泡沫铝夹芯板制备及其冲击性能研究.pdf

第6 0 卷第3 期 2008 年8 月 有色金 属 N o n f e l “ I “ 0 1 BM e t a l s V o l - 6 0 ．N o ．3 A u g u s t 200 8 泡沫铝夹芯板制备及其冲击性能研究 张敏，祖国胤，姚广春，刘宜汉 东北大学材料与冶金学院教育部材料先进制备技术工程中心，沈阳1 1 0 0 0 4 摘要采用复合轧制的方法，即将带有发泡剂的混合粉末置于两铝面板之间进行复合轧制使之成为预制发泡体，然后再在 炉中发泡的方法．制备界面为冶金结合的泡沫铝夹芯板．通过摆锤冲击实验．研究界面为冶金结合的泡沫铝夹芯板与胶接夹芯板 的冲击性能的区别。结果表明，胶接界面冲击后发生开裂，冶金结合的界面冲击后并没有发生开裂现象．界面为冶金结合的泡沫 铝夹芯板的抗冲击性要比胶接的好。冶金结合界面夹芯板。孔隙率较大的抗冲击性比孔隙率较小的好。 关键词金属材料；泡沫铝夹芯板；复合轧制冶金结合；摆锤冲击；冲击韧性 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l l 3 ．2 5 ；T B 3 8 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 3 0 0 1 4 0 4 多孔金属材料近些年来发展非常迅速，业已成 为一种兼具功能和结构双重属性的性能优异的工程 材料[ 卜引。它们不仅具有可焊接、可导电、可延展 等一般的金属属性，而且在吸能减震、消声降噪、电 磁屏蔽、透气透水、隔热换热等方面更显示出自身的 特色[ 3 】。泡沫金属的材质有青铜、镍、钛、铝、不锈 钢以及其他金属和合金，但泡沫铝在工业上特别是 在汽车工业上已经证明为是一种最具有代表性的泡 沫金属材料[ 4 ] 。作为工程材料来说，泡沫铝就必须 同致密金属组成复合构件来满足一定载荷下的最佳 力学性能，最简单最直接的方法是将预先制备好的 泡沫材料和平板粘接在一起J 。采用复合轧制法 将粉末置于两金属面板之间复合轧制后发泡的方法 制备出一种界面为冶金结合的复合夹芯板∞j ，这种 方法克服了上述粘接方法制备的夹芯板不耐高温易 老化等缺点，具有实用意义。 泡沫铝夹芯板有很好的应用前景，作为车体材 料使用是其中一个非常重要的应用实例。作为车体 材料使用，此种材料必须具有优异的力学性 能[ 7 - 8 ] 。国内外对泡沫铝夹芯板的力学性能的研 究有很多，如抗压、抗拉、抗弯曲等旧1 1 1 } ，但大部分 研究对象均为胶接方法制备出的夹芯板，对冶金结 合的夹芯板的研究鲜有报道[ 1 2 _ 14 | 。主要针对自己 制备的冶金结合的夹芯板的抗冲击性能进行研究， 通过冲击试验来检验晃面结合情况。另外作为车体 收稿日期2 0 0 6 0 8 2 , 8 基金项目国家“8 6 3 ”高技术资助项目 2 0 0 2 A A 3 3 4 0 6 0 作者简介张敏 1 9 7 8 一 ．女，辽宁辽阳市人，博士生，主要从事 泡沫铝夹芯板制备及性能等方面的研究。 材料来说突然的撞击情况是时有发生的，所以对其 抗冲击性能的研究是十分必要的。 1实验方法 首先将舢一1 2 ．5 ％S i 一1 ％M g 合金粉末与发泡剂 按一定质量百分比混合均匀。面板材料为l m m 厚 的铝薄板，面板采用钢刷进行表面清理，以获得具有 粗糙的复合表面。将混合粉末置于两铝面板之间先 在压力机上进行预压成型，预压后的坯料送人轧机 上进行轧制复合，得到可发泡的夹芯复合板。随后 将复合板放人电阻炉中加热至适当的温度，使复合 板的芯部呈熔融状态，发泡剂发生分解使芯层获得 良好的泡沫结构。 将制备出的泡沫铝夹芯板以及用熔融法制备的 泡沫铝裸板和胶接的夹芯板用线切割机切割成长方 体的冲击试样。将试样水平放置于试验机支座上， 见图1 a ，然后用摆锤冲击试样，见图1 b 。 a 一试样安放； b 一冲击试验情况； I 一支座；2 一试样；3 一分度盘；4 一指针；5 一摆锤 图1 摆锤冲击试验示意 F i g ．1 S c h e m eo fh a m m e ri m p a c t i n gt e t 由于泡沫铝夹芯板是一种新材料，并无标准适 万方数据 第3 期 张敏等泡沫铝夹芯板制备及其冲击性能研究1 5 用。所以试验冲击韧性采用无缺口试样，试验设备 为J B W 一5 0 0 屏显式冲击试验机，支座间的跨距为 5 5 m m ，摆锤重1 6 7 ，4 6 8 k N ，摆长8 0 0 m m ，摆锤冲击 速度5 ．4 m ／s 。由电脑记录试样变形和断裂所吸收 的功，即A x v 表示，冲击韧性由a K V 表征，由式 1 计 算【”】，式中口K y 一冲击韧性，J ／c m 2 ；A K y 一吸收功， J ；S 一变形或断裂处截面积。c m 2 。 a K V A K v ／S 1 分别对熔融法生产出的铝合金泡沫铝板、5 0 2 胶胶接的铝合金夹芯板以及冶金结合的泡沫铝夹芯 板进行冲击试验，得出吸收功后计算绘制出直方图， 进行比较讨论得出结论。 、 2 试验结果与分析 图2 a 和图2 b 分别为熔融法发泡制备出的 泡沫铝裸板冲击前和冲击后的实物照片。