闭孔泡沫铝的孔结构控制

为适应高技术应用中超轻闭孔泡沫铝对孔结构更高的控制要求,对过去十余年中进行的相关研究工作进行了系统整理,发现了胞体尺寸、孔隙率和孔形貌三者之间的内在关系,确定了孔结构控制的关键步骤和相互关系,建立了熔体发泡法影响孔结构控制的工艺技术框架,结合该框架系统论述了3个关键孔结构控制参数(胞体尺寸、孔隙率和孔形貌)与实际应用、制备技术、工艺过程的关系.研究表明,孔结构演变和制备技术工艺中黏度、发泡时间、凝固方式等诸多因素相互影响,互为因果,使得发泡和凝固过程变得十分复杂,给孔结构控制带来困难.要获得高孔隙率泡沫铝,对于纯铝泡沫,不仅需要根据熔体泡沫化时间与孔隙率的对应关系精确控制孔隙率,而且要在孔隙率-时间平台段适时凝固以控制孔径和均匀性,而对于泡沫铝合金,还需要采用多向凝固模式,克服凝固过程中固-液两相区的附加力场引发的收缩问题.对于新型球形孔泡沫铝合金,则需要进一步控制适量的发泡剂(1.0%)和发泡搅拌时间(100 s),使平台段降至低孔隙率阶段.面对高技术领域新的需求,提出的二次发泡法较其他技术在制备异型件方面具有更大的优势,并且其延伸发展技术在多功能大型面板开发上具有进一步发展的潜质.

铝熔体泡沫化过程体积变化与胞状组织的演变

采用实时测量铝熔体发泡过程中体积变化的方法 ,对不同发泡时期形成的泡沫铝样品孔的结构分布进行了分析 ,研究了铝熔体泡沫化过程中熔体体积变化的规律以及胞状组织演变 .

闭孔泡沫铝材料十四面体模型的改进

基于对闭孔泡沫铝发泡过程更为合理的假设,提出了描述胞体结构的改进的十四面体模型,使之可以反映密度增大时质量集中于支柱和顶点的情况。采用有限元方法及耦合边界条件,研究了闭孔泡沫铝的相对弹性模量、泊松比等弹性特征与胞体参数的关系,给出了拟合的弹性模量的计算公式,并对模型在弹性压缩变形下应力分布进行了分析。通过与已有模型的比较表明,改进模型可以较好地模拟闭孔泡沫铝材料的弹性性能。

泡孔结构对开孔泡沫铝压缩力学性能的影响

采用渗流工艺制备出不同孔径的均匀孔结构和混合孔结构的开孔泡沫铝,研究了孔结构(孔径大小及其比例分布)对开孔泡沫铝压缩力学性能的影响。结果表明:对于均匀孔径的开孔泡沫铝而言,在相对密度不变的条件下,孔径大小对其压缩性能几乎没有影响;而当泡沫铝的孔结构是由不同尺寸的孔相混合时,则大孔与小孔的相对体积比对其力学性能,特别是弹性模量具有较大影响,大、小孔径按适当比例混合可使开孔泡沫铝相对密度降低而刚度显著升高。

闭孔泡沫铝特征统计及其变形行为实验研究

以椭圆拟合长方体闭孔多边形泡沫铝表面孔截面,运用统计学的方法研究了泡沫铝试件表面孔的大小、形状和方位等分布特征.统计结果表明:上述孔的各项几何特征参数除方位外服从高斯分布.应用图像处理技术,获取了单轴压缩变形前后泡沫铝试件的表面图像.利用序列数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了静态单向压缩条件下闭孔泡沫铝材料表面全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义应力-应变曲线,给出了压缩过程中孔壁的失效顺序和破坏规律.对块体材料的压缩实验表明,泡沫纯铝是以多个断裂带的形式破坏和吸收能量.

