高溫處理后閉孔泡沫鋁壓縮性能及變形機(jī)理

賈寧濤，張虎，宮偉鵬，萬利，沈佳佳，林贊權(quán)，雷明鋒，龔琛杰

（1.山東高速高新材料科技有限公司，濟(jì)南 250013；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075；3.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250031）

隧道是高等級(jí)公路的關(guān)鍵組成部分，由于隧道半封閉式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)交通噪聲有強(qiáng)烈的匯聚作用，使得車輛行駛通過隧道時(shí)噪聲強(qiáng)度極大，噪聲污染嚴(yán)重，對(duì)司機(jī)及隧道檢查走行區(qū)域工作人員產(chǎn)生不利影響，因此，對(duì)高速公路長大隧道的交通噪聲控制，已成為業(yè)界日益關(guān)注的問題。

泡沫鋁是近年來發(fā)展迅速的一種新型結(jié)構(gòu)功能化一體材料，其兼具金屬材料和多孔材料的特性，并且因其具有良好的吸能、減震、吸聲、隔熱及電磁屏蔽性能被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域[1-5]?，F(xiàn)有的研究表明，泡沫鋁應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域時(shí)可以有效降低環(huán)境中的噪音[6-10]，因此，可以考慮將高孔隙率泡沫鋁作為一種吸聲降噪材料應(yīng)用于隧道的噪聲控制領(lǐng)域，且兼具混凝土的隔熱防護(hù)功能。當(dāng)泡沫鋁材料作為降噪防火板安裝于隧道中時(shí)，會(huì)受到壓縮荷載及溫度等影響，因此，探究溫度對(duì)閉孔泡沫鋁材料壓縮力學(xué)性能的影響，對(duì)其變形機(jī)理進(jìn)行深入研究具有重要意義。

自20 世紀(jì)中葉開始，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫鋁材料進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，主要包括泡沫鋁材料的制備[11-14]、力學(xué)性能及變形機(jī)理[15-17]等方面。針對(duì)泡沫鋁應(yīng)用于常溫場景，黃蘇南等[18]對(duì)泡沫鋁開展Taylor-Hopkinson 沖擊實(shí)驗(yàn)，得出泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變行為表現(xiàn)出明顯的沖擊速率敏感性。閆暢等[19]針對(duì)2 種基體（純鋁基體和7050 鋁合金基體）的泡沫鋁材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，并對(duì)其變形機(jī)理進(jìn)行分析，得出7050 基體泡沫鋁材料力學(xué)性能更加穩(wěn)定。楊永順等[20]開展了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，探究不同孔隙率下的力學(xué)性能、吸能性能和壓縮變形機(jī)理。

當(dāng)泡沫鋁材料應(yīng)用于高溫場景時(shí)，關(guān)于常溫下得出的研究成果就不再適用。于是部分學(xué)者考慮溫度對(duì)其力學(xué)性能和變形機(jī)理的影響，并得出了結(jié)論。李雪艷等[21-23]利用Hopkinson 桿、SHPB 與MTS 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了不同密度的閉孔泡沫鋁在不同溫度和應(yīng)變率下的力學(xué)性能，并對(duì)其變形機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。張鵬飛等[24-25]研究了高溫處理后泡沫鋁材料的承載性能，分析了溫度對(duì)泡沫鋁材料力學(xué)參數(shù)的影響，但是總的來說，關(guān)于高孔隙率閉孔泡沫鋁在不同加熱溫度處理后的力學(xué)性能及變形機(jī)理的研究還相對(duì)較少。

文中通過對(duì)不同孔隙率的泡沫鋁試樣在不同溫度加熱后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，得到閉孔泡沫鋁試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)參數(shù)，并與常溫工況進(jìn)行對(duì)比，研究孔隙率和加熱溫度2 個(gè)方面對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能的影響，結(jié)合不同應(yīng)變下泡沫鋁試件形態(tài)及電鏡照片對(duì)泡沫鋁材料的變形破壞模式進(jìn)行分析，為進(jìn)一步探明高孔隙率閉孔泡沫鋁高溫后壓縮力學(xué)行為提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制作

