空心球/Al多孔材料阻尼与冲击吸能行为及其机理研究

摘要

本文设计制备了体积分数约为70％的粉煤灰空心球/Al多孔材料，利用金相显微镜、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子拉伸机、内耗仪和Hopkinson压杆等手段较为系统地研究了多孔材料的微观结构、力学性能、阻尼性能和冲击吸能性能并探讨了微观结构与性能的相关性。
　　首先对空心球的性能进行了测试分析和计算。空心球的主要成分为SiO2和Al2O3，密度为0.6g/cm3～1.0g/cm3，孔率为60%～70%，弹性模量为10GPa～30GPa。
　　TEM观察表明，空心球/Al多孔材料的界面结合良好；纯铝基体与空心球不发生界面反应而含Mg的6061与其反应生成MgAl2O4。
　　空心球/1199Al(退火态)和空心球/6061Al(T6态)多孔材料(80μm空心球，Vf=70%)的三点弯曲强度为70MPa左右，抗拉强度为30MPa～36MPa，弹性模量为22GPa～27GPa。孔含量和空心球的相对球壳厚度(t/R)对力学性能有较大影响，而基体的强塑性对多孔材料力学性能的贡献不明显。多孔材料呈脆性断裂特征。
　　以1199Al及6061Al合金为基体，利用扭摆法和弯曲共振法分别研究空心球/Al多孔材料在变温条件(室温～520℃)下的低频(f=1Hz)内耗和室温下的声频内耗(f=1kHz～2kHz)特性。结果表明，孔含量对空心球/Al多孔材料的低频内耗基本无影响，而对声频内耗的影响很大。空心球内的气体在外加交变载荷作用下振动，产生热阻尼(Q-1th)，并且Q-1th随频率的增加而增大。当频率在1Hz～10Hz范围内时，Q-1th在10-5～10-4量级，对材料的低频内耗(10-3量级)基本无影响；当频率较高(～kHz)时，Q-1th为(10-3～10-2)量级，对材料声频内耗(10-2量级)的贡献较大，可达声频内耗的50%左右。
　　空心球与铝的界面对多孔材料阻尼性能的影响表现为：当温度较低时(室温～100℃)，界面结合强度较高，界面处不会发生相对滑移，故不贡献阻尼。当温度高于100℃左右时，铝基体发生“软化”，在外力作用下，空心球与铝的界面处发生原子尺度的相对滑移，使多孔材料的界面阻尼增加并在阻尼机制中占主导地位；当温度高于300℃左右时，以1199Al为基体的多孔材料中空心球与铝界面结合较弱的区域出现“脱粘”，引起阻尼值随机跳动，这在界面结合强度较高的6061Al基多孔材料中不出现。
　　以6061Al(T6)和1199Al(退火)为基体的对比研究表明：铝合金基体中的析出相(体积分数约为0.6%)钉扎位错，减小了位错段的有效长度，使材料的位错阻尼下降。低频下，当温度较低时(室温～100℃)，位错阻尼占主导，因而析出相使低频内耗降低的幅度较大，约为30%；当频率为1kHz～2kHz时，多孔材料的阻尼机理以热阻尼为主(占声频内耗的30%～50%)，析出相使声频内耗降低的幅度稍小，约为15%。
　　准静态压缩条件下，空心球/Al多孔材料的屈服强度和吸能能力与基体合金强度成正比，1199Al和7075Al基多孔材料的吸能能力分别为17MJ/m3和24MJ/m3。相同基体条件下，空心球直径减小，多孔材料的屈服强度和吸能能力增加。结合颗粒增强金属基复合材料强度的“混合法则”和泡沫铝强度的预测公式建立了空心球/Al多孔材料的压缩屈服强度(σy)与基体压缩屈服强度(σ0)、空心球的体积分数(f)、空心球壳体材料的抗压强度(σwall)、空心球相对球壳厚度(t/R)之间的关系：σy=σ0C(1-f)3/2+σwallC[1-(1-t/R)3]3/2f，式中，C为经验常数，取值为0.3。
　　动态压缩条件下，空心球/Al多孔材料的应变率敏感性取决于铝基体的应变率敏感性。1199Al具有较大的应变率敏感性系数(Σ)，为0.04左右，随应变率的增大，以1199Al为基体的多孔材料的屈服强度和吸能能力增加，与准静态压缩条件相比，吸能能力提高了约50%～70%，达到30MJ/m3～40MJ/m3。采用本文提出的“三参数数据拟合公式(three-parameter data-fitting equation)”可以较准确地预测空心球/1199Al多孔材料的动态压缩屈服强度，预测值与实测值的相对误差小于5%。利用ANSYS/LS-DYNA软件对多孔材料在动态压缩变形过程中的应力、变分布进行了模拟计算和分析，表明在变形的初始阶段，多孔材料中空心球赤道部位的压应力和压应变最大，并沿赤道部位首先破碎；随着冲击时间的延长，空心球的破碎程度增加并逐渐变得扁平，与实际试验结果呈现出很好的一致性。