空心球/鋁基復合泡沫材料制備及性能研究

范琦琪,姜風春,果春煥,王春鶴,于天淼,常云鵬,王振強,王建東,牛中毅

(哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 前 言

空心球/鋁基復合泡沫材料是一種將空心球與鋁基體結合形成的新型金屬復合泡沫材料(metal composite foams，MCFs)，這種空心球/鋁基復合泡沫材料在傳統金屬泡沫材料原有性能(高強度、高能量吸收能力)基礎上結合了鋁基復合材料的高韌性、疲勞耐久性等優點[1, 2]。與全致密型鋁基復合材料相比，金屬復合泡沫材料表現出低密度、高比剛度、高能量吸收能力、優異的機械及聲學阻尼性能等性能優點[3-5]。空心球周圍金屬基體的填充使得空心球球壁和材料整體結構的穩定性得到了提升，此外相同規格的金屬空心球使得金屬復合泡沫材料中的孔隙分布均勻，克服了材料非均勻變形問題[6-8]；而金屬空心球規格尺寸及數量的可調性保證了金屬復合泡沫結構與性能的可控性，通過設計相應的孔隙尺寸、孔隙率及不同的孔隙結構可實現金屬復合泡沫材料在不同領域的應用[9]。

金屬復合泡沫材料作為一種新型功能材料，在航空航天、交通運輸、國防等領域有著廣闊的應用前景，近年受到了各國學者的廣泛關注及研究。Rabiei等[10, 11]分別采用重力鑄造法、粉末冶金法將鋁(不銹鋼)基體與不銹鋼空心球結合，制備了不同基體的金屬復合泡沫材料，并對材料進行壓縮試驗。測試結果表明，兩種金屬復合泡沫材料在準靜態載荷作用下的應力-應變曲線展現了泡沫材料在壓縮條件下的典型彈性-塑性行為。金屬復合泡沫材料的壓縮應力-應變曲線主要經歷彈性、平臺應力(材料在相對恒定應力下經歷的均勻變形)、致密化3個階段。另一方面，金屬復合泡沫材料作為一種封閉式泡沫，由于孔隙間的相互獨立性，也可應用于隔音領域，但關于金屬復合泡沫材料隔聲性能的研究較少[12-14]。目前金屬復合泡沫材料中，鐵鋁復合泡沫材料大都采用鑄造法制備，且鋁基體大多采用純鋁基體，本研究采用粉末冶金技術，以316L不銹鋼空心球和7075鋁合金為原材料，制備空心球/鋁基復合泡沫材料，并對不同孔隙率的試樣進行壓縮試驗及隔聲測試。

2 材料與實驗方法

2.1 原材料與材料制備

本文采用的原材料為316L不銹鋼空心球及7075鋁合金粉，其中空心球外徑為2.8 mm、壁厚為0.24 mm。采用粉末冶金技術對原材料在真空環境下進行燒結，隨后進行T7熱處理，其主要制備過程如下：① 將清洗后的空心球與鋁合金粉末均勻混合后置于模具內；② 將模具置于真空熱壓燒結爐內進行分段加熱保溫，具體工藝如圖1所示；③ 對燒結后的材料進行T7處理，即固溶處理+穩定化處理，具體工藝如圖2所示。

圖1 空心球/鋁基復合泡沫材料熱壓燒結工藝Fig.1 The process curve of hot-pressed sintering for hollow spheres/aluminum matrix composite foams

圖2 復合泡沫材料熱處理工藝Fig.2 The process curve of heat treatment for composite foams

2.2 性能表征

利用Instron 5500R萬能試驗機對制備的空心球/鋁基復合泡沫材料進行壓縮性能測試，試樣尺寸為4 mm×4 mm×6 mm，測試應變率為0.1 s-1。同時采用阻抗管法進行材料的隔聲特性測試，測量隔聲損失頻率范圍為1600～6300 Hz，樣品直徑為30 mm。

文中孔隙率是指空心球內腔在復合材料中所占比例，測試方法為圖像分析法[15]，即利用低倍顯微照片測量、統計空心球內空腔的總截面積占整個被測試樣截面積的比值，從而計算出復合材料的孔隙率。