試驗(yàn)采用閉孔泡沫鋁材料，由山東高速高新材料科技有限公司提供，采用線切割的方法加工成試驗(yàn)需要的試件尺寸，試件尺寸為50 mm×50 mm×75 mm，選取泡沫鋁材料的孔隙率分別為84.3%、84.9%、86.0%、87.3%。部分試驗(yàn)試件見圖1。

圖1 部分泡沫鋁試樣Fig.1 Some of aluminum foam specimens

1.2 試件加熱與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

因?yàn)槲闹醒芯块]孔泡沫鋁材料應(yīng)用于實(shí)際工程中遭受火災(zāi)情況下性能的變化，所以對(duì)泡沫鋁試塊先進(jìn)行加熱處理。高溫加熱儀器使用的是天津中環(huán)電爐公司生產(chǎn)的SX-B16103 箱式電爐。將泡沫鋁試件放入電爐進(jìn)行加熱，加熱至設(shè)定最高溫度后保溫3 h，加熱結(jié)束后，自然冷卻至室溫，然后對(duì)試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。為驗(yàn)證泡沫鋁的極限溫度，此次試驗(yàn)溫度分別設(shè)置了5 種溫度，分別為700（超過金屬鋁熔點(diǎn)）、500、300、100、25 ℃（不加熱）。爐體內(nèi)升溫曲線見圖2，溫度誤差為±10 ℃。

圖2 泡沫鋁加熱曲線Fig.2 Heating curve of aluminum foam

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在WDW-50 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)采用位移控制加載，試件在5 mm/min 的速度下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，通過傳感器和與之相連的計(jì)算機(jī)得到泡沫鋁材料的力-位移曲線，之后通過計(jì)算得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫后現(xiàn)象及分析

泡沫鋁試件在加熱后，其形態(tài)見圖3。從圖3 中可以看出，其加熱溫度為700 ℃時(shí)，試件外表面由亮白色變?yōu)榘祷疑?，泡沫鋁出現(xiàn)碳化；部分試件鋁基體融化從泡沫鋁結(jié)構(gòu)缺陷處析出，試件出現(xiàn)嚴(yán)重變形。這是由于當(dāng)加熱溫度高于鋁的熔點(diǎn)660.4 ℃時(shí)，泡沫鋁內(nèi)部鋁基體逐漸開始熔化，鋁水從泡沫鋁結(jié)構(gòu)缺陷流出，但隨著溫度降低泡沫鋁重新凝固，從而導(dǎo)致了試件出現(xiàn)部分塌陷和結(jié)構(gòu)變化。

圖3 泡沫鋁試件700 ℃處理后形態(tài)Fig.3 Morphology of aluminum foam specimens after 700 ℃ treatment

2.2 高溫后閉孔泡沫鋁壓縮力學(xué)性能

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮作用下閉孔泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4，文中每種工況包含3 個(gè)試件，圖4 中曲線為3 組試件比選所得。由圖4 可以看出，不同加熱溫度下閉孔泡沫鋁材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線均明顯呈現(xiàn)出3 個(gè)階段：彈性階段、塑性平臺(tái)階段和密實(shí)階段。在應(yīng)變小于0.05 的區(qū)間內(nèi)，泡沫鋁基體發(fā)生彈性變形，壓縮曲線為彈性階段，泡沫鋁材料的應(yīng)變較小，應(yīng)力呈線性增加。隨著泡沫鋁基體變形增加，泡沫鋁孔洞結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，孔洞產(chǎn)生裂紋并開始坍塌，壓縮曲線進(jìn)入塑性平臺(tái)階段。閉孔泡沫鋁孔洞具有一定的尺寸，在壓縮過程中，泡沫鋁孔洞先產(chǎn)生彎曲屈服，孔壁結(jié)構(gòu)不會(huì)立即接觸，而是緩慢變形直至孔洞空間被完全壓縮。在此階段（應(yīng)變?yōu)?.05～0.5），隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力變化極小，處于一個(gè)較穩(wěn)定的平臺(tái)階段，該階段體現(xiàn)了閉孔泡沫鋁材料具有很強(qiáng)的吸能特性。隨著泡沫鋁孔洞的不斷坍塌，直至孔洞完全壓實(shí)，泡沫鋁基體開始相互堆疊密實(shí)，壓縮曲線進(jìn)入密實(shí)階段。在此階段，應(yīng)力急劇上升，并隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力-應(yīng)變曲線切線斜率增加。

