泡沫铝填充薄壁管复合结构压缩与吸能性能

李思超, 杨旭东, 安 涛, 郑远兴

（中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300）

薄壁金属管作为一种传统的吸能元件，具有比刚度和比强度高等优点，在工程领域具有广泛的应用，但因为变形模式不稳定，且易发生欧拉屈曲变形，所以其力学性能及吸能效率亟待进一步提升[1]。泡沫铝作为一种结构与功能一体化的新型工程材料[2-3]，兼具金属和多孔结构的特点，表现为吸能、减震、吸声、隔热及电磁屏蔽等多种优良性能[4-7]。另外，由于其质轻，抗冲击吸能性能较好[8]，能在瞬间吸收大量的能量，并且不会将能量再次释放对被保护件造成二次损伤，可以在冲击破坏过程中起到代替牺牲的作用，所以是一种理想的缓冲吸能材料[9-11]。近年来，一些研究者尝试将泡沫铝填充入薄壁金属管中制备复合结构来改善薄壁金属管和泡沫铝的力学和吸能性能，结果表明两者结合得到的复合结构展现了较好的力学性能和吸能能力[12-14]。

Hanssen等[15]对泡沫铝填充管进行了轴向压缩实验，结果表明填充结构性能的提高是因为压缩过程中泡沫铝与薄壁管之间产生了相互作用。Duarte等[16]研究了泡沫铝填充管的变形模式，认为在形变过程中泡沫铝填料抑制管壁向内屈曲形成褶皱，使吸能过程更稳定。Taherishargh等[17]制备了壁厚不同的填充管，并进行了准静态压缩实验，发现泡沫铝的填入对壁厚较薄的管影响更大。Li等[14]制备了不同几何形状填充管，通过对比实验，认为泡沫铝填充圆管比填充方管具有更高的吸能效率。Asavavisithchai等[18]对泡沫铝填充钢管的黏结方式进行了研究，发现黏结方式对填充管性能提升的影响不大。总之，目前对泡沫铝填充薄壁结构已有部分研究成果，但是针对填充结构制备参数的影响以及在静动态下力学性能的研究还不够充分，尚需开展更为系统的研究。

本研究通过填加造孔剂法制备泡沫铝，采用非原位填充的方法将泡沫铝与薄壁管相结合，制备泡沫铝填充薄壁管复合结构（简称填充管），探究薄壁管壁厚，黏结方式，填充间隙对填充管结构性能的影响，确定了填充管结构制备的最佳参数；采用万能电子试验机和落锤冲击试验机对泡沫铝、薄壁管和填充管进行准静态压缩和低速冲击实验，研究在不同应变率下泡沫铝与填充管的力学与吸能性能；采用SEM研究填充管中薄壁管和的泡沫铝芯断口形貌，分析填充管变形模式。

1 实验材料及测试方法

1.1 材料制备

实验采用粉末冶金-填加造孔剂法[19-20]制备的孔隙率为60%的泡沫铝作为填充材料，具体制备过程如下：将铝粉（粒度200目，分析纯＞ 99.0%）与尿素（粒径范围为1.6～2.0 mm，密度为1.335 g/cm3）按体积比4∶6混合均匀，倒入直径为25 mm，材质为Cr12MoV的压缩模具中，在500 MPa的压力下将其压制成预制块，在80 ℃的水中水浴8 h，随后干燥3 h，最后，在650 ℃氛围中烧结3 h，得到直径和高度均为25 mm的泡沫铝。外薄壁管选用壁厚为1 mm和1.5 mm，内径为25 mm，高度为25 mm的6061-O态和6061-T6态铝合金圆管。

为了探究不同黏结方式对填充管吸能性能的影响，采用两种方式制备填充管：一是将泡沫铝直接填入薄壁管中制备填充管；二是采用环氧树脂-固化剂作为黏结剂，将环氧树脂和固化剂以1∶1的比例混合搅拌均匀并涂抹到薄壁管内壁和泡沫铝试样表面，之后将泡沫铝填充到薄壁管中，放置24 h制备得到填充管。实验所用泡沫铝、薄壁管以及制备的填充管如图1所示。

1.2 测试方法

采用万能电子试验机进行准静态压缩测试，采用位移速率控制压缩实验，压缩速率2 mm/min。采用冲击试验机完成落锤冲击实验，选用直径为50 mm的圆形平面冲头。落锤的初始高度转化成的总冲击能为：

