高溫處理后閉孔泡沫鋁壓縮性能及變形機理

賈寧濤，張虎，宮偉鵬，萬利，沈佳佳，林贊權，雷明鋒，龔琛杰

（1.山東高速高新材料科技有限公司，濟南 250013；2.中南大學土木工程學院，長沙 410075；3.山東省交通規劃設計院集團有限公司，濟南 250031）

隧道是高等級公路的關鍵組成部分，由于隧道半封閉式的結構特點，對交通噪聲有強烈的匯聚作用，使得車輛行駛通過隧道時噪聲強度極大，噪聲污染嚴重，對司機及隧道檢查走行區域工作人員產生不利影響，因此，對高速公路長大隧道的交通噪聲控制，已成為業界日益關注的問題。

泡沫鋁是近年來發展迅速的一種新型結構功能化一體材料，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用于工程領域[1-5]。現有的研究表明，泡沫鋁應用于聲學領域時可以有效降低環境中的噪音[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用于隧道的噪聲控制領域，且兼具混凝土的隔熱防護功能。當泡沫鋁材料作為降噪防火板安裝于隧道中時，會受到壓縮荷載及溫度等影響，因此，探究溫度對閉孔泡沫鋁材料壓縮力學性能的影響，對其變形機理進行深入研究具有重要意義。

自20 世紀中葉開始，國內外學者對泡沫鋁材料進行了大量的實驗研究，主要包括泡沫鋁材料的制備[11-14]、力學性能及變形機理[15-17]等方面。針對泡沫鋁應用于常溫場景，黃蘇南等[18]對泡沫鋁開展Taylor-Hopkinson 沖擊實驗，得出泡沫鋁的應力-應變行為表現出明顯的沖擊速率敏感性。閆暢等[19]針對2 種基體（純鋁基體和7050 鋁合金基體）的泡沫鋁材料進行準靜態壓縮試驗，并對其變形機理進行分析，得出7050 基體泡沫鋁材料力學性能更加穩定。楊永順等[20]開展了準靜態壓縮實驗，探究不同孔隙率下的力學性能、吸能性能和壓縮變形機理。

當泡沫鋁材料應用于高溫場景時，關于常溫下得出的研究成果就不再適用。于是部分學者考慮溫度對其力學性能和變形機理的影響，并得出了結論。李雪艷等[21-23]利用Hopkinson 桿、SHPB 與MTS 實驗裝置設置了準靜態和動態壓縮實驗，研究了不同密度的閉孔泡沫鋁在不同溫度和應變率下的力學性能，并對其變形機理進行了詳細分析。張鵬飛等[24-25]研究了高溫處理后泡沫鋁材料的承載性能，分析了溫度對泡沫鋁材料力學參數的影響，但是總的來說，關于高孔隙率閉孔泡沫鋁在不同加熱溫度處理后的力學性能及變形機理的研究還相對較少。

文中通過對不同孔隙率的泡沫鋁試樣在不同溫度加熱后進行準靜態壓縮試驗，得到閉孔泡沫鋁試件的應力-應變曲線和力學參數，并與常溫工況進行對比，研究孔隙率和加熱溫度2 個方面對泡沫鋁力學性能的影響，結合不同應變下泡沫鋁試件形態及電鏡照片對泡沫鋁材料的變形破壞模式進行分析，為進一步探明高孔隙率閉孔泡沫鋁高溫后壓縮力學行為提供參考。

1 試驗方案

1.1 試件制作

試驗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 試件加熱與準靜態壓縮實驗

因為文中研究閉孔泡沫鋁材料應用于實際工程中遭受火災情況下性能的變化，所以對泡沫鋁試塊先進行加熱處理。高溫加熱儀器使用的是天津中環電爐公司生產的SX-B16103 箱式電爐。將泡沫鋁試件放入電爐進行加熱，加熱至設定最高溫度后保溫3 h，加熱結束后，自然冷卻至室溫，然后對試件進行壓縮試驗。為驗證泡沫鋁的極限溫度，此次試驗溫度分別設置了5 種溫度，分別為700（超過金屬鋁熔點）、500、300、100、25 ℃（不加熱）。爐體內升溫曲線見圖2，溫度誤差為±10 ℃。

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

準靜態壓縮實驗在WDW-50 微機控制電液伺服萬能試驗機上進行。試驗采用位移控制加載，試件在5 mm/min 的速度下進行壓縮試驗，通過傳感器和與之相連的計算機得到泡沫鋁材料的力-位移曲線，之后通過計算得到應力-應變曲線。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫后現象及分析

泡沫鋁試件在加熱后，其形態見圖3。從圖3 中可以看出，其加熱溫度為700 ℃時，試件外表面由亮白色變為暗灰色，泡沫鋁出現碳化；部分試件鋁基體融化從泡沫鋁結構缺陷處析出，試件出現嚴重變形。這是由于當加熱溫度高于鋁的熔點660.4 ℃時，泡沫鋁內部鋁基體逐漸開始熔化，鋁水從泡沫鋁結構缺陷流出，但隨著溫度降低泡沫鋁重新凝固，從而導致了試件出現部分塌陷和結構變化。

