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空心球/Al微孔材料的压缩变形行为和吸能性能研究

邹林池  
【摘要】:在交通运输、机械设备、工程结构、兵器工业、航空航天等工业领域,在服役过程中构件往往承受动态冲击载荷,此时需要冲击吸能材料对内容物进行保护。基于强冲击载荷防护的应用背景,本文立足于之前的研究成果,设计制备了一种在动态冲击载荷下具有高吸能能力的空心球/Al微孔材料,并对影响材料强度的因素进行了试验研究。 本文选择了不同粒径的飞灰空心球作为增强体,以工业纯铝及6061铝合金作为基体,采用压力浸渗法制备一种高体积分数的空心球/Al微孔复合材料。利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、材料万能试验机、分离式霍普金森压杆系统(SHPB)等分析手段,研究了空心球/Al微孔材料的微观组织、静态、动态压缩力学性能以及该材料的吸能性能和防护作用,并探讨了材料的变形机理及空心球粒径对材料性能的影响。 首先对原始空心球的性能进行了表征,飞灰空心球的成分主要为SiO2和Al2O3。TEM观察表明,空心球/Al微孔材料的界面结合情况良好。纯铝基体与飞灰空心球不发生界面反应,而6061铝合金与空心球反应生成MgAl2O4和Si。 基于材料的光学金相照片与扫描电镜照片,使用软件ImageTool与ImageJ分析了材料的体积分数与分布均匀性。平均粒径为70μm与200μm的飞灰空心球/Al微孔材料的体积分数分别为49.1%与49.8%,平均粒径为120μm的飞灰空心球/Al微孔材料体积分数较低,为45.4%,这与飞灰空心球的空间堆垛方式有关。三种飞灰粒径的复合材料中,飞灰空心球分布比较均匀,无明显偏聚。 空心球/Al微孔材料在受到准静态载荷压缩时,应力-应变曲线表现出多孔材料典型的“三阶段”特征。70μm、120μm、200μm三种粒径的空心球/Al微孔材料的峰值应力分别为84.8MPa、73.4MPa、48.7MPa,呈现出粒径越小强度越高的趋势,这个规律与颗粒增强金属基复合材料一致。当动态压缩时,空心球/Al微孔材料的峰值应力明显增加,分别为124.7MPa、119.8MPa、59.4MPa,表现出了明显的应变率效应。但是,应变率效应与空心球/Al微孔材料内空心球粒径及压缩过程中应变率的大小无关。 通过扫描电镜下的原位压缩试验观察了空心球/Al微孔材料的准静态压缩过程,空心球发生了明显的损伤、破碎、变形,空心球/Al微孔材料中出现明显的“破碎带”,随着“破碎带”的逐层拓展,材料被压溃。通过ImageJ软件计算了压缩过程中空心球的圆度,随着压缩的进行空心球的圆度逐渐减小,说明空心球由圆形逐渐被压缩成椭圆。仿照闭孔泡沫铝的单胞模型建立了空心球/Al微孔材料的单胞模型,对模型的受力分析显示材料的屈服强度和弹性模量与粒径成倒数关系,得到了材料压缩强度和模量的预测公式。 空心球/Al微孔材料的微观变形方式主要与基体的变形能力有关,与空心球无关。基体的变形能力强,压缩时空心球随着基体共同变形,空心球逐层破碎;基体的变形能力差时,空心球的赤道处优先变形、开裂,空心球迅速坍塌。 空心球/Al微孔材料具有优异的吸能能力,适合应用于冲击防护的场合,本文制备了一种含空心球/Al微孔材料夹层的“三明治”叠层结构。通过对叠层结构进行的动态压缩测试,显示含有空心球/Al微孔材料的叠层结构能明显地阻碍应力波的传播。阻碍应力波的传播主要来源于叠层结构中的空心球/Al微孔材料,并且与空心球/Al微孔材料的基体性能密切相关。对叠层结构动态压缩过程进行有限元模拟,在动态压缩过程中,空心球/Al微孔材料发生了大量变形,且承受了大部分应力。绝大多数应力波被反射回入射杆,透射杆几乎不发生位移。因此,叠层结构起到了很好的应力波防护效果。


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