高溫下輕質泡沫鋁動態力學性能實驗*

王鵬飛，徐松林，李志斌，胡時勝

(中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽 合肥 230027)

輕質泡沫鋁是一種具有高孔隙度的材料，具有良好的吸聲、吸能、隔熱等特性，在航空航天、汽車運輸、船舶交通等領域獲得廣泛的應用。

當前，對泡沫鋁在常溫下的動態力學性能有了探討[1-2]，而在高溫下力學性能的研究很少。M.Hakamada等[3]討論了閉孔泡沫鋁在準靜態與中應變率(0.000 8～0.2 s-1)高溫下的力學性能，總結出泡沫鋁的性能隨溫度的變化趨勢與其基體材料類似；C.M.Cady等[4]研究了Alporas泡沫鋁在低溫下的動態力學性能，Alporas具有很強的溫度依賴性。

隨著航空航天技術的發展，泡沫材料的應用范圍也逐漸拓寬，空間飛行器苛刻的環境溫度以及穿透大氣層摩擦生熱導致的復雜環境，使高溫動態下泡沫鋁力學行為及其機理的研究具有重要的意義。

由于輕質泡沫鋁材料本身的分散性，以及在動態加載過程中應變率效應與慣性效應的相互耦合的情況，使對泡沫鋁的應變率效應的研究具有一定的挑戰，也對高溫下泡沫鋁動態力學性能的探討提出了更高的要求。

1 高溫下動態力學性能測試面臨的問題

目前，均勻性假定是分離式Hopkinson壓桿的基本假定[5]。在常溫下，利用SHPB實驗技術對輕質泡沫材料動態力學性能的研究主要面臨兩個問題：一個是在低速撞擊下，試件厚度造成的應力不均勻性(波動效應)；另一個是在高速撞擊下，泡沫結構破壞的局域化導致試件的應變/應力不均勻性，主要由泡沫結構慣性效應引起[6-7]。前者要求縮減應力均勻化時間，主要通過縮短試件厚度或通過整形器改變加載波形[8]實現。后者則需要控制打擊桿速度，不能太高，要求試件的變形一定是“均勻變形模式”的[5]，在較高的撞擊速度下，泡沫材料先從沖擊端開始變形，對應變形模式的“沖擊模式”[6-7]，此時沖擊端的應力遠大于后面支撐端的應力[9]。

為解決第一個問題，我們采用石英晶體片技術檢測兩端應力，并確定試件厚度為15 mm保證試件應力的均勻性[10]，如圖1(a)所示。利用石英片檢測的試件前后端面應力較一致(消除了薄片慣性力造成的實驗誤差)，如圖1(b)所示。

為解決第二個問題，我們采用了兩次撞擊測量方法[11]，如圖2(a)所示。通過兩次實驗分別測量試件在同一撞擊速度下沖擊端與支撐端的應力，通過此方法獲得的兩端應力可代表試件在“一次撞擊”過程中兩端的應力，利用此測量方法可以探討試件在高速撞擊過程中的應力均勻性，并可研究泡沫材料在不同撞擊速度下對應的三種變形模式[9]：均勻模式，過渡模式，沖擊模式。沖擊模式下沖擊端與支撐端的應力曲線顯示，在高速撞擊下，試件的應力并不滿足均勻性假定，如圖2(b)所示。

圖1 SHPB實驗中試件兩端應力檢測的石英晶體片法[10]Fig.1 Detect the stresses uniformity of specimen by quartz-crystal method[10]

圖2 高速撞擊下測量泡沫鋁兩端應力的實驗方法[11]Fig.2 Experimental methods to measure the stresses of two ends of foams[11]

綜上所述，常溫動態加載下泡沫材料兩端的應力可以通過如圖1(低速下)、圖2(高速下)所示的測試技術獲得，但高溫動態下材料力學性能的實驗技術更加復雜。首先，動態高溫下，圖1所示的石英晶體片技術難以應用；其次，圖2(a)所示的測量沖擊端應力的實驗方案已難以實施(見2.1節)。因此，發展高溫、動態加載下泡沫材料兩端應力的測量技術很有必要。

本文中，主要在Hopkinson壓桿的基礎上設計一種高溫動態實驗技術，重點測量高溫動態加載下泡沫材料的兩端應力。利用較長的打擊桿作為子彈直接撞擊Hopkinson桿，可以有效地檢測高溫、動態加載下輕質泡沫鋁試件兩端的應力曲線。采用此實驗方案，觀察泡沫鋁均勻變形所對應的有效撞擊速度，可利用傳統的分離式Hopkinson壓桿實驗得到泡沫鋁在高溫動態下的應力應變曲線。

2 高溫下兩端應力的檢測

2.1 實驗方案

以前，通過兩種改進的Hopkinson壓桿實驗裝置(見圖2)，分別檢測試件在常溫下沖擊端與支撐端的應力曲線，證實了隨著撞擊速度的提高，泡沫鋁兩端應力差越大，變形越不均勻[11]。但是在測量沖擊端應力的實驗中(見圖2(a))，試件與打擊桿黏結在一起，難以對試件進行加熱與保溫，所以此方案很難應用在高溫實驗中。

因此，我們設計了一種直接撞擊法檢測高溫下沖擊過程中試件兩端的應力曲線，可以檢測高溫高速加載下試件的變形模式，如圖3所示。

圖3 改進的直接撞擊法實驗裝置Fig.3 Improved method of direct impact

槍管內是1 750 mm長的打擊桿，貼在桿端的應變片可直接測量沖擊端的應力曲線。采用較長的打擊桿，一方面可保證應變片信號在測試的時間(600 μs)內不受反射波的干擾，另一方面可以確保打擊桿在氣槍中有較長的加速段，以達到較高的撞擊速度。右邊安置的是長度為4 000 mm的支撐桿，通過支撐桿上的應變片可測量支撐端的應力曲線。打擊桿和支撐桿的桿材為超硬鋁，直徑37 mm，打擊桿通過長導管確保對心碰撞。