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

2.2 高溫后閉孔泡沫鋁壓縮力學性能

準靜態壓縮作用下閉孔泡沫鋁的應力-應變曲線見圖4，文中每種工況包含3 個試件，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力-應變曲線均明顯呈現出3 個階段：彈性階段、塑性平臺階段和密實階段。在應變小于0.05 的區間內，泡沫鋁基體發生彈性變形，壓縮曲線為彈性階段，泡沫鋁材料的應變較小，應力呈線性增加。隨著泡沫鋁基體變形增加，泡沫鋁孔洞結構發生破壞，孔洞產生裂紋并開始坍塌，壓縮曲線進入塑性平臺階段。閉孔泡沫鋁孔洞具有一定的尺寸，在壓縮過程中，泡沫鋁孔洞先產生彎曲屈服，孔壁結構不會立即接觸，而是緩慢變形直至孔洞空間被完全壓縮。在此階段（應變為0.05～0.5），隨著應變的增加，應力變化極小，處于一個較穩定的平臺階段，該階段體現了閉孔泡沫鋁材料具有很強的吸能特性。隨著泡沫鋁孔洞的不斷坍塌，直至孔洞完全壓實，泡沫鋁基體開始相互堆疊密實，壓縮曲線進入密實階段。在此階段，應力急劇上升，并隨著應變增加，應力-應變曲線切線斜率增加。

低孔隙率泡沫鋁的應力-應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 準靜態壓縮下的力學性能參數見表1，由3 組試件取均值所得。從表1 中的數據可以看出，隨著泡沫鋁孔隙率的減小，彈性模量、屈服強度和平臺應力均出現了上升趨勢，在25 ℃時，孔隙率從87.3%減小到84.3%時，彈性模量從97.0 MPa 增大到了141.4 MPa，屈服強度從3.86 MPa 增大到了4.25 MPa，平臺應力從3.81 MPa 增大到了4.75 MPa。在泡沫鋁經過100、300、500 ℃加熱后，其力學參數呈現出相同規律，孔隙率低的泡沫鋁材料的力學參數更好。這是因為隨著孔隙率的降低，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，整體上表現出更好的壓縮力學性能。根據前人試驗研究數據及結論證明，閉孔泡沫鋁材料的彈性模量、屈服強度和平臺應力會隨著孔隙率的增加而降低，在此次試驗中所得規律與前人得出的結論相符。

表1 泡沫鋁基本力學性能參數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、抗壓屈服強度、平臺應力值出現小幅度下降。孔隙率為84.3%的泡沫鋁，在25 ℃時，其彈性模量為141.4 MPa，屈服強度為4.25 MPa，平臺應力為4.75 MPa，當加熱溫度為500 ℃時，彈性模量減少到了128.0 MPa，屈服強度減小到了4.22 MPa，平臺應力減小到了4.51 MPa。根據已有數據可以得出，當加熱溫度小于500 ℃時，泡沫鋁材料的壓縮力學性能下降程度較小。加熱溫度為700 ℃時，閉孔泡沫鋁結構發生變化，泡沫鋁試件變形嚴重，不具備完成壓縮實驗的條件。

2.3 閉孔泡沫鋁壓縮應力-應變曲線的簡化模型

結合孔隙率為90.1%、91.4%、94.1%的試驗數據，對閉孔泡沫鋁的屈服強度σy、密實點應力σp（σp=1.3σpl）、極限應力σu（ε=0.75 時的應力）、彈性模量Es及平臺模量Ep（屈服點與密實點連線的斜率）進行統計回歸分析，確定其與孔隙率θ和加熱溫度之間的線性關系，見式（1）。

在此基礎上，參考李愛群等[8]提出的三折線模型，可將孔隙率為84%～94%閉孔泡沫鋁的應力-應變曲線簡化為3 個階段進行分析。

式中：ε為應變；σ為應力。

由式（1）可以預測出孔隙率在84%～94%內閉孔泡沫鋁材料的關鍵特征值，并參考式（2）—（4）得出不同應變下閉孔泡沫鋁的應力情況，可為實際應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險提供參考。

2.4 泡沫鋁材料的吸能特性

如圖4 所示，閉孔泡沫鋁的應力-應變曲線具有一段較長的平臺應力階段，此階段應變增加，應力維持平穩狀態，并且吸收大量能量，可見閉孔泡沫鋁材料具有優良的吸能特性。泡沫鋁吸能特性可以用單位應變量體積泡沫鋁吸收能量Wa和能量吸收效率Ea進行評價。單位應變量體積泡沫鋁吸收能量Wa計算式[26]見式（5）。