3 結果與分析

3.1 空心球/鋁基復合泡沫材料組織形貌

圖3a為熱處理后空心球/鋁基復合泡沫材料橫截面照片，空心球均勻分布于基體中，且其球形結構保持著較好的完整性。由于切割位置對應空心球位置不同，因此截面中對應空心球孔隙大小不同。圖3b為復合泡沫材料內空心球微觀形貌，可看出空心球與7075鋁合金基體間存在明顯的過渡層。圖中深灰色部分為鋁合金基體，亮白色部分為空心球球壁，兩者間淺灰色過渡區為空心球與基體間的過渡層，過渡層總厚度約為41.3 μm。過渡層均勻地分布在空心球外壁周圍，且連續性良好，無明顯缺陷。

圖3 空心球/鋁基復合泡沫材料組織形貌：(a)橫截面照片，(b)空心球SEM照片Fig.3 Morphology of composite foam：(a)section image，(b)SEM image of hollow sphere

3.2 空心球/鋁基復合泡沫材料壓縮性能

圖4為不同孔隙率空心球/鋁基復合泡沫材料的壓縮應力-應變曲線，可以看出復合泡沫材料壓縮應力-應變曲線均表現出3階段特征：線彈性階段、平臺應力階段、致密化階段。

此外，可以看出隨著孔隙率的逐漸增加，材料峰值應力、平臺應力呈先上升后下降的變化趨勢。在大多數情況下，金屬泡沫被用于能量吸收領域，單位體積的能量吸收能力(定義為應力-應變曲線下的面積)是評價金屬泡沫性能的一個重要參數，可以通過公式(1)計算：

(1)

其中W是吸收的能量，σ是應變ε處對應的應力。圖4中應力-應變曲線下所對應面積為材料變形過程中吸收的能量。不同孔隙率試樣應變為0.35時對應的能量吸收列于表1，可以看出其能量吸收能力的變化趨勢與峰值應力及平臺應力的變化趨勢相同。在復合泡沫材料中，空心球周圍填充的鋁合金基體起到承載載荷及支撐空心球的作用，適當含量的鋁合金基體可以提高材料整體結構穩定性、克服材料的非均勻變形問題[16]；而試樣中空心球與基體的結合連接主要依靠過渡層來實現，兩者間更好的結合可以對材料起到強化作用。隨著孔隙率的逐漸增加，空心球與基體間的過渡層厚度逐漸增加，因此在加載過程中材料的峰值應力逐漸增加。但隨著孔隙率的繼續增加，單位體積內的基體材料逐漸減少，基體材料對載荷的承載作用及對空心球的支撐作用逐漸減小，基體鋁合金不足以在壓縮過程中協調變形，因此復合泡沫材料在壓縮變形過程中均勻性變差，峰值應力開始減小。

表1 不同孔隙率復合泡沫材料的能量吸收能力

3.3 空心球/鋁基復合泡沫材料隔聲性能

圖5為熱處理后不同孔隙率復合泡沫材料的隔聲性能對比，隨著頻率逐漸增加，材料的聲傳遞損失總體呈上升趨勢。這是由于隨著頻率的增加，聲波波長逐漸減小，相對于介質層的尺寸減小，從而使得材料受到共振的影響逐漸減小，受到聲波激發的振動速度因此減小，隔聲量因此而增加。當材料孔隙率為0.30時，隨著頻率逐漸增加材料的傳遞損失波動較大，這主要是由于該孔隙率材料的隔聲結構在2000～6300 Hz的頻率范圍內產生共振，故曲線會出現相應低谷點。另一方面，隨著孔隙率的增加，材料的傳遞損失即隔聲性能呈下降趨勢，這是由于隨著孔隙率的增加，相同橫截面面積中，空心球所占面積增加，即空心球內空腔面積、過渡層面積增加。在聲波的傳遞過程中，孔洞及裂紋介質的存在相當于材料中透射系數為1的部分，而空心球內的空腔相當于孔洞介質的存在，空心球空腔是復合泡沫材料隔聲性能中的薄弱環節，對材料的隔聲性能有嚴重的消極影響，故隨著孔隙率的逐漸增加，復合泡沫材料的隔聲性能逐漸降低。此外，將制備的復合泡沫材料與現階段常見單層隔聲墻(石膏圓孔板墻)[17]的隔聲量進行對比，結果表明，孔隙率為0.30和0.39的復合泡沫材料在1000～4000 Hz區間隔聲量大于石膏圓孔板墻，即隔聲性能優于石膏圓孔板墻。

