闭孔泡沫铝夹层结构强度性能研究

李立 刘洋志 王天石

摘要：闭孔泡沫铝具有轻质结构和抗冲击吸能的特点，以此材料为基础的闭孔泡沫铝夹层结构是一种比强度、比刚度较高的复合结构。本文通过平板压缩和平板剪切实验得到闭孔泡沫铝夹层结构的压缩强度与剪切强度，根据实验结果得出闭孔泡沫铝夹层结构的力学仿真模型构建参数。

关键词：闭孔泡沫铝夹层结构;平面压缩;平面剪切;力学仿真模型

前言

泡沫铝是一种在金属铝基体中分布有无数气泡的多孔质材料，具有密度小、吸收冲击能力强、消声性能好等优点，其在环境保护、国防科技等领域有了成功的应用。泡沫铝金属材料的性能不仅取决于原材料本身，还与孔洞的结构密切相关，其重要的结构表征参数包括孔径、表观密度、孔隙率、比表面积、孔的类型（开孔或闭孔）、孔的形状等[1-3]。

国内外研究人员在泡沫铝力学模型建立方面做了大量工作，为泡沫铝的工程应用打下了坚实基础。康颖安[4]等通过试验得到相对密度对泡沫铝材料的力学性能有很大影响的结论;于英华[5]等根据开孔泡沫铝的特点，利用ANSYS软件对泡沫铝压缩行为进行了有限元研究，得出了泡沫铝压缩变形过程和泡沫铝应力结构参数及应变率的变化规律。

以闭孔泡沫铝为基础的泡沫铝夹层结构是一种比强度、比刚度较高的复合结构，其典型结构是由上、下铝蒙皮和泡沫铝基体组成。为便于泡沫铝夹层结构更好地工程应用，本文通过平面压缩与平面剪切实验探究闭孔泡沫铝夹层结构的剪切强度与压缩强度，并以此为基础得到闭孔泡沫铝夹心结构的力学仿真模型构建参数。

1.实验方法

1.1 夹层结构

泡沫铝在作为承力结构件时，一般会采用“三明治”结构的夹层结构，如图1所示。利用数铣、线切割等方式加工好铝蒙皮和泡沫铝基体，然后采用环氧树脂等有机粘接剂将两者进行粘接，在一定压力和温度下保持一定时间，待胶体固化达到最大的强度即可。本文中的泡沫铝基体均为闭孔泡沫铝。

三明治形式的泡沫铝夹层结构具有轻质量、高刚度的特点，当两个表面与夹芯的粘接非常牢固时，夹芯成为结构的一个整体部分，它的主要作用是传递横向切力，使泡沫铝夹层结构的承载能力得到了很大的提高。

1.2 试样材料

平面压缩试样和平面剪切试样的相关材料信息如表1所示。

1.3 试样形式

a）平面压缩试样

样件的设计参考了GB/T1453-2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》，试样的形状为60mm×60mm×15mm的长方体。

b）平面剪切试样

样件的设计参考了GB/T1455-2005《夹层结构或芯子剪切性能试验方法》，试样的形状为200mm×60mm×15mm的长方体。

1.4实验结果计算方法

2 實验过程

2.1 平面压缩实验

将两类试样均别标注为1#～5#，实验过程参考GB/T1453-2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》。

2.2 平面剪切实验

将两类试样均别标注为1#～5#，实验过程参考GB/T1455-2005《夹层结构或芯子剪切性能试验方法》。

3.实验结果

3.1平面压缩实验

试验过程数据由力（N）和位移（mm）构成，数据处理后，获得样件平面压缩的力-位移关系图如图2所示。

3.2平面剪切实验

实验过程中发现类型1的泡沫铝夹层结构所有5件试样在达到材料屈服强度前，其表面粘接的铝蒙皮均发生脱粘;类型2的泡沫铝夹层结构5件试样中3件在达到材料屈服强度前，其表面粘接的铝蒙皮也发生了脱粘，因此本实验所得力（N）和位移（mm）曲线及数据不完整。

试验过程数据由力（N）和位移（mm）构成，数据处理后，获得样件平面压缩的力-位移关系图如图3所示。

3.3实验结果

由以上实验结果可知，主孔径2.5mm的泡沫铝夹层结构的平面压缩强度、弹性模量、剪切强度、剪切模量均优于主孔径8mm的泡沫铝夹层结构。

以各强度值为依据，泡沫铝夹芯加强结构力学仿真模型构建参数如表4所示。

由于8mm主孔径的泡沫铝夹层结构5件试样在平面剪切实验中有3件在达到材料屈服强度前，其表面粘接的铝蒙皮也发生了脱粘，故无法得到其抗剪强度。但并不影响仿真，因为大多数情况下最恶劣节点的剪切强度也远远低于经验及文献上给出的剪切强度。

4.结论

本文通过对泡沫铝夹层结构试验的平面压缩及平面剪切实验，得到如下结论：

1）分别获得了两种不同孔径尺寸闭孔泡沫铝夹层结构的压缩和剪切力学性能数据，结果表明，主孔径2.5mm的泡沫铝夹层结构的平面压缩强度、弹性模量、剪切强度、剪切模量均优于主孔径8mm的泡沫铝夹层结构;

2）根据实验数据获得了两种不同孔径尺寸闭孔泡沫铝夹层结构的力学仿真模型参数，为该结构的应用提供了仿真依据。

参考文献：

[1] 陈思杰，米国发.泡沫铝的制备工艺_组织性能及应用前景.热加工工艺，2005（5）：54-57

[2] Andrews E，Sanders W，Gibson LJ.Compressive and tensile behavior of aluminum foams[ J].Materials Science and Engineering，1999，A270：113- 124.

[3] 程和法，黄笑梅，许玲.泡沫铝的动态压缩性能和吸能性研究[J].兵器材料科学与工程，2003，（26）：37- 39.

[4] 康颖安，张俊彦.开孔与闭孔泡沫铝的压缩力学行为[J].材料导报，2005，（19）：122-124.

[5] 于英华，杨志，梁冰.泡沫铝压缩力学行为的有限元仿真[J].计算机仿真，2010，（27）：317-320.

作者简介：

李立（1987-），男，工程师，主要从事电子装配制造工艺研究工作。

（作者单位：中国电子科技集团公司第二十九研究所）