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　　泡沫鋁是一種結(jié)合了多孔材料和金屬性質(zhì)的多孔金屬材料，由于其密度低、吸能性能高、具有可回收性，在當(dāng)今材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是很有開(kāi)發(fā)前途的工程材料，特別是在交通運(yùn)輸、航空航天、建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
 

　　由青島理工大學(xué)陳凡秀教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，采用來(lái)自三英精密的高分辨X射線三維顯微CT和配套原位加載系統(tǒng)，對(duì)泡沫鋁的力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。通過(guò)對(duì)密度分別為0.217g/cm3、0.347g/cm3、0.414g/cm3和0.588g/cm3的閉孔泡沫鋁進(jìn)行原位加載實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了不同密度泡沫鋁的孔隙率、逐層面孔隙率、孔徑分布和球形度等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，考察了孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泡沫鋁力學(xué)性能和吸能性能的影響，揭示了不同密度泡沫鋁的力學(xué)性能差異。
 

1. 材料和方法
 

　　1.1 材料制備
 

　　本研究以1060工業(yè)純鋁為基材，以TiH2為發(fā)泡劑，采用熔體發(fā)泡工藝，制備尺寸為Φ30mm×30mm的閉孔泡沫鋁材料作為研究對(duì)象，且隨泡沫鋁密度增加，泡孔逐漸減少(圖1)。
 

圖1 泡沫鋁圓柱形試件的四種密度：
 

　　(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3
 

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法
 

　　采用中國(guó)天津三英精密儀器股份有限公司生產(chǎn)的nanoVoxel-2000系列高分辨X射線三維顯微CT，對(duì)四種密度的泡沫鋁圓柱形試件進(jìn)行分辨率為25.2 μm的無(wú)損掃描。
 

三英精密nanoVoxel-2000顯微CT
 

　　利用重建軟件進(jìn)行三維重建，得到三維重建圖像(圖2)。同時(shí)，應(yīng)用三維可視化軟件，分析泡沫鋁的孔隙率、逐層面孔隙率等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。
 

圖2 四種密度的泡沫鋁的三維重建圖像
 

　　(A) 0.217g/cm³，(B) 0.347g/cm³，(C) 0.414 g/cm³，(D) 0.588 g/cm³
 

　　1.3 原位加載試驗(yàn)
 

　　采用Micro-CT原位加載系統(tǒng)，按照位移加載模式，以3mm/min的速率進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)。當(dāng)壓頭剛接觸試件時(shí)記錄為初始時(shí)刻，此時(shí)用Micro-CT掃描記錄泡沫鋁的初始形狀，之后壓頭每向下3mm進(jìn)行一次CT掃描。同時(shí)，通過(guò)配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到力-位移曲線，并計(jì)算得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以評(píng)估閉孔泡沫鋁的力學(xué)性能。
 

　　Micro-CT原位加載系統(tǒng)示意圖：(A)加壓圓筒俯視圖 (B)加壓圓筒平面圖 (C)加壓裝置壓頭
 

　　2. 主要成果
 

　　2.1 孔隙率和逐層面孔隙率
 

　　對(duì)四種密度的泡沫鋁試件進(jìn)行CT掃描，采用閾值分割法得到四種泡沫鋁的空載孔隙率(圖3(a))。分析得到四種泡沫鋁的逐層面孔隙率分布，圖3(b) 的繪圖結(jié)果表明：相同密度的泡沫鋁在XY、XZ、YZ三個(gè)方向的逐層面孔隙率分布基本一致，四種密度泡沫鋁的逐層面孔隙率大致分布在四個(gè)區(qū)間。
 

　　圖3  (a)四種密度泡沫鋁的孔隙率  (b)四種密度泡沫鋁不同切片的逐層面孔隙率
 

　　為進(jìn)一步分析不同密度泡沫鋁的力學(xué)變異性，對(duì)比分析均勻加載過(guò)程中的XY方向切片逐層面孔隙率。每壓縮3 mm對(duì)試件進(jìn)行一次CT掃描，應(yīng)變?yōu)?.1。四種密度泡沫鋁壓縮過(guò)程中的逐層面孔隙率分布結(jié)果(圖4)表明：逐層面孔隙率分布曲線均呈現(xiàn)兩頭低中間高的現(xiàn)象，這與發(fā)泡工藝和試件形狀有關(guān)。在應(yīng)變從0增至0.7的過(guò)程中，泡孔坍塌和變形區(qū)逐漸形成。
 

