閉孔泡沫鋁夾層結構強度性能研究

李立 劉洋志 王天石

摘要：閉孔泡沫鋁具有輕質結構和抗沖擊吸能的特點，以此材料為基礎的閉孔泡沫鋁夾層結構是一種比強度、比剛度較高的復合結構。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構的壓縮強度與剪切強度，根據實驗結果得出閉孔泡沫鋁夾層結構的力學仿真模型構建參數。

關鍵詞：閉孔泡沫鋁夾層結構;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氣泡的多孔質材料，具有密度小、吸收沖擊能力強、消聲性能好等優點，其在環境保護、國防科技等領域有了成功的應用。泡沫鋁金屬材料的性能不僅取決于原材料本身，還與孔洞的結構密切相關，其重要的結構表征參數包括孔徑、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。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論;于英華[5]等根據開孔泡沫鋁的特點，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構參數及應變率的變化規律。

以閉孔泡沫鋁為基礎的泡沫鋁夾層結構是一種比強度、比剛度較高的復合結構，其典型結構是由上、下鋁蒙皮和泡沫鋁基體組成。為便于泡沫鋁夾層結構更好地工程應用，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構的剪切強度與壓縮強度，并以此為基礎得到閉孔泡沫鋁夾心結構的力學仿真模型構建參數。

1.實驗方法

1.1 夾層結構

泡沫鋁在作為承力結構件時，一般會采用“三明治”結構的夾層結構，如圖1所示。利用數銑、線切割等方式加工好鋁蒙皮和泡沫鋁基體，然后采用環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構具有輕質量、高剛度的特點，當兩個表面與夾芯的粘接非常牢固時，夾芯成為結構的一個整體部分，它的主要作用是傳遞橫向切力，使泡沫鋁夾層結構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

樣件的設計參考了GB/T1453-2005《夾層結構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

樣件的設計參考了GB/T1455-2005《夾層結構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《夾層結構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《夾層結構或芯子剪切性能試驗方法》。

3.實驗結果

3.1平面壓縮實驗

試驗過程數據由力（N）和位移（mm）構成，數據處理后，獲得樣件平面壓縮的力-位移關系圖如圖2所示。

3.2平面剪切實驗

實驗過程中發現類型1的泡沫鋁夾層結構所有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生脫粘;類型2的泡沫鋁夾層結構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生了脫粘，因此本實驗所得力（N）和位移（mm）曲線及數據不完整。

試驗過程數據由力（N）和位移（mm）構成，數據處理后，獲得樣件平面壓縮的力-位移關系圖如圖3所示。

3.3實驗結果

由以上實驗結果可知，主孔徑2.5mm的泡沫鋁夾層結構的平面壓縮強度、彈性模量、剪切強度、剪切模量均優于主孔徑8mm的泡沫鋁夾層結構。

以各強度值為依據，泡沫鋁夾芯加強結構力學仿真模型構建參數如表4所示。

由于8mm主孔徑的泡沫鋁夾層結構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，因為大多數情況下最惡劣節點的剪切強度也遠遠低于經驗及文獻上給出的剪切強度。

4.結論

本文通過對泡沫鋁夾層結構試驗的平面壓縮及平面剪切實驗，得到如下結論：

1）分別獲得了兩種不同孔徑尺寸閉孔泡沫鋁夾層結構的壓縮和剪切力學性能數據，結果表明，主孔徑2.5mm的泡沫鋁夾層結構的平面壓縮強度、彈性模量、剪切強度、剪切模量均優于主孔徑8mm的泡沫鋁夾層結構;

2）根據實驗數據獲得了兩種不同孔徑尺寸閉孔泡沫鋁夾層結構的力學仿真模型參數，為該結構的應用提供了仿真依據。

參考文獻：

[1] 陳思杰，米國發.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）