閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)強度性能研究

李立 劉洋志 王天石

摘要：閉孔泡沫鋁具有輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和抗沖擊吸能的特點，以此材料為基礎(chǔ)的閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)是一種比強度、比剛度較高的復合結(jié)構(gòu)。本文通過平板壓縮和平板剪切實驗得到閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的壓縮強度與剪切強度，根據(jù)實驗結(jié)果得出閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的力學仿真模型構(gòu)建參數(shù)。

關(guān)鍵詞：閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu);平面壓縮;平面剪切;力學仿真模型

前言

泡沫鋁是一種在金屬鋁基體中分布有無數(shù)氣泡的多孔質(zhì)材料，具有密度小、吸收沖擊能力強、消聲性能好等優(yōu)點，其在環(huán)境保護、國防科技等領(lǐng)域有了成功的應用。泡沫鋁金屬材料的性能不僅取決于原材料本身，還與孔洞的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其重要的結(jié)構(gòu)表征參數(shù)包括孔徑、表觀密度、孔隙率、比表面積、孔的類型（開孔或閉孔）、孔的形狀等[1-3]。

國內(nèi)外研究人員在泡沫鋁力學模型建立方面做了大量工作，為泡沫鋁的工程應用打下了堅實基礎(chǔ)。康穎安[4]等通過試驗得到相對密度對泡沫鋁材料的力學性能有很大影響的結(jié)論;于英華[5]等根據(jù)開孔泡沫鋁的特點，利用ANSYS軟件對泡沫鋁壓縮行為進行了有限元研究，得出了泡沫鋁壓縮變形過程和泡沫鋁應力結(jié)構(gòu)參數(shù)及應變率的變化規(guī)律。

以閉孔泡沫鋁為基礎(chǔ)的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)是一種比強度、比剛度較高的復合結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)是由上、下鋁蒙皮和泡沫鋁基體組成。為便于泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)更好地工程應用，本文通過平面壓縮與平面剪切實驗探究閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的剪切強度與壓縮強度，并以此為基礎(chǔ)得到閉孔泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)的力學仿真模型構(gòu)建參數(shù)。

1.實驗方法

1.1 夾層結(jié)構(gòu)

泡沫鋁在作為承力結(jié)構(gòu)件時，一般會采用“三明治”結(jié)構(gòu)的夾層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。利用數(shù)銑、線切割等方式加工好鋁蒙皮和泡沫鋁基體，然后采用環(huán)氧樹脂等有機粘接劑將兩者進行粘接，在一定壓力和溫度下保持一定時間，待膠體固化達到最大的強度即可。本文中的泡沫鋁基體均為閉孔泡沫鋁。

三明治形式的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)量、高剛度的特點，當兩個表面與夾芯的粘接非常牢固時，夾芯成為結(jié)構(gòu)的一個整體部分，它的主要作用是傳遞橫向切力，使泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的承載能力得到了很大的提高。

1.2 試樣材料

平面壓縮試樣和平面剪切試樣的相關(guān)材料信息如表1所示。

1.3 試樣形式

a）平面壓縮試樣

樣件的設(shè)計參考了GB/T1453-2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗方法》，試樣的形狀為60mm×60mm×15mm的長方體。

b）平面剪切試樣

樣件的設(shè)計參考了GB/T1455-2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗方法》，試樣的形狀為200mm×60mm×15mm的長方體。

1.4實驗結(jié)果計算方法

2 實驗過程

2.1 平面壓縮實驗

將兩類試樣均別標注為1#～5#，實驗過程參考GB/T1453-2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗方法》。

2.2 平面剪切實驗

將兩類試樣均別標注為1#～5#，實驗過程參考GB/T1455-2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗方法》。

3.實驗結(jié)果

3.1平面壓縮實驗

試驗過程數(shù)據(jù)由力（N）和位移（mm）構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理后，獲得樣件平面壓縮的力-位移關(guān)系圖如圖2所示。

3.2平面剪切實驗

實驗過程中發(fā)現(xiàn)類型1的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)所有5件試樣在達到材料屈服強度前，其表面粘接的鋁蒙皮均發(fā)生脫粘;類型2的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)5件試樣中3件在達到材料屈服強度前，其表面粘接的鋁蒙皮也發(fā)生了脫粘，因此本實驗所得力（N）和位移（mm）曲線及數(shù)據(jù)不完整。

試驗過程數(shù)據(jù)由力（N）和位移（mm）構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理后，獲得樣件平面壓縮的力-位移關(guān)系圖如圖3所示。

3.3實驗結(jié)果

由以上實驗結(jié)果可知，主孔徑2.5mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的平面壓縮強度、彈性模量、剪切強度、剪切模量均優(yōu)于主孔徑8mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)。

以各強度值為依據(jù)，泡沫鋁夾芯加強結(jié)構(gòu)力學仿真模型構(gòu)建參數(shù)如表4所示。

由于8mm主孔徑的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)5件試樣在平面剪切實驗中有3件在達到材料屈服強度前，其表面粘接的鋁蒙皮也發(fā)生了脫粘，故無法得到其抗剪強度。但并不影響仿真，因為大多數(shù)情況下最惡劣節(jié)點的剪切強度也遠遠低于經(jīng)驗及文獻上給出的剪切強度。

4.結(jié)論

本文通過對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試驗的平面壓縮及平面剪切實驗，得到如下結(jié)論：

1）分別獲得了兩種不同孔徑尺寸閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的壓縮和剪切力學性能數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，主孔徑2.5mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的平面壓縮強度、彈性模量、剪切強度、剪切模量均優(yōu)于主孔徑8mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu);

2）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)獲得了兩種不同孔徑尺寸閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的力學仿真模型參數(shù)，為該結(jié)構(gòu)的應用提供了仿真依據(jù)。

參考文獻：

[1] 陳思杰，米國發(fā).泡沫鋁的制備工藝_組織性能及應用前景.熱加工工藝，2005（5）：54-57

[2] Andrews E，Sanders W，Gibson LJ.Compressive and tensile behavior of aluminum foams[ J].Materials Science and Engineering，1999，A270：113- 124.

[3] 程和法，黃笑梅，許玲.泡沫鋁的動態(tài)壓縮性能和吸能性研究[J].兵器材料科學與工程，2003，（26）：37- 39.

[4] 康穎安，張俊彥.開孔與閉孔泡沫鋁的壓縮力學行為[J].材料導報，2005，（19）：122-124.

[5] 于英華，楊志，梁冰.泡沫鋁壓縮力學行為的有限元仿真[J].計算機仿真，2010，（27）：317-320.

作者簡介：

李立（1987-），男，工程師，主要從事電子裝配制造工藝研究工作。

（作者單位：中國電子科技集團公司第二十九研究所）