闭孔泡沫铝夹芯板交通运输抗冲击性能研究（6）

泡沫材料夹心结构的研究现状

泡沫材料是包含大量孔洞的多功能材料,孔隙率一般为40%~90%泡沫铝具有密度小、吸能缓冲能力强、消声性能好等特点，但在实际应用中相对致密板材而言，泡沫材料的模量较低，表面粗糙，不能单独作为结构材料使用，因而其应用受到了限制。将泡沫材料和其他板材结合起来组成复合材料使用，即以泡沫材料作为芯体的夹层板，夹芯板结构就是由金属面板与泡沫芯体构成的所谓的三明治结构，该结构的特点是轻质、高比刚度，并具有良好的减振、吸能性能，在充分发挥泡沫铝材料自身特点的同时解决了其强度低的问题，从而发挥泡沫材料的优点，因其具有的优势，越来越受到研究者的重视，在汽车、航天、航空、海洋等领域有广泛的应用前景。

目前对以泡沫铝为内衬材料的夹芯板的研究主要集中在静态、动态力学性能以及应变率对各力学性能及吸能效率的影响和微观机理探讨等方面。泡沫铝夹心结构主要有夹层矩形梁、圆柱体、正方柱体。夹心结构的力学行为主要取决于表层和芯体材料的性能和几何因素。在泡沫材料的结构中，目前研究最多的是泡沫铝夹心梁。Harte和Fleck等通过四点弯曲实验研究了相对密度为0.11的泡沫铝合金夹芯梁的失效模式，并给出了基于夹芯板的几何尺寸的失效模式图。他们发现主要有三种破坏模式：表面屈服、芯层剪切和加载头的压入破坏。

泡沫材料夹心板和夹心柱体的吸能研究相对较少。泡沫材料作为金属管的内填充物，对吸能性能的影响首先集中在对泡沫的研究上。研究者们发现泡沫填充比单纯的增加管壁的厚度更能提高结构的能量吸收能力。Wierzbicki等首先研究了六边形胞元的蜂窝结构的高聚物泡沫填充圆柱的坍塌行为。Reddy和Hall还发现在薄壁圆筒中填充高聚物泡沫能有效抑制不规则的屈服而促进更对称的、稳定的屈服发展。随着泡沫金属材料的发展，在很多领域，泡沫金属材料正逐渐替代原有的高分子泡沫材料。Prakash O 等很多学者对金属泡沫材料的弹性模量、压缩强度等力学性能也进行了测定。J.L.Yu等人对泡沫铝夹芯板的动态加载的变形和失效机理进行了研究，未发现应变率敏感性。G.Reyes Villanueva等人对以纤维-铝板多层薄板为面板、以泡沫铝为夹心的复合材料进行了高速冲击响应实验研究指出高速冲击下该体系有很好的能量吸收特性。Uday K. Vaidya等人研究了多种高聚物-泡沫铝夹层板的冲击响应，得出泡沫铝复合板的抗击低速和中速冲击的性能是最佳的。美国正在研究一种新颖的复合装甲，其中最重要的优化就是采用闭孔泡沫铝层来替代陶瓷层和复合背板之间的橡皮层，从而既提高了抗冲击破坏能力又加强了复合装甲的整体刚度。正是因为泡沫铝夹芯板的特殊性能,近几年来，对泡沫铝芯体夹层材料的研究成为国内外热点。其中，国外对泡沫铝芯体夹层结构性能进行了比较系统研究。同时对于壳板为钢板、铝板、玻璃纤维,芯体为泡沫铝或PVC的多层板材的抗弯曲和剪切性能都进行过研究。国内部分学者对泡沫铝填充圆筒的力学性能进行了研究，但对于泡沫金属夹层板抗冲击力学性能的研究还不多见。

泡沫材料夹心结构在工业生产领域里也有广泛的应用前景。泡沫材料夹芯结构件是未来汽车防护装置的主要用材。汽车的轻质刚性结构采用泡沫材料与三明治式复合泡沫铝材制造盖板、卡车盖与滑动项板等可减轻重量与提高刚度。德国卡曼汽车公司与夫雷霍弗研究所合作用的三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车顶盖板，其刚度比原来的构件的大7倍左右，而其质量却比原来的构件的小25%。此外，还有更高的吸收冲击能与声能的效果。以AFS (Aluminum Foam Sandwich)制造的汽车的某些零件质量只有原构件质量的1/2,而其刚度却为原构件的10倍。保温绝热性能比铝的好1倍，对频率大于800Hz的噪声有很强的消声能力,还是一种热稳定的不可燃性的材料，也是一种抗破坏耐用材料,并可以完全回收。根据卡曼的经验，采用AFS构件，汽车构件的刚度得到加强。如罩与横壁板也是AFS元件，可使构架稳定性上升30%。据测算,约有20%的汽车车身结构件可用AFS材料制造，一辆中型的轿车用APS材料制造的零件可减重27.2kg左右，节油率大大提高；另外，还可相应地降低环境污染。采用AFS材料制造汽车零部件，结构系统得到简化，安全性能得到显著提高。加拿大铝业公司制造的泡沫铝正在原型汽车中作评估试验。由欧洲一些大的汽车公司如大众汽车公司、宝马汽车公司、欧宝汽车公司、菲亚特汽车公司、雷诺汽车公司、戴姆勒-奔驰汽车公司与研究单位、大专院校制定的BE (Brite Euram program)计划正对一系列的吸能减震材料诸如泡沫铝、泡沫塑料、泡沫矿物材料、铝蜂窝结构、塑料纸以及塑料纸管型蜂窝等进行对比评价试验，用它们制造侧面与前部防撞零部件、轴架等。试验主要内容为比较它们的变形与材料厚度的关系，以及吸收的总能量。

目前国内来看对泡沫材料夹心结构的研究尚属于起步阶段，对于泡沫材料的制备技术，力学性能研究还很不成熟，仅仅局限在高校果做一些研究,工程应用背景又很单薄，再加上国外把该领域里的尖端技术列入了保密内容里，所以国内在这方面的研究很艰难，研究成果也不显著，还有待于不断探索。

综上所述，在国内外，尤其是国外，随着人们对多孔泡沫材料应用领域认识的不断深入，人们已对泡沫材料夹芯结构件的吸能性能的研究产生了越.来越浓厚的兴趣。尤其是发达国家都在努力的抢占该研究领域的制高点，从而较迅速的推动了该领域的研究。但从目前的研究现状来看，还存在一些问题。例如在夹心结构中的泡沫材料与致密材料的选择、应变率效应上的分歧、结构的优化，应用范围等，都得需要我们更-步的研究。