隨后進(jìn)行T7熱處理，其主要制備過(guò)程如下：① 將清洗后的空心球與鋁合金粉末均勻混合后置于模具內(nèi)；② 將模具置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行分段加熱保溫，具體工藝如圖1所示；③ 對(duì)燒結(jié)后的材料進(jìn)行T7處理，即固溶處理+穩(wěn)定化處理，具體工藝如圖2所示。

圖1 空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料熱壓燒結(jié)工藝Fig.1 The process curve of hot-pressed sintering for hollow spheres/aluminum matrix composite foams

圖2 復(fù)合泡沫材料熱處理工藝Fig.2 The process curve of heat treatment for composite foams

2.2 性能表征

利用Instron 5500R萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備的空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，試樣尺寸為4 mm×4 mm×6 mm，測(cè)試應(yīng)變率為0.1 s-1。同時(shí)采用阻抗管法進(jìn)行材料的隔聲特性測(cè)試，測(cè)量隔聲損失頻率范圍為1600～6300 Hz，樣品直徑為30 mm。

文中孔隙率是指空心球內(nèi)腔在復(fù)合材料中所占比例，測(cè)試方法為圖像分析法[15]，即利用低倍顯微照片測(cè)量、統(tǒng)計(jì)空心球內(nèi)空腔的總截面積占整個(gè)被測(cè)試樣截面積的比值，從而計(jì)算出復(fù)合材料的孔隙率。

3 結(jié)果與分析

3.1 空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料組織形貌

圖3a為熱處理后空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料橫截面照片，空心球均勻分布于基體中，且其球形結(jié)構(gòu)保持著較好的完整性。由于切割位置對(duì)應(yīng)空心球位置不同，因此截面中對(duì)應(yīng)空心球孔隙大小不同。圖3b為復(fù)合泡沫材料內(nèi)空心球微觀形貌，可看出空心球與7075鋁合金基體間存在明顯的過(guò)渡層。圖中深灰色部分為鋁合金基體，亮白色部分為空心球球壁，兩者間淺灰色過(guò)渡區(qū)為空心球與基體間的過(guò)渡層，過(guò)渡層總厚度約為41.3 μm。過(guò)渡層均勻地分布在空心球外壁周?chē)疫B續(xù)性良好，無(wú)明顯缺陷。

圖3 空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料組織形貌：(a)橫截面照片，(b)空心球SEM照片F(xiàn)ig.3 Morphology of composite foam：(a)section image，(b)SEM image of hollow sphere

3.2 空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料壓縮性能

圖4為不同孔隙率空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出復(fù)合泡沫材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出3階段特征：線彈性階段、平臺(tái)應(yīng)力階段、致密化階段。

此外，可以看出隨著孔隙率的逐漸增加，材料峰值應(yīng)力、平臺(tái)應(yīng)力呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。在大多數(shù)情況下，金屬泡沫被用于能量吸收領(lǐng)域，單位體積的能量吸收能力(定義為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積)是評(píng)價(jià)金屬泡沫性能的一個(gè)重要參數(shù)，可以通過(guò)公式(1)計(jì)算：

(1)

其中W是吸收的能量，σ是應(yīng)變?chǔ)盘帉?duì)應(yīng)的應(yīng)力。圖4中應(yīng)力-應(yīng)變曲線下所對(duì)應(yīng)面積為材料變形過(guò)程中吸收的能量。不同孔隙率試樣應(yīng)變?yōu)?.35時(shí)對(duì)應(yīng)的能量吸收列于表1，可以看出其能量吸收能力的變化趨勢(shì)與峰值應(yīng)力及平臺(tái)應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同。在復(fù)合泡沫材料中，空心球周?chē)畛涞匿X合金基體起到承載載荷及支撐空心球的作用，適當(dāng)含量的鋁合金基體可以提高材料整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、克服材料的非均勻變形問(wèn)題[16]；而試樣中空心球與基體的結(jié)合連接主要依靠過(guò)渡層來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩者間更好的結(jié)合可以對(duì)材料起到強(qiáng)化作用。隨著孔隙率的逐漸增加，空心球與基體間的過(guò)渡層厚度逐漸增加，因此在加載過(guò)程中材料的峰值應(yīng)力逐漸增加。但隨著孔隙率的繼續(xù)增加，單位體積內(nèi)的基體材料逐漸減少，基體材料對(duì)載荷的承載作用及對(duì)空心球的支撐作用逐漸減小，基體鋁合金不足以在壓縮過(guò)程中協(xié)調(diào)變形，因此復(fù)合泡沫材料在壓縮變形過(guò)程中均勻性變差，峰值應(yīng)力開(kāi)始減小。