可以看 出，在冲击后试样发生了完全的断裂，并且从图3 可 以看到裸板的冲击韧性值小于0 ．5 J ／c m 2 。图2 c 和图2 d 分别为熔融法制备出的泡沫铝与l m m 厚 的铝板胶接成的夹芯板冲击前和冲击后的实物照 片。可以看出，在冲击后胶结的界面产生了开裂的 现象，并且泡沫铝也完全断裂了。从图3 中看到虽 然胶接的泡沫铝夹芯板的冲击韧性比裸板大了很 多，但是冲击韧性仍然很小，约为1 ．4 8 1 5 J ／c m 2 ，并 且这种结合机制很容易被破坏，甚至在整个夹芯板 未断裂之前就产生了开裂。因此这种结合的夹芯板 只能作为装饰材料来使用，不能作为结构件来使用。 图2 e 和图2 f 分别为采用试验中复合轧制法制 备出的冶金结合的泡沫铝夹芯板 孔隙率大约为 5 6 ．9 8 ％ 冲击前和冲击后的实物照片。从图中可以 明显看出，此种方法制备出的泡沫铝夹芯板的界面 结合非常牢固，即使是夹芯板整体发生了断裂，但界 面仍然牢牢的结合在一起，丝毫没有发生任何变化。 这也进一步说明了冶金结合界面的优越性。从图3 中看到这种结合的冲击韧性已经达到了3 ．9 9 6 J ／c m 2 ，已经远远大于胶接夹芯板的冲击韧性。图2 g 和图2 h 分别为采用试验中复合轧铡法制备出 的冶金结合的泡沫铝夹芯板 孔隙率大约为 7 7 ．2 9 ％ 冲击前和冲击后的实物照片。可以看出， 在冲击后结合界面同样没有发生任何变化，仍然结 合的很牢固。与前面同样是采用此法制备的夹芯板 冲击后有所不同的是，整个夹芯板在摆锤的冲击下 并未发生断裂现象，只是发生了很大的弯曲现象。 从照片上可以看到，试样受冲击处完整的孔壁发生 了断裂，但周围未受到冲击处孔结构未发生明显的 变化。图4 中此试样的冲击韧性高达7 ．7 2 9 J ／c m 2 ， 是同方法制备的小孔隙率夹芯板冲击韧性的二倍。 a 一裸板照片； b 一 a 冲击后照片； c 一胶接夹芯板照片； d 一 c 冲击后照片； e 一冶金结合夹芯板 孔隙率5 6 ．9 8 ％ 照片； f 一 e 冲击后照片； g 一冶金结合央芯板 孔晾率 7 7 ．2 9 ％ 照片； h 一 g 冲击后照片 图2 冲击试样的照片 F i g ．2 P h o t o so fi m p a c ts p e c i m e n s 乒 t u 二 ≤ 拳 器 * 三 量 A 孔隙率6 5 ％裸板 B 孔隙串6 5 嚷胶结夹芯板 c 孔隙率骗9 8 ％冶金结合夹芯板 D 孔隙率7 7 ．2 9 ％冶金结合夹芯板 A B C D 泡沫铝夹心板类型 图3 不同类型泡沫铝夹芯板的冲击韧性 F i g ．3I m p a c tt o u g h n e s so fd i f f e r e n tt y p e s ’ f o a ma l u m i n u ms a n d w i c h 图4 为体视显微镜下观察的铝面板三明治 孔 隙率为7 7 ．2 9 ％ 冲击破坏后弯曲的界面图。其中4 a 是夹芯板冲击处上方受弯的界面。由于摆锤冲 击载荷较大，面板弯曲，芯部泡沫发生破裂，面板与 泡沫芯无明显的分离现象。图4 b 为夹芯板冲击 处下方的界面，不但孔壁发生破裂，而且孔墙也发生 了破裂的现象，但从这张图更明显的看出界面完好 如初，并没有发生开裂现象。这就进一步说明了冶 万方数据 1 6有色金属 第6 0 卷 金结合界面的牢固性。 从上面结果可以发现，即使孔隙率小于胶接的 孔隙率，冲击韧性仍然大于胶接的冲击韧性并且界 面结合很牢固，这说明了制备方法的优越性。另外 在制备方法中，孔隙率大的夹芯板的冲击韧性大于 孔隙率小的冲击韧性，孔隙率大的夹芯板在冲击后 并未发生断裂。试验制备的材料是一种新材料，中 间的芯材具有吸能性能，所以不能笼统的说孔隙率 大的夹芯板的韧性要好于孔隙率小的夹芯板的韧 性，只能说孔隙率大的夹芯板的吸能性更好。 虽然只是初步对冶金结合的夹芯板的冲击性能 进行研究，但是对未来这种产品的发展有很大的指 导作用。因为冲击韧性的大小直接影响到此产品的 应用范围。试验产品的界面结合非常牢固，即使整 个夹芯板断裂，界面也不会发生任何开裂现象，这种 冶金结合的界面要比胶接方法结合的界面用起来更 安全。然而对于界面为冶金结合的不同孔隙率的泡 沫铝夹芯板来说，不能单从冲击韧性的角度来说哪 一种夹芯板好或者是坏，从冲击的结果可以判断不 同孔隙率的夹芯板的应用范围。因为两者的孔隙率 不同，孔隙率小的夹芯板可以看作为一整体性较强 的材料，并且由于孔隙率较小吸能较小，所以冲击时 材料只经过部分缓冲后就发生了断裂。即使是吸能 性小也要比传统的单层板材吸能性好，明显的增加 了材料整体的抗冲击性能。而孔隙率大的夹芯板的 吸能性较大，虽然在摆锤冲击的作用下并没有断裂， 在冲击的过程中中间的孔隙发生大量吸收能量的过 程，起到了缓冲作用，中间孔壁或孔墙发生明显的破 断，而面板并没有发生断裂，这一结果说明孔隙率大 的夹芯板适用于需要大量能量吸收的领域，而孔隙 率小的夹芯板适用于要求材料整体性强的领域。 a 一冲击处上方； b 一冲击处下方 图4 冲击破坏后铝面板与泡沫芯的界面 F i g ．