开孔铝泡沫材料应力增强的研究

高孔隙率泡沫金属材料由于其具有较长的应力平台可以吸收较多的能量,在结构耐撞性设计中有重要的应用前景。通过实验研究和数值模拟发现:开孔铝泡沫材料在较高撞击速度作用下,会出现输出端的应力比加载端的应力增大,从而使被保护的物体受到更严重的伤害,此时开孔铝泡沫材料的变形尚未进入密实化阶段。这与人们采用多孔金属材料作为防撞性材料目的正好相反,必须给予重视。随着试件厚度的增加,出现这种应力增强的时间延迟。不同孔径、不同相对密度的开孔铝泡沫材料在不同撞击速度的作用下,应力时程曲线变化趋势基本相同,而且也会出现应力增强。研究结果可为防护装置可靠性评估和新型泡沫金属材料的设计提供依据。

二元孔结构对开孔泡沫铝力学性能的影响

采用有限元模拟了不同孔径比和体积比的二元孔径结构对开孔泡沫铝力学性能的影响,并取得了相应参数。用渗流法制备出相应孔参数的泡沫铝,并对其进行压缩试验加以验证。模拟和实验结果均表明,当泡沫铝的孔结构由大、小孔按一定的尺寸比和体积比组成时,泡沫铝的强度和刚度显著提高,孔径尺寸比和体积比分别为0.40～0.45和0.07～0.12是最优的。

CFRP−泡沫铝夹芯结构控制臂优化设计

为满足控制臂的轻量化设计需求,提出了一种采用碳纤维复合材料(CFRP)−泡沫铝夹芯结构的汽车悬架控制臂,并对CFRP面板进行结构优化设计.通过泡沫铝准静态压缩试验验证了泡沫铝六面体胞孔模型的准确性,利用CFRP力学性能试验获得了碳纤维复合材料的性能参数,设计一种由CFRP−泡沫铝夹芯结构本体和铝合金连接件组成的悬架控制臂,控制臂本体与连接件之间采用胶−螺混合连接.在此基础上,建立CFRP−泡沫铝夹芯结构控制臂有限元模型,利用多层次优化方法对CFRP面板进行铺层优化.结果表明,相较于钢制控制臂,优化后夹芯结构控制臂的质量减少了26%,同时强度、刚度和模态性能都有所改善.

内增韧颗粒对铝基泡沫材料孔结构和压缩变形行为的影响

泡沫金属的力学性能受其基体材料性质和泡孔结构共同影响,提升基体强度并优化泡孔结构是提升泡沫金属压缩强度的有效措施。本文使用熔体反应法原位生成的内增韧TiB2颗粒增强铝基复合材料制备铝基泡沫材料,并研究了亚微米级TiB_(2)内增韧颗粒对铝基泡沫材料细观泡孔结构和压缩变形模式的影响。使用微焦点X射线断层扫描(CT)对泡沫铝的孔结构进行了表征,结果表明内增韧TiB2颗粒使Al-Ca系铝基泡沫的密度和孔径同步增大,形成具有平直气泡壁的均匀泡孔结构。准静态压缩试验表明,使用含有5.0%和10.1%TiB_(2)颗粒的复合材料制备的铝基泡沫材料可较Al-Ca系泡沫金属的压缩强度提升40%以上。颗粒含量增加时,泡沫铝样品失效模式由弹塑性向弹脆性转变。将压缩强度试验数据与闭孔泡沫结构压缩强度的理论模型对比表明,采用内增韧颗粒增强铝基复合材料制备的泡沫材料压缩强度的提升来源于亚微米级颗粒对基体材料的弥散强化和细观孔结构优化的协同作用。

泡沫铝三明治结构粉末冶金法制备工艺及泡孔结构优化

粉末冶金法可实现泡沫铝三明治结构面板/芯层的冶金结合,并在制备近终型泡沫铝异型件上优势突出。本研究完善了粉末冶金法制备工艺,并优化了泡孔结构。研究表明,芯层采用AlMg4Si8铝合金粉末,钢质面板经边缘焊接密封处理后,当芯层粉末松装密度为1.12 g/cm^3时,在1500 kN轧制压力、0.06 m/s轧制速度及55%轧制压下率下,对灌满芯层粉末的包覆面板进行450℃热轧,获得了面板/芯层冶金结合、致密度高的发泡前驱体。另外,当发泡剂TiH2被低熔点Sn包覆预处理后,在发泡初期分解出的H2被液态Sn包裹,避免了在固态基体空隙间的扩散,减少了裂纹的产生,发泡前驱体在720℃发泡300 s后可获得泡孔结构相对均匀、72.7%孔隙率的泡沫铝三明治结构。