低孔隙率泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體位于高孔隙率泡沫鋁的上方。不同孔隙率泡沫鋁加熱處理后在5 mm/min 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的力學(xué)性能參數(shù)見表1，由3 組試件取均值所得。從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著泡沫鋁孔隙率的減小，彈性模量、屈服強(qiáng)度和平臺(tái)應(yīng)力均出現(xiàn)了上升趨勢，在25 ℃時(shí)，孔隙率從87.3%減小到84.3%時(shí)，彈性模量從97.0 MPa 增大到了141.4 MPa，屈服強(qiáng)度從3.86 MPa 增大到了4.25 MPa，平臺(tái)應(yīng)力從3.81 MPa 增大到了4.75 MPa。在泡沫鋁經(jīng)過100、300、500 ℃加熱后，其力學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)出相同規(guī)律，孔隙率低的泡沫鋁材料的力學(xué)參數(shù)更好。這是因?yàn)殡S著孔隙率的降低，泡沫鋁材料的鋁基體含量增加，孔洞體積占比減小，孔壁厚度增加，泡沫鋁試件抵抗壓縮變形的能力增強(qiáng)，整體上表現(xiàn)出更好的壓縮力學(xué)性能。根據(jù)前人試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)及結(jié)論證明，閉孔泡沫鋁材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和平臺(tái)應(yīng)力會(huì)隨著孔隙率的增加而降低，在此次試驗(yàn)中所得規(guī)律與前人得出的結(jié)論相符。

表1 泡沫鋁基本力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Basic mechanical property parameters of aluminum foam MPa

隨著加熱溫度的升高，泡沫鋁材料的彈性梯度、抗壓屈服強(qiáng)度、平臺(tái)應(yīng)力值出現(xiàn)小幅度下降?？紫堵蕿?4.3%的泡沫鋁，在25 ℃時(shí)，其彈性模量為141.4 MPa，屈服強(qiáng)度為4.25 MPa，平臺(tái)應(yīng)力為4.75 MPa，當(dāng)加熱溫度為500 ℃時(shí)，彈性模量減少到了128.0 MPa，屈服強(qiáng)度減小到了4.22 MPa，平臺(tái)應(yīng)力減小到了4.51 MPa。根據(jù)已有數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)加熱溫度小于500 ℃時(shí)，泡沫鋁材料的壓縮力學(xué)性能下降程度較小。加熱溫度為700 ℃時(shí)，閉孔泡沫鋁結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，泡沫鋁試件變形嚴(yán)重，不具備完成壓縮實(shí)驗(yàn)的條件。

2.3 閉孔泡沫鋁壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的簡化模型

結(jié)合孔隙率為90.1%、91.4%、94.1%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)閉孔泡沫鋁的屈服強(qiáng)度σy、密實(shí)點(diǎn)應(yīng)力σp（σp=1.3σpl）、極限應(yīng)力σu（ε=0.75 時(shí)的應(yīng)力）、彈性模量Es及平臺(tái)模量Ep（屈服點(diǎn)與密實(shí)點(diǎn)連線的斜率）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，確定其與孔隙率θ和加熱溫度之間的線性關(guān)系，見式（1）。

在此基礎(chǔ)上，參考李愛群等[8]提出的三折線模型，可將孔隙率為84%～94%閉孔泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡化為3 個(gè)階段進(jìn)行分析。

式中：ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力。

由式（1）可以預(yù)測出孔隙率在84%～94%內(nèi)閉孔泡沫鋁材料的關(guān)鍵特征值，并參考式（2）—（4）得出不同應(yīng)變下閉孔泡沫鋁的應(yīng)力情況，可為實(shí)際應(yīng)用中高孔隙率閉孔泡沫鋁的受力情況和判別是否存在破壞風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