式中：H为落锤相对于样品上表面初始高度；ΔL是试件冲后的塌陷高度；M为落锤总重；g为加速度。

将实验后的试样放入S-3400N型扫描电镜（SEM），观察微观组织和断口形貌，选取典型区域并在不同倍率下进行拍摄。

2 结果与分析

2.1 制备参数对填充管压缩性能的影响

为了研究泡沫铝与薄壁管之间的填充间隙对填充管压缩性能的影响，使用T6-态薄壁管和泡沫铝制备填充间隙分别为0 mm、0.25 mm和1 mm的填充管，对制备的试样进行准静态压缩实验，得到应力-应变曲线如图2所示。由图2可见，随着填充间隙的增大，填充管的屈服强度和应力水平均降低，而达到屈服后产生的最大应力降和应力平台波动幅度逐渐变大（图2（a）），这是因为随着间隙的增大，两者之间的相互作用减弱，薄壁管无法对泡沫铝受压后的径向膨胀产生良好的束缚作用，同时泡沫铝也难以快速抑制薄壁管产生向内的屈曲褶皱，导致整体压缩强度降低，吸能能力减弱，这与Hanssen等[15]得到的结论一致，薄壁管与泡沫铝之间的相互作用提高了填充管的压缩性能和吸能能力，而当填充间隙较大时薄壁管和泡沫铝之间的相互作用减小，性能明显降低。

图 1 试样宏观图片 （a）泡沫铝；（b）泡沫铝纵截面；（c）薄壁管；（d）填充管Fig. 1 Macroscopic picture of specimen （a）Al foam；（b）Al foam longitudinal section；（c）Al alloy tube；（d）Al foam-filled tube

图 2 不同填充间隙的填充管准静态压缩力学响应 （a）应力-应变曲线；（b）吸能曲线Fig. 2 Mechanical response of Al foam-filled tube with different filling margin under quasi-static compression （a）stress-strain curve；（b）energy absorption curve

图 3 有无环氧树脂粘接试样对比 （a）应力-应变曲线；（b）吸能曲线Fig. 3 Comparison of epoxy resin bonded specimens （a）stress-strain curve；（b）energy absorption curve

图 4 不同壁厚铝管填充管的压缩力学响应 （a）应力-应变曲线；（b）吸能曲线Fig. 4 Compressive mechanical response of Al foam-filled tubes with different wall thickness （ a） stress-strain curve；（b）energy absorption curve

利用环氧树脂-固化剂黏结填充泡沫铝与薄壁管间隙，对黏结件进行准静态压缩，探究有无界面黏结对填充复合结构的吸能性能的影响，得到的应力-应变曲线如图3所示。由图3可见，环氧树脂黏结对填充管的屈服强度无明显增强效果，且吸能曲线基本重合（图 3（b））。Asavavisithchai等[18]通过将熔融发泡法制备的泡沫铝填充入不锈钢管，对不同黏结方式进行实验研究，得到与本研究类似的结论。

为了探究壁厚对填充管力学和吸能性能的影响，分别对壁厚为1 mm和1.5 mm的填充管进行准静态压缩实验，得到的应力-应变曲线和吸能曲线如图4所示。由图4可见，随着薄壁管壁厚的减小，填充管的力学性能（图4（a））和吸能性能（图4（b））出现明显的下降。Zare等[21]通过研究多组不同壁厚的泡沫铝填充钢管，得到相似结论：通过增加管的壁厚，可以增加管的折叠强度和吸能能力。但同时随着外管壁厚的降低，填充管的应力-应变曲线波动趋势减小，由图4可得，壁厚为1.5 mm的填充管的最大应力降为25.76 MPa，而壁厚为1 mm的填充管的最大应力降为17.73 MPa，随着填充管外管壁厚减小0.5 mm，其最大应力降减小了31.1%。填充管外管壁越薄，填充管的力学表现越类似于泡沫铝填料[22-23]。其应力平台相对较小，吸能过程更加平稳，这种力学特点更有利于防止被保护件受到损害。