式中：ε為應變；σ為應力。

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（應變小于0.5），泡沫鋁吸收能量隨應變增加呈現線性增長，此階段對應于泡沫鋁的彈性階段和平臺應力階段，當應變大于0.5 時，能量吸收曲線切線斜率逐漸增大。這是因為，在塑性平臺階段泡沫鋁應力變化較小，等應變區間吸收的能量幾乎相同，當處于密實階段時，泡沫鋁基體相互堆疊，承載壓縮荷載能力增強，應力也更大，等應變區間吸收的能量更多。同時由圖5 可以看出，低孔隙率能量吸收曲線位于高孔隙率上方，達到同一應變時，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。隨著加熱溫度的升高，同一應變下，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 ℃

能量吸收效率計算公式為[27]：

式中：ε為應變；σε為對應的應力。

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變增加先升高后降低，當應變處于0.5 附近時，吸能效率達到最大值。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，并且在很長一段應變區間內具有更高的吸能效率。加熱溫度對閉孔泡沫鋁吸能效率的影響有相似的規律，隨著加熱溫度升高，吸能效率表現更好。

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 泡沫鋁坍塌變形機理分析

此次壓縮試驗中的一個泡沫鋁試件壓縮變形過程見圖9。對該試件泡沫鋁的變形機理進行分析。如圖9 所示，在泡沫鋁未產生變形時，泡沫鋁孔洞結構完整，無裂縫及孔壁變形。在應力-應變曲線彈性階段（應變小于0.05），泡沫鋁孔洞結構受力產生彈性彎曲變形，但孔洞結構仍能保持完整，結構不發生失效。隨著泡沫鋁變形的增加，應力超過泡沫鋁孔洞所能承受的屈服強度時，鋁基體和孔壁發生塑性變形?？锥唇Y構的破壞先從泡沫鋁鋁基體薄弱處和結構缺陷處開始，孔洞先產生裂縫，見圖10a，并隨著應力增加，裂縫延展到周圍孔洞并形成裂隙帶，見圖9c，這是因為閉孔泡沫鋁鋁基體薄弱處和結構缺陷處容易產生應力集中，且抵抗壓縮荷載能力較弱。隨著應變的進一步增加，泡沫鋁孔壁結構出現更多的裂縫，并形成新的裂縫帶，部分孔洞結構沿已有裂縫發生坍塌，形成塌落帶，見圖9d—e。當應力達到一定數值時，泡沫鋁孔洞大面積坍塌，見圖9f—g，并隨著位移量的進一步增加，孔洞結構完全破壞并被壓實，孔壁鋁基體開始相互堆疊、擠壓，見圖10b。同時由于孔隙完全消失，壓縮過程結束，從塑型平臺階段進入密實階段，應力隨之快速增加。

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出逐層坍塌的現象，直接受力側（圖9 為試件下部）孔洞先開始坍塌，逐漸向另一側發展?？锥吹钠茐氖紫葟慕Y構薄弱處和缺陷處產生，并向周圍孔洞結構輻射，同時標志著應力-應變曲線彈性階段的結束。這一現象直接證明了泡沫鋁材料的結構缺陷會直接降低其承載能力和能量吸收能力，原因在于結構缺陷會導致泡沫鋁屈服強度降低，泡沫鋁壓縮過程提前進入塑性平臺階段，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、結構缺陷越少，其壓縮力學性能越好，吸收能量的能力越強。由于泡沫鋁與試驗機壓頭、底座之間的接觸為硬接觸，所以接觸面附近的孔洞先發生破壞。

4 結語

文中通過對不同孔隙率的泡沫鋁試樣在不同溫度加熱后進行準靜態壓縮試驗，并對實驗過程和試驗結果進行分析，得出結論如下。

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力-應變曲線均經歷了3 個階段：彈性階段、塑性平臺階段和密實階段。閉孔泡沫鋁材料的彈性模量、屈服強度及平臺應力會隨著孔隙率的增加而降低。當加熱溫度小于500 ℃時，隨著加熱溫度的升高，泡沫鋁材料的壓縮力學性能下降程度較小。

2）對泡沫鋁的力學參數進行了回歸分析，建立了孔隙率與泡沫鋁力學參數的量化關系，可以為高孔隙率閉孔泡沫鋁的壓縮力學行為進行表征與描述。

3）閉孔泡沫鋁具有優良的吸能特性，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出逐層坍塌的現象（直接受力側孔洞先開始坍塌，逐漸向另一側發展），但是孔洞的破壞首先從結構薄弱處和缺陷處產生，并向周圍孔洞結構輻射。

泡沫鋁材料的應用要綜合考慮孔隙率和溫度環境等因素對其結構穩定性和力學可靠度的影響，目前國內外閉孔泡沫鋁材料實驗數據已相對豐富，可結合不同工況下泡沫鋁材料的力學參數進行設計。