　　圖4 四種密度泡沫鋁的逐層面孔隙(A) 0.217g/cm³，(B) 0.347g/cm³，(C) 0.414 g/cm³，(D) 0.588 g/cm³
 

　　加載過(guò)程中泡沫鋁的坍塌過(guò)程(圖5)表明：應(yīng)變?yōu)?.1時(shí)，泡沫鋁處在彈性階段，結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)變化，泡沫鋁隨應(yīng)變?cè)黾佣?，泡孔形態(tài)逐漸改變。泡孔坍塌通常從最薄弱區(qū)域開(kāi)始，并形成局部變形區(qū)，且變形區(qū)隨應(yīng)變?cè)黾佣饾u擴(kuò)大。應(yīng)變?yōu)?.7時(shí)，泡沫鋁內(nèi)部結(jié)構(gòu)已完全改變，尤其是密度為0.58g/cm3的泡沫鋁在加載后承受更大壓力，最終產(chǎn)生斷裂并破壞完全，且其后期坍塌也比其他三種密度的泡沫鋁更為完整。
 

　　圖5 加載過(guò)程中泡沫鋁的坍塌過(guò)程 (A) 0.217g/cm³，(B) 0.347g/cm³，(C) 0.414 g/cm³，(D) 0.588 g/cm³
 

　　2.2 孔徑分布
 

　　孔徑分布是影響泡沫鋁機(jī)械性能和能量吸收的另一個(gè)主要因素，采用分水嶺算法得到的氣泡孔等效孔徑的頻率和數(shù)字百分比分布圖(圖6)表明：泡沫鋁的氣孔數(shù)量主要分布在小孔部分，隨當(dāng)量孔徑增加，曲線上升速度很慢。泡沫鋁密度越大，當(dāng)量孔徑分布范圍越小，密度為0.588g/cm3的泡沫鋁比0.217g/cm3的泡沫鋁的當(dāng)量孔徑分布范圍減小一半，且氣泡形狀隨著密度增加更接近于球形。
 

圖6 四種密度泡沫鋁的孔徑分布
 

　　(A) 0.217g/cm³，(B) 0.347g/cm³，(C) 0.414 g/cm³，(D) 0.588 g/cm³
 

　　2.3 球形度
 

　　球形度可衡量泡孔形狀是否標(biāo)準(zhǔn)。采用分水嶺算法分割泡沫鋁中的泡孔，計(jì)算和統(tǒng)計(jì)每個(gè)泡孔的表面積和體積。泡沫鋁泡孔球形度分布散點(diǎn)圖(圖7)表明：泡沫鋁密度越高，球形度分布越致密，球形度越好?？紫堵试黾?，會(huì)伴隨出現(xiàn)更多不規(guī)則氣泡。泡孔的球形度與泡沫鋁凝固過(guò)程中的發(fā)泡和排出現(xiàn)象有關(guān)，四種泡沫鋁的球形度分布大多集中在上半部，說(shuō)明所制備的泡沫鋁結(jié)構(gòu)比較均勻。
 

圖7 四種密度泡沫鋁泡孔球球形度分布散點(diǎn)圖
 

　　(A) 0.217g/cm³，(B) 0.347g/cm³，(C) 0.414 g/cm³，(D) 0.588 g/cm³
 

　　為了更直觀地看到泡孔形狀變化，以密度為0.588g/cm³的泡沫鋁典型泡孔為例，繪制泡孔三維圖(圖8)。結(jié)果表明：泡孔形狀多為球形或橢球形，僅有一小部分泡孔形狀不規(guī)則，說(shuō)明發(fā)泡形成的無(wú)規(guī)則泡孔具有良好的球形性。
 