2.4 泡沫鋁材料的吸能特性

如圖4 所示，閉孔泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有一段較長的平臺(tái)應(yīng)力階段，此階段應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力維持平穩(wěn)狀態(tài)，并且吸收大量能量，可見閉孔泡沫鋁材料具有優(yōu)良的吸能特性。泡沫鋁吸能特性可以用單位應(yīng)變量體積泡沫鋁吸收能量Wa和能量吸收效率Ea進(jìn)行評(píng)價(jià)。單位應(yīng)變量體積泡沫鋁吸收能量Wa計(jì)算式[26]見式（5）。

式中：ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力。

圖6 孔隙率84.9%能量吸收曲線Fig.6 Energy absorption curve of aluminum foam with porosity of 84.9%

在壓縮變形過程中，隨著應(yīng)變的增加，閉孔泡沫鋁孔壁變形增大，吸收的能量增加。在變形前期（應(yīng)變小于0.5），泡沫鋁吸收能量隨應(yīng)變?cè)黾映尸F(xiàn)線性增長，此階段對(duì)應(yīng)于泡沫鋁的彈性階段和平臺(tái)應(yīng)力階段，當(dāng)應(yīng)變大于0.5 時(shí)，能量吸收曲線切線斜率逐漸增大。這是因?yàn)?，在塑性平臺(tái)階段泡沫鋁應(yīng)力變化較小，等應(yīng)變區(qū)間吸收的能量幾乎相同，當(dāng)處于密實(shí)階段時(shí)，泡沫鋁基體相互堆疊，承載壓縮荷載能力增強(qiáng)，應(yīng)力也更大，等應(yīng)變區(qū)間吸收的能量更多。同時(shí)由圖5 可以看出，低孔隙率能量吸收曲線位于高孔隙率上方，達(dá)到同一應(yīng)變時(shí)，孔隙率低的閉孔泡沫鋁材料能夠吸收更多的能量，可見閉孔泡沫鋁的能量吸收能力隨著孔隙率的降低而增強(qiáng)。隨著加熱溫度的升高，同一應(yīng)變下，吸收的能量更少，閉孔泡沫鋁的能量吸收能力減弱。

圖5 25 ℃下能量吸收曲線Fig.5 Energy absorption curve at 25 ℃

能量吸收效率計(jì)算公式為[27]：

式中：ε為應(yīng)變；σε為對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

閉孔泡沫鋁的吸能效率曲線見圖 7—8。由圖7—8 可以看出，閉孔泡沫鋁的吸能效率隨著應(yīng)變?cè)黾酉壬吆蠼档?，?dāng)應(yīng)變處于0.5 附近時(shí)，吸能效率達(dá)到最大值。相較于低孔隙率泡沫鋁，高孔隙率泡沫鋁的能量吸收效率增長更快，并且在很長一段應(yīng)變區(qū)間內(nèi)具有更高的吸能效率。加熱溫度對(duì)閉孔泡沫鋁吸能效率的影響有相似的規(guī)律，隨著加熱溫度升高，吸能效率表現(xiàn)更好。

圖7 25 ℃下的吸能效率曲線Fig.7 Energy absorption efficiency curve at 25 ℃

圖8 孔隙率為84.9%的吸能效率曲線Fig.8 Energy absorption efficiency curve of aluminum foam with porosity of 84.9%