4 A I s h e e t ／f o a mC O T ei n t e r f a c ea f t e ri m p a c t i n g 3 结论与建议 通过复合轧制法成功的制备出界面为冶金结合 的泡沫铝夹芯板，与传统的胶接夹芯板相比冲击性 能和界面结合牢固程度也大大提高。冶金结合的夹 芯板孔隙率大的冲击性能要优于孔隙率小的，不同 孔隙率的夹芯板的适用于不同的情况。虽然只对界 面为冶金结合的夹芯板的冲击性能进行了初步研 究，但单从这一性能并不能完全判断材料的整体性 能情况，要作深入研究以指导实际生产。 参考文献 [ 1 ] 朱震刚．金属泡沫材料研究[ J ] ．物理，1 9 9 9 ，2 8 2 8 4 8 8 ． [ 2 ] N a k a j i m aH ，H y u nSK ．F a b r i c a t i o no fp o r o u sC O p p e rb yu n i d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nu n d e rh y d r o g e na n di t sp r o p e r t i e s [ J ] ．C o l l o i d sa n dS u r f a c e ，2 0 0 1 ，1 7 9 2 0 9 2 1 4 ． [ 3 ] 刘培生，马晓明．多孔材料检测方法[ M ] ．北京冶金工业出版社．2 0 0 6 2 ． [ 4 ] S e e l i g e rH W ．A l u m i n i u mf o a ms a n d w i c h A F S r e a d yf o rm a r k e ti n t r o d u c t i o n [ J ] ．A d v a n c e dE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s ，2 0 0 2 ，6 6 4 4 8 4 5 1 ． [ 5 ] 蒂吉斯切H P ，克雷兹特B ．多孔泡沫金属[ M ] ．左孝青，周芸译．北京化学工业出版社，2 0 0 5 9 4 ． [ 6 ] 张敏，祖国胤，姚广春．泡沫铝夹心板的制备及其界面结合机理的研究[ J ] ．功能材料，2 0 0 6 ，3 7 2 2 8 1 2 8 3 ． [ 7 ] F A s h b y M ，．E v a n s A G ，F l e c k N A ．M e t a l F o a m s [ M ] ．S a n D i e g o 。A m e r i c a B u t t e r w o r t h - H e i n e m a n n ，2 0 0 0 1 2 ． [ 8 ] J o h nB a n h a r t ．M a n u f a c t u r e ，c h a r a c t e r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fc e l l u l a rm e t a L sa n dm e t a lf o a m s [ J ] ．P r o g r e s si nM a t e r i a l sS c i e n c e 。2 0 0 1 ，4 6 6 5 5 9 6 3 2 ． 万方数据 第3 期张敏等泡沫铝夹芯板制备及其冲击性能研究 【9 】G d o u t o sEE ，D a n i e lIM ，W a n gKA ．C o m p r e s s i o nf a c i n gw r i n k l i n go fc o m p o s i t es a n d w i c hs t r u c t u r e s [ J ] ．M e c h a n i c so fM a t e r i a l s ，2 0 0 3 。3 5 3 ／6 5 1 1 5 2 2 ． 【1 0 ] Y uJ 乙，W a n gX ，W e iZG ，e ta 1 ．D e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s mo fd y n a m i c a L l yl o a d e ds a n d w i c hb e a m sw i t ha l u m i n u m f o a mC O r e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fI m p a c tE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 8 3 3 3 1 3 4 7 ． [ 1 1 ] V l a d i m i rSS o k o l i n s k y ，H o n g b i nS h e n ，V a i k h a n s k iL ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a la n da n a l y t i c a ls t u d yo fn o n l i n e a rb e n d i n gr e s p o n s eo f s a n d w i c hb e a m s [ J ] ．