圖8 密度為0.588g/cm³的泡沫鋁的泡孔三維圖
 

　　2.4 原位加載過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
 

　　以恒定速率壓縮泡沫鋁，確保加載過(guò)程中保持恒定的應(yīng)變率，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖9)顯示：密度較大的泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線位于頂部。應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個(gè)階段，即彈性階段、應(yīng)力平臺(tái)階段和致密化階段。其中，泡沫鋁在應(yīng)力平臺(tái)期吸收了大量的能量，泡孔出現(xiàn)塑性變形和坍塌，直至致密階段應(yīng)力呈指數(shù)級(jí)增加，這種持續(xù)坍塌將影響泡沫鋁的能量吸收。
 

圖9 四種密度泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
 

　　泡沫鋁在彈性階段的主要力學(xué)參數(shù)如表2所示：密度為0.588g/cm³的泡沫鋁的屈服應(yīng)力是密度為0.217g/cm³的泡沫鋁的近7倍，且四種密泡沫鋁的屈服應(yīng)變都比較接近。高密度泡沫鋁的彈性模數(shù)較大，最大相差約5倍。
 

　　表2 泡沫鋁在彈性階段的主要力學(xué)參數(shù)
 

2.5 原位加載過(guò)程中的能量吸收
 

　　通過(guò)計(jì)算得到四種密度泡沫鋁的能量吸收能力和能量吸收效率隨應(yīng)力和應(yīng)變的變化(圖10)。繪圖結(jié)果表明：泡沫鋁的能量吸收與應(yīng)變接近正線性關(guān)系，泡沫鋁密度越大，吸能能力越強(qiáng)；結(jié)構(gòu)越均勻，泡沫鋁的能量吸能效率越高；能量吸收效率隨應(yīng)力變化的三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的三個(gè)階段：緩慢上升區(qū)(彈性階段)、急劇上升區(qū)(應(yīng)力平臺(tái)階段)和下降弱化區(qū)(致密化階段)，其中應(yīng)力平臺(tái)階段是影響泡孔吸能效率的關(guān)鍵階段，也是泡孔吸能變形的關(guān)鍵階段。
 

　　圖10 四種密度泡沫鋁的能量吸收和能量吸收效率：(a)不同應(yīng)變下的能量吸收 (b)不同應(yīng)變下的能量吸收效率 (c)不同應(yīng)力下的能量吸收 (d)不同應(yīng)力下的能量吸收效率(σD：致密應(yīng)力，εD：致密應(yīng)變)
 

　　對(duì)比四種不同密度泡沫鋁的力學(xué)性能(表3)，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)應(yīng)力和致密應(yīng)力以及致密應(yīng)變下的能量吸收能力都隨著泡沫鋁密度的增加而增加。密度為0.588g/cm³的泡沫鋁致密化應(yīng)變最大，密度為0.347g/cm³的致密化應(yīng)變最小。試件的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了不同密度泡沫鋁表現(xiàn)出的諸如力學(xué)性能、吸能性能等力學(xué)變異性。
 

　　表3 不同密度泡沫鋁的力學(xué)性能比較
 

結(jié) 論
 

　　本研究利用Micro-CT對(duì)不同密度的泡沫鋁進(jìn)行CT掃描，分析了不同密度泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙率、逐層面孔隙率、孔徑分布和球形度)以及在原位加載下的力學(xué)性能和能量吸收。
 

　　主要研究成果可歸納如下：現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)中泡沫鋁氣孔的坍塌是從高孔隙率區(qū)域開(kāi)始的；高密度泡沫鋁的孔隙率低、氣孔小、球形性好；高密度泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線位于上方，彈性模量大；吸能能力與泡沫鋁的密度有關(guān)，密度高的泡沫鋁吸能能力大，但吸能效率主要與結(jié)構(gòu)是否均勻有關(guān)。
 

　　一直以來(lái)，三英精密專注X射線CT成像技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，致力于為用戶提供解決問(wèn)題的新方法和新工具，今后也將繼續(xù)為科研人員提供更強(qiáng)大的助力！