闭孔泡沫铝的力学性能

为了更有效的利用泡沫铝的吸能、缓冲、承载功能，需要对泡沫铝的力学行为进行深入研究。影响泡沫金属的力学行为的因素可以分为两类：一类因素反映出泡沫金属结构的参数，如泡孔的形状和大小、泡沫金属的相对密度；另二类则是泡沫金属的基体材料同有的材料特性，比如密度、杨氏模量、屈服强度、断裂强度、热传导系数、热膨胀系数、比热等参数。

(1)闭孔泡沫铝的静态力学性能

泡沫材料细观形貌的复杂性，使得对于泡沫材料无法像对蜂窝材料那样进行精确分析，通常采用量纲分析的方法。也就是选取某种适当几何形状的胞体单元模型，分析其力学性质同相对密度、基体材料常数的关系。这种关系只是按照量级估计的，表达式中保留有一些待定常数，而这些待定常数通常需要通过实验测定。实践证明，这种量纲分析的结果只依赖于假定的变形模式，对选取的胞体模型不敏感。关于泡沫铝力学性能的描述，Gibson和Ashby所做的大量工作具有指导意义。他们在总结前人的研究成果的基础上，结合自己的研究成果，对泡沫材料力学性能进行了较为全面、细致的阐述。

Gibson和Ashby认为泡沫材料分成三种，即弹性体泡沫(如泡沫橡胶等)、弹塑性泡沫(如泡沫金属等)以及脆性泡沫(如泡沫陶瓷等)。也就是说泡沫铝属于弹塑性泡沫，采用正立方体胞体模型来描述泡沫材料，对于闭孔泡沫材料，弹性变形模式是受棱杆的弹性屈曲与封闭胞壁的延展的影响。由此得-+到泡沫材料的模量和相对密度的关系为：

E°/E_s=C₁φ²（ρ°/ρ_s）²+Cˊ₁（1-φ）（ρ°/ρ_s）           (2-22)

式中，E°为泡沫铝的样式模量，E_s为泡沫铝基体材料的杨氏模量，p°为泡沫铝的密度，ρ_s为泡沫铝基体的密度，φ为表征泡孔结构的参数，O≤φ≤10，C₁，Cˊ₁为常数。Gibson和Ashby通过对大量的实验数据的分析和拟合得：

C₁≈Cˊ₁≈1                                       (2-23)

当应变继续增大，进入屈服平台段后，对于低密度弹性泡沫铝，通常的变形模式是胞壁或棱杆的弹性屈曲，按照杆的弹性屈曲理论可以求出相应的临界应力为：

σ^o_ys /σ_ys≈0.05（ρ^o/ρ_s）                (2-24)

对于密度较高的弹塑性泡沫，由于胞壁或棱杆较厚，在发生可能的屈曲之前材料已经进入塑性，于是其失效主要由塑性坍塌机制所控制。这时塑性极限载荷与基体材料的屈服应力有关，极限载荷可表示为：

σ^o_ys /σ_ys≈0.3[φ（ρ^o/ρ_s）]^3/2 + （1-φ）（ρ^o/ρ_s）       (2-25)

最后材料进入压实段，并给出了初始压实应变为：

σ_d=1-1.4（ρ^o/ρ_s）                           (2-26)

以上关系都成之为Ashby-Gibson关系，经常被应用于泡沫铝的力学性能的研究。

(2)闭孔泡沫铝的动态力学性能

闭孔泡沫铝作为冲击吸能和防护材料，仅仅准静态条件下的力学性能和吸能性并不能作为评价泡沫材料在冲击条件下吸能性和进行防护设计的依据，因为在冲击条件下，随着加载或变形速度的提高，泡沫铝的变形机制、应力一应变响应都将发生变化，强度随之上升，即产生所谓的应变率效应，因此，要求不仅要了解泡沫铝的静态力学性能，还要了解其动态力学性能。

闭孔泡沫铝在动态力学性能中也显示出了典型的变形三阶段：线弹性阶段。塑变崩溃阶段，致密化阶段。线弹性阶段：泡沫铝的线弹性阶段存在于较小的应变范围内，一般ε<0.05,此区间内应力-应变为直线，直线的斜率为泡沫铝的表观杨氏模量。平台区泡沫铝的崩溃是按下述机理进行的：由于多孔材料中组织的不均匀性，必然导致塑性变形的不同时性。材料破坏首先出现在最弱的孔洞处，导致含有此孔洞且与外力垂直的平面内产生应力集中，破坏随后在此层中扩展，而此时其余的孔洞仍处于弹性变形阶段。由于此层孔洞的压实，作用在此层上的应力暂时得到释放，但随应变的增加，此压实层上、下两层未破坏的孔洞重新相互接触，破坏在新的层内进行并重复上述过程，使材料逐层被压实。根据Ashby和Gibson的开孔泡沫模型可推知：

σ_f/σ_s∝（t/l）³                                   (2-27)

式中：σ_f，σ_s分别为泡沫铝和固体铝的强度。由于在整个泡沫铝样品中，孔洞大小、分布比较均匀，可认为t/l为一常量，故σ_f为一常量，在应力-应变曲线上呈现平台区。致密化阶段：当泡沫铝中几乎所有的“孔洞”都被压垮，以致于胞壁相互接触时，进一步的应变越来越多地由基体材料本身所提供，从而产生加工硬化现象，导致压缩应力随应变的增加而急剧增高。