泡沫铝夹芯板的制备与力学性能研究

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泡沫铝夹芯板具有质轻、吸能能力强、隔声效果好等特点,并且克服了泡沫铝裸板强度较低、耐腐蚀差等缺点,是一种在汽车制造、航空航天、军事国防等领域具有广阔应用前景的新材料。泡沫铝夹芯板比强度高的特点符合我国汽车制造用材料高安全性及降低排放的的选材要求。目前,德国等国家已将泡沫铝夹芯板成功应用于汽车保险杠、顶盖板等结构的设计与制造,而国内在该领域的研究尚处于起步阶段。本文开展了新型泡沫铝夹芯板的制备工艺研究,以期获得板型质量好、泡孔均匀、力学性能优异的泡沫铝夹芯板材料。对制得的泡沫铝夹芯板进行了准静态三点弯曲和低速动态冲击实验,分析了泡沫铝夹芯板的变形过程和断裂方式,为汽车用泡沫铝夹芯板应用制品的结构设计及优化提供了参考。论文获得了以下有价值的结果:(1).泡沫铝夹芯板制备过程中,发泡工艺参数及氢化钛的预处理工艺对夹芯板的质量均有很大影响。本文通过大量实验总结出较为理想的工艺参数:发泡温度为710℃,发泡时间为120s-150s左右,冷却方式为风冷+水冷,氢化钛的预处理温度为500℃;(2).泡沫铝夹芯板芯层泡孔长大过程分为三个阶段:形核、长大和合并。发泡前期泡孔长大并不明显,泡孔会在1min左右开始集中长大,泡孔长大前期主要呈椭圆状,最终呈近圆形;(3).不含有中间层铝板的夹芯板的准静态三点弯曲变形分为三个阶段:线弹性阶段、平台应力阶段、压实阶段;含有中间层铝板的夹芯板三点弯曲变形分成五个阶段:线弹性阶段、第一平台应力阶段、第一压实阶段、第二平台应力阶段、第二压实阶段。在其他条件均相同时,含有中间层夹芯板的屈服强度要高于不带中间层的夹芯板,并且平台应力区的总长度也要长于前者,故含有中间层铝板的夹芯板的弯曲吸能性能更好;(4).两种结构的泡沫铝夹芯板的失效模式差别不大,均包括面板弯曲、芯层压实破坏、面板断裂、塑性铰开裂、芯层剪切等。夹芯板的弯曲性能和吸能性能随着芯层密度的增加而提高,含有中间层铝板的夹芯板的弯曲性能和吸能性能均优于不带中间层的夹芯板;(5).低速冲击条件下,两种泡沫铝夹芯板的变形过程均分为五个阶段:弹性压缩阶段、泡孔破坏阶段、平台应力阶段、压实阶段和完全失效阶段。两种夹芯板均具有吸能特性,含有中间层的夹芯板的吸能效果更好。泡沫铝夹芯板受冲击后的破坏形式可分为四种:芯层剪切、面板弯曲变形、面板断裂、芯层压实,破坏形式主要与夹芯板的内部缺陷有关;(6).冲击速度、芯层密度、夹芯板结构是影响泡沫铝夹芯板低速冲击性能的主要因素。随着冲击速度的增加,夹芯板吸收的能量值明显提升,平台应力值相应增大;随着芯层密度的增大,夹芯板的吸性能也会提高,屈服载荷、平台应力值和断裂强度均随着芯层密度的增大而提高;含有中间层的夹芯板的屈服强度和平台应力均要高于不含有中间层铝板的夹芯板,吸能性能也优于后者。
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