C o m p o s i t eS t r u c t u r e s ，2 0 0 3 ，6 0 2 2 1 9 2 2 9 ． [ 1 2 ] C a n t w e l lWJ ，C o m p s t o nP ，R e y e sG ．T h ef r a c t u r ep r o p e r t i e so fn o v e la l u m i n u mf o a ms a n d w i c h8 t 1 3 2 c t u r e s [ J ] ．J o u r n a lo fM a ． t e r i a l sS c i e n c eL e t t e r s ，2 0 0 0 ，1 9 2 4 2 2 0 5 2 2 0 8 ． [ 1 3 ] S a l v oL ，B e l e s t i nP ，M a i r eE ，e ta 1 ．S t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA F Ss a n d w i c h e ss t u d i e db yi n s i t uc o m p r e s s i o n t e s t Si nX ．r a yM i c r o t o m o g r a p h y [ J ] ．A d v a n c e dE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s ，2 0 0 4 ，6 6 4 1l 一4 1 5 ． 【1 4 ] C r u p iV ，M o n t a n i n iR ．A l u m i n i u mf o a ms a n d w i c h e sC O l l a p s em o d e su n d e rs t a t i c a n dd y n a m i ct h r e e p o i n tb e n d i n g 【J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fI m p a c tE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，3 4 3 5 0 9 5 2 1 ． [ 1 5 ] 高建明．材料力学性能[ M ] ．武汉武汉理工大学出版社，2 0 0 4 3 7 ． P r e p a r a t i o na n dI m p a c tP r o p e r t i e so fA l u m i n u mF o a mS a n d w i c hP a n e l s Z H A N GM i n ，Z UG u o - y i n ，Y A OG u a n g - c h u n ，L 儿，Y i - h a n K e yL a b o r a t o r y 盯M i n i s t r yo fE d u c a t i o nf o rA d v a n c e dP r e p a r i n gT e c h n i q u eo fM a t e r i a l s ， C o l l e g e 矿M a t e r i a la n dM e t a l l u r g y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 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e r i m p a c tt e s t ，t h eg l u e b o n d i n gi n t e r f a c ei sl a m i n a t e d ，b u tm e t a l l u r g yb o n d i n gi n t e r f a c ei sn o tl a m i n a t e d ．A n df o r t h ep a n e l sw i t hm e t a l l u r g yb o n d i n g ，r e s i s t a n c et oi m p a c to ft h ep a n e lw i t hl a r g ep o r o s i t yi sb e t t e rt h a nt h a tw i t h s m a l lp o r o s i t y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；f o a ma l u m i n u ms a n d w i c hp a n e l s ；s a n d w i c hr o i l i n g ；m e t a l l u r g yb o n d i n g ； p e n d u l u mi m p a c t ；i m p a c tt o u g h n e s s 万方数据