2.2 泡沫铝填充薄壁管的力学性能

分别对泡沫铝，薄壁管和填充管进行准静态压缩实验，得到的应力-应变曲线及吸能曲线如图5所示。由图5可知，填充管的压缩应力-应变曲线分为5个区域[24]：第1阶段为初始弹性阶段，这个阶段填充管和薄壁管的压缩应力随应变线性增加；第2阶段为应力缓慢上升阶段，在此阶段压缩应力随着应变的增速放缓，并逐渐到达一个局部的峰值；第3阶段是最大应力降的阶段，填充管和薄壁管在这个阶段被压缩屈服，开始出现局部屈曲形成“压缩褶”，导致压缩应力逐渐降低；第4阶段应力振荡阶段，应力随应变逐渐振荡，形成一个屈服平台；第5阶段是完全致密化阶段，应力急剧上升。在应力振荡阶段，填充管的平台应力要高于泡沫铝和薄壁管的平台应力，这表明在相同的应变下，填充管具有更好的力学性能。同时，在相同应变下，填充管的吸能量远高于泡沫铝和薄壁管，说明填充管具有更强的吸能能力。通过分析曲线可知，在达到峰值应力之后，填充管的最大应力降小于薄壁管最大应力降，由此可知填充管的吸能过程更加平稳。将泡沫铝和薄壁管的吸能曲线相加，发现在应变为60%时，填充管的吸能量相比于泡沫铝和薄壁管吸能量之和提高了22%（图5（b）），说明填充管的两部分存在相互作用，从而提升了吸能性能。应力-应变曲线上的每一个应力波动代表在准静态压缩过程中试样管壁形成了一个褶皱，由图5（a）可见，薄壁管的压缩应力-应变曲线上出现了5次应力波动，而填充管在压缩过程只出现了3次应力波动，说明填充泡沫铝降低了应力波动次数。将准静态压缩实验后的薄壁管和填充管进行纵向切割，对比其纵截面如图6所示。在图6中薄壁管的褶皱长度H1大于填充管的褶皱长度H2，说明在准静态压缩过程中填充入管内的泡沫铝阻碍了薄壁管向内翻折[25]，改变了管的变形模式，使得压缩过程更加平稳，由于薄壁管与泡沫铝之间的相互作用非常明显，复合结构的吸能性能较单一材料有了明显的提升。

图 5 泡沫铝、薄壁管及填充管准静态压缩实验结果 （a）应力-应变曲线；（b）吸能曲线Fig. 5 Results of quasi-static compression test for Al foam, empty tube and Al foam-filled tube （a）stress-strain curve；（b）energy absorption curve

经过落锤冲击实验发现，T6-态管在冲击过程中产生裂纹，不利于实验的重复性，因此选用O态管和泡沫铝制备填充管。分别对泡沫铝、薄壁管及填充管进行冲击能量为100 J的落锤冲击实验，得到冲击的载荷-位移曲线和吸能曲线如图7所示。由图7（a）可知，填充管、薄壁管和泡沫铝的冲击过程都分为3个阶段[26-27]：第1阶段为线弹性阶段，在这个阶段泡沫铝的泡孔和薄壁管发生弹性形变，载荷急剧增大，样品只沿单轴方向发生形变；第2阶段为渐进屈曲阶段，在载荷达到屈服强度后，泡沫铝的泡孔和薄壁管都发生塑性变形，泡沫铝的孔胞发生坍塌，薄壁管渐进屈曲折叠，这个阶段随着位移增大，载荷不断振荡；第3阶段为卸载阶段，经过渐进屈曲阶段，冲头的初始动能基本耗尽，冲击力迅速降至零。由冲击的载荷-位移曲线可知，在渐进屈曲阶段，填充管的冲击平台要高于另外两者的冲击平台，说明填充管具有更加优异的力学性能，可以承受更高的载荷。填充管在渐进屈曲阶段载荷最大值与最小值的极值差为4.61 kN，薄壁管载荷的极值差为6.29 kN，填充泡沫铝使载荷的极值差下降了26%，填充管的冲击过程更为平稳。填充管、泡沫铝和薄壁管在100 J的冲击能量下产生的位移分别为8.6 mm、15.3 mm和21.8 mm，说明填充管在更短的位移内吸收相同的能量，具有更优异的吸能性能。将泡沫铝和薄壁管的载荷-位移曲线相加，发现两者的载荷随位移增加而迅速降低，而填充管的载荷较为平稳。产生这种现象是因为随着位移的增加，薄壁管屈曲变形，泡沫铝溃散、失效，使载荷降低。将落锤冲击试验后的薄壁管和填充管进行纵向切割，对比其纵向截面如图8所示。由图8可见，泡沫铝与薄壁管之间存在相互作用，管内填充的泡沫铝抑制了薄壁管向内折叠形成褶皱，使填充管的褶皱长度H2远小于薄壁管的褶皱长度H1，说明填充结构改变了管的变形模式，抑制泡沫铝的溃散，有效地避免了载荷下降，使冲击过程更加平稳。

