閉孔泡沫鋁夾芯板交通運輸抗沖擊性能研究（6）

泡沫材料夾心結構的研究現(xiàn)狀

泡沫材料是包含大量孔洞的多功能材料,孔隙率一般為40%~90%泡沫鋁具有密度小、吸能緩沖能力強、消聲性能好等特點，但在實際應用中相對致密板材而言，泡沫材料的模量較低，表面粗糙，不能單獨作為結構材料使用，因而其應用受到了限制。將泡沫材料和其他板材結合起來組成復合材料使用，即以泡沫材料作為芯體的夾層板，夾芯板結構就是由金屬面板與泡沫芯體構成的所謂的三明治結構，該結構的特點是輕質、高比剛度，并具有良好的減振、吸能性能，在充分發(fā)揮泡沫鋁材料自身特點的同時解決了其強度低的問題，從而發(fā)揮泡沫材料的優(yōu)點，因其具有的優(yōu)勢，越來越受到研究者的重視，在汽車、航天、航空、海洋等領域有廣泛的應用前景。

目前對以泡沫鋁為內(nèi)襯材料的夾芯板的研究主要集中在靜態(tài)、動態(tài)力學性能以及應變率對各力學性能及吸能效率的影響和微觀機理探討等方面。泡沫鋁夾心結構主要有夾層矩形梁、圓柱體、正方柱體。夾心結構的力學行為主要取決于表層和芯體材料的性能和幾何因素。在泡沫材料的結構中，目前研究最多的是泡沫鋁夾心梁。Harte和Fleck等通過四點彎曲實驗研究了相對密度為0.11的泡沫鋁合金夾芯梁的失效模式，并給出了基于夾芯板的幾何尺寸的失效模式圖。他們發(fā)現(xiàn)主要有三種破壞模式：表面屈服、芯層剪切和加載頭的壓入破壞。

泡沫材料夾心板和夾心柱體的吸能研究相對較少。泡沫材料作為金屬管的內(nèi)填充物，對吸能性能的影響首先集中在對泡沫的研究上。研究者們發(fā)現(xiàn)泡沫填充比單純的增加管壁的厚度更能提高結構的能量吸收能力。Wierzbicki等首先研究了六邊形胞元的蜂窩結構的高聚物泡沫填充圓柱的坍塌行為。Reddy和Hall還發(fā)現(xiàn)在薄壁圓筒中填充高聚物泡沫能有效抑制不規(guī)則的屈服而促進更對稱的、穩(wěn)定的屈服發(fā)展。隨著泡沫金屬材料的發(fā)展，在很多領域，泡沫金屬材料正逐漸替代原有的高分子泡沫材料。Prakash O 等很多學者對金屬泡沫材料的彈性模量、壓縮強度等力學性能也進行了測定。J.L.Yu等人對泡沫鋁夾芯板的動態(tài)加載的變形和失效機理進行了研究，未發(fā)現(xiàn)應變率敏感性。G.Reyes Villanueva等人對以纖維-鋁板多層薄板為面板、以泡沫鋁為夾心的復合材料進行了高速沖擊響應實驗研究指出高速沖擊下該體系有很好的能量吸收特性。Uday K. Vaidya等人研究了多種高聚物-泡沫鋁夾層板的沖擊響應，得出泡沫鋁復合板的抗擊低速和中速沖擊的性能是最佳的。美國正在研究一種新穎的復合裝甲，其中最重要的優(yōu)化就是采用閉孔泡沫鋁層來替代陶瓷層和復合背板之間的橡皮層，從而既提高了抗沖擊破壞能力又加強了復合裝甲的整體剛度。正是因為泡沫鋁夾芯板的特殊性能,近幾年來，對泡沫鋁芯體夾層材料的研究成為國內(nèi)外熱點。其中，國外對泡沫鋁芯體夾層結構性能進行了比較系統(tǒng)研究。同時對于殼板為鋼板、鋁板、玻璃纖維,芯體為泡沫鋁或PVC的多層板材的抗彎曲和剪切性能都進行過研究。國內(nèi)部分學者對泡沫鋁填充圓筒的力學性能進行了研究，但對于泡沫金屬夾層板抗沖擊力學性能的研究還不多見。

泡沫材料夾心結構在工業(yè)生產(chǎn)領域里也有廣泛的應用前景。泡沫材料夾芯結構件是未來汽車防護裝置的主要用材。汽車的輕質剛性結構采用泡沫材料與三明治式復合泡沫鋁材制造蓋板、卡車蓋與滑動項板等可減輕重量與提高剛度。德國卡曼汽車公司與夫雷霍弗研究所合作用的三明治式復合泡沫鋁材制造的吉雅輕便轎車頂蓋板，其剛度比原來的構件的大7倍左右，而其質量卻比原來的構件的小25%。此外，還有更高的吸收沖擊能與聲能的效果。以AFS (Aluminum Foam Sandwich)制造的汽車的某些零件質量只有原構件質量的1/2,而其剛度卻為原構件的10倍。保溫絕熱性能比鋁的好1倍，對頻率大于800Hz的噪聲有很強的消聲能力,還是一種熱穩(wěn)定的不可燃性的材料，也是一種抗破壞耐用材料,并可以完全回收。根據(jù)卡曼的經(jīng)驗，采用AFS構件，汽車構件的剛度得到加強。如罩與橫壁板也是AFS元件，可使構架穩(wěn)定性上升30%。據(jù)測算,約有20%的汽車車身結構件可用AFS材料制造，一輛中型的轎車用APS材料制造的零件可減重27.2kg左右，節(jié)油率大大提高；另外，還可相應地降低環(huán)境污染。采用AFS材料制造汽車零部件，結構系統(tǒng)得到簡化，安全性能得到顯著提高。加拿大鋁業(yè)公司制造的泡沫鋁正在原型汽車中作評估試驗。由歐洲一些大的汽車公司如大眾汽車公司、寶馬汽車公司、歐寶汽車公司、菲亞特汽車公司、雷諾汽車公司、戴姆勒-奔馳汽車公司與研究單位、大專院校制定的BE (Brite Euram program)計劃正對一系列的吸能減震材料諸如泡沫鋁、泡沫塑料、泡沫礦物材料、鋁蜂窩結構、塑料紙以及塑料紙管型蜂窩等進行對比評價試驗，用它們制造側面與前部防撞零部件、軸架等。試驗主要內(nèi)容為比較它們的變形與材料厚度的關系，以及吸收的總能量。

目前國內(nèi)來看對泡沫材料夾心結構的研究尚屬于起步階段，對于泡沫材料的制備技術，力學性能研究還很不成熟，僅僅局限在高校果做一些研究,工程應用背景又很單薄，再加上國外把該領域里的尖端技術列入了保密內(nèi)容里，所以國內(nèi)在這方面的研究很艱難，研究成果也不顯著，還有待于不斷探索。

綜上所述，在國內(nèi)外，尤其是國外，隨著人們對多孔泡沫材料應用領域認識的不斷深入，人們已對泡沫材料夾芯結構件的吸能性能的研究產(chǎn)生了越.來越濃厚的興趣。尤其是發(fā)達國家都在努力的搶占該研究領域的制高點，從而較迅速的推動了該領域的研究。但從目前的研究現(xiàn)狀來看，還存在一些問題。例如在夾心結構中的泡沫材料與致密材料的選擇、應變率效應上的分歧、結構的優(yōu)化，應用范圍等，都得需要我們更-步的研究。