圖5 不同孔隙率復合泡沫材料頻率-傳遞損失曲線Fig.5 Frequency-transmission loss curves for composite foams with different porosity

空心球/鋁基復合泡沫材料的隔聲原理與單層介質在原則上是相同的，下面以單個空心球及周圍鋁合金基體為單元說明聲波在復合泡沫材料中的傳遞過程。如圖6所示，在隔聲測試中，聲波自左向右垂直入射復合泡沫材料，則在復合泡沫材料的截面中存在圖中所示的各列平面波。圖6a為空心球及合金基體前后介質層的隔聲，圖6b和圖6c分別為圖6a中黑色虛線框內Ⅰ區、Ⅱ區的隔聲示意圖。主要討論圖中聲波透過基體合金并穿過空心球球壁及空心球球內空腔的情況。聲波經過圖中單元結構時需依次透過8種界面，即：空氣到基體材料的界面、基體材料到過渡層的界面、過渡層到空心球球壁的界面、空心球球壁到球內空氣的界面、球內空氣到空心球球壁的界面、空心球球壁到過渡層的界面、過渡層到鋁合金基體的界面、基體材料到空氣的界面。在聲波的傳遞過程中：聲入射能量=反射能量+吸收能量+聲透射能量。在空心球/鋁基復合泡沫材料中孔隙以封閉的形式存在，孔隙間不相互連接，大部分入射聲波將被反射，并且只有一部分聲波被微孔或裂縫吸收和透射，因此聲波穿過材料后聲透射能量較低[18]。另一方面，由于材料復雜的隔聲結構內包含多種多個介質層，各個介質層界面兩側介質特征阻抗的突然變化，使聲波在界面處發生反射，聲波在介質間的多次反射使聲波強度逐漸衰減，聲波透射能量開始逐漸降低，因此在聲波傳遞過程中材料隔聲量逐漸增加。相對于具有相同孔隙率的閉孔泡沫材料，空心球/鋁基復合泡沫材料隔聲性能也相對較好。

圖6 聲波穿透空心球/鋁基復合泡沫材料示意圖：(a)空心球及周圍基體介質的隔聲，(b)Ⅰ區介質的隔聲，(c)Ⅱ區介質的隔聲Fig.6 Schematic diagram of sound wave penetrating composite foams: (a) sound insulation of hollow spheres and surrounding matrix media，(b) sound insulation of Region Ⅰ，(c) sound insulation of Region Ⅱ

4 結 論

利用粉末冶金法制備了不同孔隙率的空心球/鋁基復合泡沫材料，并對其進行T7熱處理，研究了不同孔隙率金屬復合泡沫材料的壓縮性能和隔聲性能，得到如下結論：

(1)通過真空熱壓燒結技術成功制備了空心球/鋁基復合泡沫材料，空心球均勻分布于基體中且保持較好的球形結構；空心球與基體間形成明顯的過渡層，過渡層均勻分布于空心球周圍；材料無明顯缺陷。

(2)空心球/鋁基復合泡沫材料壓縮應力-應變曲線可分為3階段：線彈性階段、應力平臺階段、致密化階段。隨著空心球/鋁基復合泡沫材料孔隙率的逐漸增加，材料峰值應力、平臺應力、能量吸收能力總體呈先上升后下降的變化趨勢，空心球/鋁基復合泡沫材料的變形與基體的塑性、強度，空心球的強度及空心球與基體間的結合都有著緊密聯系。

(3)空心球內空腔相當于透射系數為1的介質，由于空腔對材料隔聲性能的消極影響，隨著孔隙率的逐漸增加，材料在同一頻率下的隔聲量逐漸下降，即材料的隔聲性能逐漸降低。