图 6 薄壁管、填充管准静态压缩截面Fig. 6 Quasi-static compression cross sections of empty tube and Al foam-filled tube

图 7 泡沫铝、薄壁管及填充管在100 J冲击能量下的冲击性能对比 （a）载荷-位移曲线；（b）吸能曲线Fig. 7 Comparison of impact properties of Al foam, empty tube and Al foam-filled tube under 100 J impact energy（a）stress-strain curve；（b）energy absorption curve

图 8 薄壁管、填充管冲击截面Fig. 8 Impact cross sections of empty tube and Al foam-filled tube

2.3 泡沫铝及填充管压缩断口分析

图9为薄壁管及填充件的压缩断口SEM，由图9可见，薄壁管压缩断口形成拉长撕裂韧窝，韧窝形貌大而深，且存在部分卵形韧窝（图9（a）、（b）、（c）），说明薄壁管在压缩过程中变形量大，强度低，且薄壁管在变形过程中主要受到剪切力作用；填充管压缩断口表现为等轴韧窝，韧窝小而密，这表明在填充管的压缩过程中，铝管的变形量小，强度更高。靠近泡沫铝一侧存在部分穿晶滑动断裂形貌（图 9（d）、（e）、（f）），这表明管壁在变形的过程中受到正应力作用，内部的泡沫铝芯阻碍了薄壁管在变形过程中的离面位移，即填充泡沫铝改变了薄壁管的变形模式，泡沫铝和薄壁管之间有较强的相互作用。

图10是填充管芯材泡沫铝的冲击断口的SEM图片，由图10可见，在冲击实验之后，泡沫铝产生的断裂方式包括孔壁断裂和孔内断裂两种方式，泡沫铝孔壁的断面呈现出明显的穿晶断裂形貌（图 10（a）、（b）、（c）），断面沿着冲击方向呈现层状，断口的撕裂带表明试样断面处受到剪切力作用。泡沫铝的孔内壁上产生了裂纹（图10（d）、（e）、（f）），孔内壁的断面呈现出明显的沿晶断裂形貌，在图10（f）中可见，冲击后，泡沫铝在冲击力的作用下产生了较为明显的微裂纹，同时萌生了二次裂纹，当这些裂纹延伸、扩展，全都连接在一起时，便导致了泡沫孔内壁的断裂。在两种失效的同时作用下，铝芯最终溃散与失效。

图 9 薄壁管压缩断口形貌分析 （a）、（b）、（c）单纯薄壁管压缩断口形貌；（d）、（e）、（f）填充管压缩断口形貌Fig. 9 Morphology analysis of compression fracture of Al foam-filled tube （a），（b），（c）compression fracture morphology of pure tube；（d），（e），（f）compression fracture morphology of Al foam-filled tube

图 10 泡沫铝的冲击断口形貌分析 （a）、（b）、（c）为孔壁断裂断口；（d）、（e）、（f）为孔内断裂断口Fig. 10 Analysis of impact fracture morphology of Al foam （a），（b），（c） fracture of hole wall；（d），（e），（f）fracture in hole

3 结论

（1）制备参数对填充力学性能有不同的影响，填充间隙越小，薄壁管和泡沫铝之间的相互作用越明显；黏结方式对填充管性能影响不大；填充管壁厚较小时，填充管的应力曲线更平缓，吸能过程更加稳定。

（2）在准静态压缩过程中，填充管中的泡沫铝与薄壁管相互作用明显，填充泡沫铝降低了最大应力降，并减少了应力波动，吸能过程更加平稳，在压缩应变为60%时，填充管的吸能量较泡沫铝和薄壁管之和提升了22%，填充管在压缩过程具有更加优异的力学与吸能性能。

（3）在低速冲击过程中，填充管的平均载荷高于泡沫铝与薄壁管的平均载荷，填充管的载荷-位移曲线比泡沫铝与薄壁管载荷-位移曲线更平稳，并且吸收相同能量时，填充管位移最小，说明填充管在冲击过程中的力学性能更好且吸能过程更加稳定。

（4）通过对薄壁管、填充管的压缩断口SEM微观分析，填充泡沫铝改变了薄壁管的变形模式，两者之间的相互作用非常明显。通过对填充管芯材的SEM分析，在冲击过程中产生剪切力的作用，萌生微裂纹，最终导致泡沫铝芯溃散与失效。