高溫爐能對靜止的試件進行加熱并保溫，在高溫爐的側面還開有石英玻璃窗口，可利用高速CCD拍攝高溫下的試件高速變形過程。基于周國才等[12]對封閉式高溫爐SHPB實驗技術進行的探討以及在處理數據時對溫度梯度的修正方法，采用長桿直接撞擊Hopkinson桿實驗可以得到可靠的結果。

2.2 實驗結果

圖4 不同撞擊速度下的兩端應力曲線(25 ℃)Fig.4 Stress curves of two ends under different impact velocity (25 ℃)

圖5 不同撞擊速度下的兩端應力曲線(350 ℃)Fig.5 Stress curves of two ends under different impact velocity (350 ℃)

通過直接撞擊實驗得出了泡沫鋁試件在不同速度和溫度下沖擊端與支撐端的應力曲線，如圖4～5所示。在撞擊速度v≈6.5m/s下，無論是室溫25 ℃還是高溫350 ℃的環境，沖擊端與支撐端的應力具有很好的重合性，試件變形為均勻模式。隨著撞擊速度的增加(17～26 m/s)，25 ℃下兩端的應力重合性尚好，但是在350 ℃的環境溫度下，沖擊端與支撐端應力的差異越來越明顯，變形模式已不再均勻。以上結果表明，在同一撞擊速度下，溫度越高，試件兩端的應力均勻性越差，增加溫度與提高撞擊速度均會導致泡沫鋁材料沖擊端與支撐端的應力不均勻性。

3 泡沫鋁高溫下的SHPB實驗

在傳統的分離式Hopkinson壓桿實驗中，對于波阻抗較低的材料(如肌肉、泡沫材料等)，可以通過石英晶體片技術，檢測試件在常溫下前端面與后端面在SHPB動態加載過程中的應力均勻性，但限于實驗條件，并未對高溫下SHPB實驗的應力均勻性進行檢測，由實驗結果(見圖4～5)可以看出，在高溫下試件的應力均勻性更難滿足。

在SHPB實驗中，彈性波在試件中經過三四個來回的反射，才可滿足“均勻性”假設的要求[13-14]：

(1)

(2)

式中：tequ為應力均勻所需的時間，n為彈性波在試件中來回傳播的次數，c1(T)和ET分別是彈性波在試件中傳播的波速與彈性模量。

從實驗結果可以直觀看出，高溫下的應力均勻性變差。對泡沫試件，隨著溫度的升高，ET逐漸降低，c1(T)也降低，溫度越高，c1T越小，應力均勻所需的時間tequ也較長。

在SHPB實驗中，通過整形器技術改變入射波上升沿，可使試件盡早達到應力均勻狀態[8,15]。由于SHPB石英晶體片技術在高溫下難以應用，兩端應力難以獲取，因此我們設計了長桿直接撞擊Hopkinson桿實驗方案檢測兩端應力，通過實驗得出在高溫、同一撞擊速度下，兩端應力的不均勻性更嚴重，對于低波阻抗材料的SHPB高溫實驗，更需檢測其應力均勻性。

在高溫350 ℃下，速度19.55 m/s時兩端應力尚存在一些差別，并不顯著，但速度26.20 m/s時已呈現明顯的差別。因此可以確定，在此高溫下需保證兩端應力相對均勻的沖擊速度v≤19 m/s，低于這個速度一定可基本消除應力不均勻的影響。同時，取試件的尺寸?32 mm×15 mm、密度0.315～0.335 g/cm3，可以消除尺寸效應與密度分散性的影響[10]。

輕質泡沫鋁材料在高溫下的SHPB實驗裝置如圖6所示，子彈長度800 mm，入射桿、透射桿均2 000 mm。原始波形如圖7所示，其中入射波、反射波用電阻應變片測量，透射波用半導體應變片測量，每種應變率3次重復實驗。不同溫度、不同應變率下的工程應力應變曲線如圖8所示。在350 ℃、1 000 s-1下，對應的子彈速度約16 m/s，小于在此高溫下保持兩端應力均勻的沖擊速度 (約19 m/s), 因此所得到的實驗結果有效。圖8中還給出泡沫鋁在靜態(0.001 s-1)、高低溫下的應力應變曲線，比較表明，此泡沫鋁在高低溫下均具有一定的應變率效應，且高溫下的應變率效應比常溫下更顯著。

圖6 SHPB高溫實驗裝置圖Fig.6 Experimental device of SHPB

圖7 SHPB實驗中的原始波形Fig.7 Original waveform of SHPB

圖8 不同應變率、高低溫下的應力應變曲線Fig.8 Stress-strain curves under different strain-rates, temperatures

4 總 結

通過對Hopkinson壓桿裝置的改進，設計了直接撞擊法實驗方案，采用長子彈撞擊，成功檢測出高溫高速下泡沫鋁試件沖擊端與支撐端的應力。實驗結果指出，在同一撞擊速度下，溫度越高，試件兩端的應力均勻性越差，增加溫度與提高撞擊速度均會加劇試件兩端的應力不均勻性。利用直接撞擊的實驗結果，確定了泡沫鋁在350 ℃高溫下的保證均勻變形的撞擊速度，再通過傳統的分離式Hopkinson壓桿實驗得出泡沫鋁在高溫動態下的力學性能，實驗表明泡沫鋁在高低溫下均具有一定的應變率效應。

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