表1 不同孔隙率復(fù)合泡沫材料的能量吸收能力

3.3 空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料隔聲性能

圖5為熱處理后不同孔隙率復(fù)合泡沫材料的隔聲性能對(duì)比，隨著頻率逐漸增加，材料的聲傳遞損失總體呈上升趨勢(shì)。這是由于隨著頻率的增加，聲波波長(zhǎng)逐漸減小，相對(duì)于介質(zhì)層的尺寸減小，從而使得材料受到共振的影響逐漸減小，受到聲波激發(fā)的振動(dòng)速度因此減小，隔聲量因此而增加。當(dāng)材料孔隙率為0.30時(shí)，隨著頻率逐漸增加材料的傳遞損失波動(dòng)較大，這主要是由于該孔隙率材料的隔聲結(jié)構(gòu)在2000～6300 Hz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，故曲線會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)低谷點(diǎn)。另一方面，隨著孔隙率的增加，材料的傳遞損失即隔聲性能呈下降趨勢(shì)，這是由于隨著孔隙率的增加，相同橫截面面積中，空心球所占面積增加，即空心球內(nèi)空腔面積、過(guò)渡層面積增加。在聲波的傳遞過(guò)程中，孔洞及裂紋介質(zhì)的存在相當(dāng)于材料中透射系數(shù)為1的部分，而空心球內(nèi)的空腔相當(dāng)于孔洞介質(zhì)的存在，空心球空腔是復(fù)合泡沫材料隔聲性能中的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)材料的隔聲性能有嚴(yán)重的消極影響，故隨著孔隙率的逐漸增加，復(fù)合泡沫材料的隔聲性能逐漸降低。此外，將制備的復(fù)合泡沫材料與現(xiàn)階段常見(jiàn)單層隔聲墻(石膏圓孔板墻)[17]的隔聲量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，孔隙率為0.30和0.39的復(fù)合泡沫材料在1000～4000 Hz區(qū)間隔聲量大于石膏圓孔板墻，即隔聲性能優(yōu)于石膏圓孔板墻。

圖5 不同孔隙率復(fù)合泡沫材料頻率-傳遞損失曲線Fig.5 Frequency-transmission loss curves for composite foams with different porosity

空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料的隔聲原理與單層介質(zhì)在原則上是相同的，下面以單個(gè)空心球及周?chē)X合金基體為單元說(shuō)明聲波在復(fù)合泡沫材料中的傳遞過(guò)程。如圖6所示，在隔聲測(cè)試中，聲波自左向右垂直入射復(fù)合泡沫材料，則在復(fù)合泡沫材料的截面中存在圖中所示的各列平面波。圖6a為空心球及合金基體前后介質(zhì)層的隔聲，圖6b和圖6c分別為圖6a中黑色虛線框內(nèi)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的隔聲示意圖。主要討論圖中聲波透過(guò)基體合金并穿過(guò)空心球球壁及空心球球內(nèi)空腔的情況。聲波經(jīng)過(guò)圖中單元結(jié)構(gòu)時(shí)需依次透過(guò)8種界面，即：空氣到基體材料的界面、基體材料到過(guò)渡層的界面、過(guò)渡層到空心球球壁的界面、空心球球壁到球內(nèi)空氣的界面、球內(nèi)空氣到空心球球壁的界面、空心球球壁到過(guò)渡層的界面、過(guò)渡層到鋁合金基體的界面、基體材料到空氣的界面。在聲波的傳遞過(guò)程中：聲入射能量=反射能量+吸收能量+聲透射能量。在空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料中孔隙以封閉的形式存在，孔隙間不相互連接，大部分入射聲波將被反射，并且只有一部分聲波被微孔或裂縫吸收和透射，因此聲波穿過(guò)材料后聲透射能量較低[18]。另一方面，由于材料復(fù)雜的隔聲結(jié)構(gòu)內(nèi)包含多種多個(gè)介質(zhì)層，各個(gè)介質(zhì)層界面兩側(cè)介質(zhì)特征阻抗的突然變化，使聲波在界面處發(fā)生反射，聲波在介質(zhì)間的多次反射使聲波強(qiáng)度逐漸衰減，聲波透射能量開(kāi)始逐漸降低，因此在聲波傳遞過(guò)程中材料隔聲量逐漸增加。相對(duì)于具有相同孔隙率的閉孔泡沫材料，空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料隔聲性能也相對(duì)較好。

圖6 聲波穿透空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料示意圖：(a)空心球及周?chē)w介質(zhì)的隔聲，(b)Ⅰ區(qū)介質(zhì)的隔聲，(c)Ⅱ區(qū)介質(zhì)的隔聲Fig.6 Schematic diagram of sound wave penetrating composite foams: (a) sound insulation of hollow spheres and surrounding matrix media，(b) sound insulation of Region Ⅰ，(c) sound insulation of Region Ⅱ

4 結(jié) 論

利用粉末冶金法制備了不同孔隙率的空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料，并對(duì)其進(jìn)行T7熱處理，研究了不同孔隙率金屬?gòu)?fù)合泡沫材料的壓縮性能和隔聲性能，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)真空熱壓燒結(jié)技術(shù)成功制備了空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料，空心球均勻分布于基體中且保持較好的球形結(jié)構(gòu)；空心球與基體間形成明顯的過(guò)渡層，過(guò)渡層均勻分布于空心球周?chē)?；材料無(wú)明顯缺陷。

(2)空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為3階段：線彈性階段、應(yīng)力平臺(tái)階段、致密化階段。隨著空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料孔隙率的逐漸增加，材料峰值應(yīng)力、平臺(tái)應(yīng)力、能量吸收能力總體呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，空心球/鋁基復(fù)合泡沫材料的變形與基體的塑性、強(qiáng)度，空心球的強(qiáng)度及空心球與基體間的結(jié)合都有著緊密聯(lián)系。

(3)空心球內(nèi)空腔相當(dāng)于透射系數(shù)為1的介質(zhì)，由于空腔對(duì)材料隔聲性能的消極影響，隨著孔隙率的逐漸增加，材料在同一頻率下的隔聲量逐漸下降，即材料的隔聲性能逐漸降低。