碳纤维复合泡沫铝冲击响应的各向异性及变形机理

泡沫金属对高速冲击载荷的缓冲和有效的能量吸收特性使其在减震、碰撞过程中具有潜在的应用价值。本项目从闭孔泡沫铝金属的制备优化、精细表征和性能测试入手，结合材料学与力学研究手段，较为系统地研究了闭孔泡沫金属的宏观力学行为，并通过细观-微观表征揭示了闭孔泡沫金属的变形机理。首先，优化了熔体发泡法制备碳纤维复合铝基闭孔泡沫的制备工艺，改善了碳纤维在基体中的分布和泡孔的均匀性。对碳纤维复合闭孔泡沫铝的准静态压缩、高速压缩和冲击韧性进行了测试。详细表征了碳纤维复合泡沫铝材料压缩稳定性和能量吸收能力。证明了碳纤维复合闭孔泡沫铝材料具有明显的应变率效应，且基体材料的率敏感性是导致闭孔泡沫铝应变率效应的主要因素，其它如微惯量和气体压缩与气体粘滞流动均可忽略。提出了在高应变率条件下，闭孔泡沫铝以两种模式变形，剪切变形和端部局域化变形。明确了高应变率压缩能量耗散的主要机制：孔壁材料破碎产生大量新表面及碳纤维的拔出和断裂。对碳纤维复合闭孔泡沫铝材料的冲击韧性进行了测试并获得了冲击历程曲线。结果表明，密度仍然是首要影响因素，随着密度的增加平均峰值载荷、最大能量吸收、冲击韧性都增加，但对于中等密度泡沫材料，裂纹传播路径是影响冲击韧性的另一重要因素。由于裂纹传播的不确定性导致中等密度泡沫冲击韧性值具有较大的波动性。这可能与泡孔的尺寸、分布有很大关系，该方面的研究有待进一步深入。

本项目围绕碳纤维复合闭孔泡沫铝承受冲击载荷时的力学响应及变形机理，融合材料学和力学研究方法，以建立结构-性能关系为主线。利用分离式Hopkinson压杆对碳纤维复合铝泡沫进行动态压缩测试，着重研究孔形各向异性、气体效应、碳纤维含量对纤维复合铝泡沫动力学特性的影响，建立碳纤维复合铝泡沫率相关本构关系。通过过程冻结技术在细观孔/膜水平探讨碳纤维复合铝泡沫动态响应各阶段的变形模式和失效机理，从而揭示碳纤维复合铝泡沫在承受冲击载荷作用时的能量耗散机制。分析冲击载荷条件下孔取向和碳纤维对孔壁材料微结构演化的影响，探讨冲击诱发熔融相变区的演化过程及其影响因素，阐明不同应变率条件下孔壁材料的热塑失稳机制。在上述基础上，揭示碳纤维复合闭孔泡沫铝宏观动力学响应与细微观结构间的关系，为指导泡沫铝制备过程中细微观结构的控制和评价其耐撞性提供理论依据。

通过系统的细宏观实验研究，了解泡沫铝材料及其夹芯板复合结构的循环变形行为特征，观察泡沫铝材料在循环变形过程中的孔洞微结构演化情况，揭示泡沫铝金属循环变形行为的规律和循环变形的细观机理；通过细观有限元分析，研究微结构参数对泡沫铝宏观力学响应的影响；基于细观机理，在唯象粘塑性本构框架下，提出新的泡沫铝循环本构关系；结合泡沫铝循环本构关系和面板材料循环本构关系，利用有限元软件对泡沫铝夹芯板的循环变形行为进行数值模拟和分析。该研究针对泡沫金属及其复合结构的力学问题这一固体力学研究的热点和难点问题，研究成果将是对泡沫金属这一细观非均匀材料本构关系的重要突破，具有重要的理论意义；同时，研究成果可用于循环加载条件下泡沫铝结构的设计以及安全性和寿命评估中，对于促进泡沫铝在轻质化结构中的工程应用，具有重要的应用价值。

实现泡沫铝的轻质高性能化是具有科学内涵的研究课题。本项目以金属-陶瓷复合化为主要科研思路，采用微弧氧化法在通孔泡沫铝表面原位生成陶瓷层，形成外强内韧的新型陶瓷增强泡沫铝。研究陶瓷层的成分、组织、结构的影响因素及演变规律，阐明陶瓷层在泡沫铝外表面及内表面的原位生长特性及陶瓷层的生长动力学，探讨通孔泡沫铝的结构特征（孔隙率和孔径）对微弧氧化陶瓷层原位生长行为的影响及机理。研究陶瓷增强泡沫铝在压缩载荷下的压缩性能及能量吸收特性，探讨陶瓷增强泡沫铝的宏观失效机理及微观失效机理，揭示其能量吸收特性影响规律，阐明陶瓷层对泡沫铝的力学作用机理。本项目的开展可揭示陶瓷增强泡沫铝的形成、组织结构与压缩特性间的内在规律，为泡沫铝的设计和应用提供科学理论依据。

针对金属泡沫循环变形行为实验研究和本构描述方面的不足，通过系统的实验研究，了解材循环过程中的变形行为特征和演化规律，并讨论加载应力、孔隙率和孔洞结构的影响，揭示其循环变形变形的内在机理；基于实验揭示的规律，在多机制本构模型的框架下，将塑形变形分为基体材料变形和孔洞结构变形两部分，引入相对密度来反映位孔洞结构对变形行为的影响，建立一个基于变形机理的循环本构模型；基于周期性边界条件，对泡沫铝压缩行为进行有限元模拟，讨论了孔隙率、孔的形状、孔的分布对泡沫铝力学性能的影响。还对泡沫铝夹芯板的三点弯行为进行了有限元模拟，对泡沫铝拉压弹性模量差异对夹芯板变形行为的影响和粘合夹芯板在三点弯加载下的脱粘破坏行为进行了模拟和讨论。研究成果将完善泡沫金属材料的力学性能研究，对于促进泡沫金属结构件的设计和应用具有重要意义。