碳纖維複合泡沫鋁衝擊回響的各向異性及變形機理

《碳纖維複合泡沫鋁衝擊回響的各向異性及變形機理》是依託上海交通大學，由穆永亮擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳纖維複合泡沫鋁衝擊回響的各向異性及變形機理
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：穆永亮
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

本項目圍繞碳纖維複合閉孔泡沫鋁承受衝擊載荷時的力學回響及變形機理，融合材料學和力學研究方法，以建立結構-性能關係為主線。利用分離式Hopkinson壓桿對碳纖維複合鋁泡沫進行動態壓縮測試，著重研究孔形各向異性、氣體效應、碳纖維含量對纖維複合鋁泡沫動力學特性的影響，建立碳纖維複合鋁泡沫率相關本構關係。通過過程凍結技術在細觀孔/膜水平探討碳纖維複合鋁泡沫動態回響各階段的變形模式和失效機理，從而揭示碳纖維複合鋁泡沫在承受衝擊載荷作用時的能量耗散機制。分析衝擊載荷條件下孔取向和碳纖維對孔壁材料微結構演化的影響，探討衝擊誘發熔融相變區的演化過程及其影響因素，闡明不同應變率條件下孔壁材料的熱塑失穩機制。在上述基礎上，揭示碳纖維複合閉孔泡沫鋁巨觀動力學回響與細微觀結構間的關係，為指導泡沫鋁製備過程中細微觀結構的控制和評價其耐撞性提供理論依據。

結題摘要

泡沫金屬對高速衝擊載荷的緩衝和有效的能量吸收特性使其在減震、碰撞過程中具有潛在的套用價值。本項目從閉孔泡沫鋁金屬的製備最佳化、精細表征和性能測試入手，結合材料學與力學研究手段，較為系統地研究了閉孔泡沫金屬的巨觀力學行為，並通過細觀-微觀表征揭示了閉孔泡沫金屬的變形機理。首先，最佳化了熔體發泡法製備碳纖維複合鋁基閉孔泡沫的製備工藝，改善了碳纖維在基體中的分布和泡孔的均勻性。對碳纖維複合閉孔泡沫鋁的準靜態壓縮、高速壓縮和衝擊韌性進行了測試。詳細表征了碳纖維複合泡沫鋁材料壓縮穩定性和能量吸收能力。證明了碳纖維複合閉孔泡沫鋁材料具有明顯的應變率效應，且基體材料的率敏感性是導致閉孔泡沫鋁應變率效應的主要因素，其它如微慣量和氣體壓縮與氣體粘滯流動均可忽略。提出了在高應變率條件下，閉孔泡沫鋁以兩種模式變形，剪下變形和端部局域化變形。明確了高應變率壓縮能量耗散的主要機制：孔壁材料破碎產生大量新表面及碳纖維的拔出和斷裂。對碳纖維複合閉孔泡沫鋁材料的衝擊韌性進行了測試並獲得了衝擊歷程曲線。結果表明，密度仍然是首要影響因素，隨著密度的增加平均峰值載荷、最大能量吸收、衝擊韌性都增加，但對於中等密度泡沫材料，裂紋傳播路徑是影響衝擊韌性的另一重要因素。由於裂紋傳播的不確定性導致中等密度泡沫衝擊韌性值具有較大的波動性。這可能與泡孔的尺寸、分布有很大關係，該方面的研究有待進一步深入。