閉孔泡沫鋁夾芯板交通運(yùn)輸抗沖擊性能研究（6）

泡沫材料夾心結(jié)構(gòu)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(qiáng)、消聲性能好等特點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中相對(duì)致密板材而言，泡沫材料的模量較低，表面粗糙，不能單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用，因而其應(yīng)用受到了限制。將泡沫材料和其他板材結(jié)合起來(lái)組成復(fù)合材料使用，即以泡沫材料作為芯體的夾層板，夾芯板結(jié)構(gòu)就是由金屬面板與泡沫芯體構(gòu)成的所謂的三明治結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是輕質(zhì)、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(diǎn)的同時(shí)解決了其強(qiáng)度低的問(wèn)題，從而發(fā)揮泡沫材料的優(yōu)點(diǎn)，因其具有的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到研究者的重視，在汽車(chē)、航天、航空、海洋等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

目前對(duì)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(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及應(yīng)變率對(duì)各力學(xué)性能及吸能效率的影響和微觀機(jī)理探討等方面。泡沫鋁夾心結(jié)構(gòu)主要有夾層矩形梁、圓柱體、正方柱體。夾心結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(jié)構(gòu)中，目前研究最多的是泡沫鋁夾心梁。Harte和Fleck等通過(guò)四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究了相對(duì)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(duì)較少。泡沫材料作為金屬管的內(nèi)填充物，對(duì)吸能性能的影響首先集中在對(duì)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(jié)構(gòu)的能量吸收能力。Wierzbicki等首先研究了六邊形胞元的蜂窩結(jié)構(gòu)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(jìn)更對(duì)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(lǐng)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(xué)者對(duì)金屬泡沫材料的彈性模量、壓縮強(qiáng)度等力學(xué)性能也進(jìn)行了測(cè)定。J.L.Yu等人對(duì)泡沫鋁夾芯板的動(dòng)態(tài)加載的變形和失效機(jī)理進(jìn)行了研究，未發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率敏感性。G.Reyes Villanueva等人對(duì)以纖維-鋁板多層薄板為面板、以泡沫鋁為夾心的復(fù)合材料進(jìn)行了高速?zèng)_擊響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究指出高速?zèng)_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(yīng)，得出泡沫鋁復(fù)合板的抗擊低速和中速?zèng)_擊的性能是最佳的。美國(guó)正在研究一種新穎的復(fù)合裝甲，其中最重要的優(yōu)化就是采用閉孔泡沫鋁層來(lái)替代陶瓷層和復(fù)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(qiáng)了復(fù)合裝甲的整體剛度。正是因?yàn)榕菽X夾芯板的特殊性能,近幾年來(lái)，對(duì)泡沫鋁芯體夾層材料的研究成為國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)。其中，國(guó)外對(duì)泡沫鋁芯體夾層結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了比較系統(tǒng)研究。同時(shí)對(duì)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(jìn)行過(guò)研究。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)泡沫鋁填充圓筒的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但對(duì)于泡沫金屬夾層板抗沖擊力學(xué)性能的研究還不多見(jiàn)。

泡沫材料夾心結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域里也有廣泛的應(yīng)用前景。泡沫材料夾芯結(jié)構(gòu)件是未來(lái)汽車(chē)防護(hù)裝置的主要用材。汽車(chē)的輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)采用泡沫材料與三明治式復(fù)合泡沫鋁材制造蓋板、卡車(chē)蓋與滑動(dòng)項(xiàng)板等可減輕重量與提高剛度。德國(guó)卡曼汽車(chē)公司與夫雷霍弗研究所合作用的三明治式復(fù)合泡沫鋁材制造的吉雅輕便轎車(chē)頂蓋板，其剛度比原來(lái)的構(gòu)件的大7倍左右，而其質(zhì)量卻比原來(lái)的構(gòu)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(chē)的某些零件質(zhì)量只有原構(gòu)件質(zhì)量的1/2,而其剛度卻為原構(gòu)件的10倍。保溫絕熱性能比鋁的好1倍，對(duì)頻率大于800Hz的噪聲有很強(qiáng)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(yàn)，采用AFS構(gòu)件，汽車(chē)構(gòu)件的剛度得到加強(qiáng)。如罩與橫壁板也是AFS元件，可使構(gòu)架穩(wěn)定性上升30%。據(jù)測(cè)算,約有20%的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)件可用AFS材料制造，一輛中型的轎車(chē)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(yīng)地降低環(huán)境污染。采用AFS材料制造汽車(chē)零部件，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)得到簡(jiǎn)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(chē)中作評(píng)估試驗(yàn)。由歐洲一些大的汽車(chē)公司如大眾汽車(chē)公司、寶馬汽車(chē)公司、歐寶汽車(chē)公司、菲亞特汽車(chē)公司、雷諾汽車(chē)公司、戴姆勒-奔馳汽車(chē)公司與研究單位、大專院校制定的BE (Brite Euram program)計(jì)劃正對(duì)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(jié)構(gòu)、塑料紙以及塑料紙管型蜂窩等進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)試驗(yàn)，用它們制造側(cè)面與前部防撞零部件、軸架等。試驗(yàn)主要內(nèi)容為比較它們的變形與材料厚度的關(guān)系，以及吸收的總能量。

目前國(guó)內(nèi)來(lái)看對(duì)泡沫材料夾心結(jié)構(gòu)的研究尚屬于起步階段，對(duì)于泡沫材料的制備技術(shù)，力學(xué)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(yīng)用背景又很單薄，再加上國(guó)外把該領(lǐng)域里的尖端技術(shù)列入了保密內(nèi)容里，所以國(guó)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(guó)內(nèi)外，尤其是國(guó)外，隨著人們對(duì)多孔泡沫材料應(yīng)用領(lǐng)域認(rèn)識(shí)的不斷深入，人們已對(duì)泡沫材料夾芯結(jié)構(gòu)件的吸能性能的研究產(chǎn)生了越.來(lái)越濃厚的興趣。尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家都在努力的搶占該研究領(lǐng)域的制高點(diǎn)，從而較迅速的推動(dòng)了該領(lǐng)域的研究。但從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，還存在一些問(wèn)題。例如在夾心結(jié)構(gòu)中的泡沫材料與致密材料的選擇、應(yīng)變率效應(yīng)上的分歧、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，應(yīng)用范圍等，都得需要我們更-步的研究。