3 泡沫鋁坍塌變形機(jī)理分析

此次壓縮試驗(yàn)中的一個(gè)泡沫鋁試件壓縮變形過程見圖9。對(duì)該試件泡沫鋁的變形機(jī)理進(jìn)行分析。如圖9 所示，在泡沫鋁未產(chǎn)生變形時(shí)，泡沫鋁孔洞結(jié)構(gòu)完整，無裂縫及孔壁變形。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段（應(yīng)變小于0.05），泡沫鋁孔洞結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生彈性彎曲變形，但孔洞結(jié)構(gòu)仍能保持完整，結(jié)構(gòu)不發(fā)生失效。隨著泡沫鋁變形的增加，應(yīng)力超過泡沫鋁孔洞所能承受的屈服強(qiáng)度時(shí)，鋁基體和孔壁發(fā)生塑性變形?？锥唇Y(jié)構(gòu)的破壞先從泡沫鋁鋁基體薄弱處和結(jié)構(gòu)缺陷處開始，孔洞先產(chǎn)生裂縫，見圖10a，并隨著應(yīng)力增加，裂縫延展到周圍孔洞并形成裂隙帶，見圖9c，這是因?yàn)殚]孔泡沫鋁鋁基體薄弱處和結(jié)構(gòu)缺陷處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且抵抗壓縮荷載能力較弱。隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增加，泡沫鋁孔壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)更多的裂縫，并形成新的裂縫帶，部分孔洞結(jié)構(gòu)沿已有裂縫發(fā)生坍塌，形成塌落帶，見圖9d—e。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，泡沫鋁孔洞大面積坍塌，見圖9f—g，并隨著位移量的進(jìn)一步增加，孔洞結(jié)構(gòu)完全破壞并被壓實(shí)，孔壁鋁基體開始相互堆疊、擠壓，見圖10b。同時(shí)由于孔隙完全消失，壓縮過程結(jié)束，從塑型平臺(tái)階段進(jìn)入密實(shí)階段，應(yīng)力隨之快速增加。

圖9 閉孔泡沫鋁壓縮變形過程Fig.9 Compressive deformation process of closed-cell aluminum foam

圖10 泡沫鋁孔洞SEM 圖Fig.10 SEM images of aluminum foam pores

從整體變形過程可以看出，閉孔泡沫鋁的變形呈現(xiàn)出逐層坍塌的現(xiàn)象，直接受力側(cè)（圖9 為試件下部）孔洞先開始坍塌，逐漸向另一側(cè)發(fā)展?？锥吹钠茐氖紫葟慕Y(jié)構(gòu)薄弱處和缺陷處產(chǎn)生，并向周圍孔洞結(jié)構(gòu)輻射，同時(shí)標(biāo)志著應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性階段的結(jié)束。這一現(xiàn)象直接證明了泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)直接降低其承載能力和能量吸收能力，原因在于結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)導(dǎo)致泡沫鋁屈服強(qiáng)度降低，泡沫鋁壓縮過程提前進(jìn)入塑性平臺(tái)階段，吸收的能量減少。綜上，孔隙率一定的泡沫鋁材料，鋁基體分布越均勻、結(jié)構(gòu)缺陷越少，其壓縮力學(xué)性能越好，吸收能量的能力越強(qiáng)。由于泡沫鋁與試驗(yàn)機(jī)壓頭、底座之間的接觸為硬接觸，所以接觸面附近的孔洞先發(fā)生破壞。

4 結(jié)語

文中通過對(duì)不同孔隙率的泡沫鋁試樣在不同溫度加熱后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下。

1）不同孔隙率閉孔泡沫鋁材料在不同溫度加熱處理后的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了3 個(gè)階段：彈性階段、塑性平臺(tái)階段和密實(shí)階段。閉孔泡沫鋁材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度及平臺(tái)應(yīng)力會(huì)隨著孔隙率的增加而降低。當(dāng)加熱溫度小于500 ℃時(shí)，隨著加熱溫度的升高，泡沫鋁材料的壓縮力學(xué)性能下降程度較小。

2）對(duì)泡沫鋁的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了回歸分析，建立了孔隙率與泡沫鋁力學(xué)參數(shù)的量化關(guān)系，可以為高孔隙率閉孔泡沫鋁的壓縮力學(xué)行為進(jìn)行表征與描述。

3）閉孔泡沫鋁具有優(yōu)良的吸能特性，孔隙率小、加熱溫度低的閉孔泡沫鋁的能量吸收能力更好，吸能效率則與之相反。

4）在壓縮荷載下，閉孔泡沫鋁整體上呈現(xiàn)出逐層坍塌的現(xiàn)象（直接受力側(cè)孔洞先開始坍塌，逐漸向另一側(cè)發(fā)展），但是孔洞的破壞首先從結(jié)構(gòu)薄弱處和缺陷處產(chǎn)生，并向周圍孔洞結(jié)構(gòu)輻射。

泡沫鋁材料的應(yīng)用要綜合考慮孔隙率和溫度環(huán)境等因素對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)可靠度的影響，目前國內(nèi)外閉孔泡沫鋁材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已相對(duì)豐富，可結(jié)合不同工況下泡沫鋁材料的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。