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樹脂-泡沫鋁復(fù)合材料制備及性能研究（七）

1.4高分子聚合物/泡沫鋁復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外許多學(xué)者將高分子聚合物以涂覆、填充等方式與泡沫鋁材料結(jié)合制成一種具有多種優(yōu)點(diǎn)的互穿相復(fù)合材料，并研究了復(fù)合材料的壓縮、彎曲、防爆、抗沖擊等性能。

于英華將松香、環(huán)氧樹脂、納米蒙脫土改性環(huán)氧樹脂注入泡沫鋁中形成三種互穿相復(fù)合結(jié)構(gòu)，測試了壓縮與擺錘沖擊力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)加入高分子聚合物后形成的互穿相結(jié)構(gòu)相比單獨(dú)的泡沫鋁其力學(xué)性能均有所提高，其中納米蒙脫土改性環(huán)氧樹脂的加入使得復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提高最為顯著。邵旭東制備了泡沫鋁孔洞直徑分別為5 mm和10mm,空心玻璃微珠質(zhì)量比為0%、1%、2%、3%、4%、5%的環(huán)氧樹脂泡沫鋁互穿相復(fù)合材料，通過落錘沖擊試驗(yàn)分析了不同玻璃微珠質(zhì)量比的載荷-時(shí)間曲線和能量-時(shí)間曲線，發(fā)現(xiàn)3%和4%的玻璃微珠質(zhì)量比的互穿相復(fù)合材料有最好的抗沖擊性能，在落錘沖擊后的損壞程度也最小。

余為對(duì)空心玻璃微珠(HGB)含量為10%和20%的環(huán)氧樹脂(EP)-泡沫鋁互穿相復(fù)合材料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，分析其破壞形貌，力學(xué)性能以及能量吸收性能。發(fā)現(xiàn)空心玻璃微珠(HGB)的加入會(huì)使彈性模量和屈服極限比相對(duì)于環(huán)氧樹脂(EP)-泡沫鋁材料有所降低，填充了環(huán)氧樹脂(EP)的泡沫鋁材料發(fā)生了明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，應(yīng)力松弛率隨著空心玻璃微珠(HGB)含量的增大而增大。齊明思對(duì)聚氨酯填充的泡沫鋁塊進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，分析了聚氨酯含量和泡沫鋁孔隙率對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)泡沫鋁孔隙率確定時(shí)，聚氨酯含量上升可以使互穿相復(fù)合材料的壓縮性能和吸收能量性能得到了提高，而當(dāng)聚氨酯含量確定時(shí)，提高泡沫鋁的孔隙率會(huì)使其壓縮性能和能量吸收性能降低。

宋玉環(huán)研究了聚氨酯、蜂窩鋁、聚氨酯-蜂窩鋁復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了分析，結(jié)果表明曲線分為彈性階段，屈服階段，致密化階段。蜂窩鋁的格柵作用減少了聚氨酯的橫向變形和變形回復(fù)，聚氨酯的存在減少了蜂窩鋁的彎曲變形，使得復(fù)合材料在較大的應(yīng)力下才屈服失效。對(duì)蜂窩鋁的孔徑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)小孔徑的聚氨酯-蜂窩鋁復(fù)合材料的格柵作用、初始剛度、吸能效率要高于大孔徑復(fù)合材料。辛亞軍研究了環(huán)氧樹脂-泡沫鋁復(fù)合材料和環(huán)氧樹脂-蜂窩鋁復(fù)合材料的壓縮、彎曲、沖擊等性能。通過對(duì)環(huán)氧樹脂-泡沫鋁復(fù)合材料的壓縮和彎曲力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性，其抗壓強(qiáng)度、能量吸收能力也較強(qiáng)，復(fù)合層和芯體之間也沒有分離。通過對(duì)環(huán)氧樹脂-泡沫鋁復(fù)合材料的局部壓縮性能的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合層厚度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響較大，復(fù)合層厚度在2 mm左右為最佳厚度。通過對(duì)環(huán)氧樹脂-泡沫鋁復(fù)合材料的落錘沖擊性能的研究發(fā)現(xiàn)，沖頭類型對(duì)能量吸收性能的影響不大，增加復(fù)合層厚度對(duì)吸能效果和峰值荷載影響較小。張勇研究了聚氨酯泡沫鋁和混凝土在不同組合情況下的抗爆炸能力，從爆炸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)聚氨酯泡沫鋁比泡沫鋁在爆炸試驗(yàn)中吸收了更高的能量，聚氨酯泡沫鋁的厚度增加1倍，可以使吸能效果增加50%。從數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，聚氨酯泡沫鋁層厚度是決定復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆炸能力的重要因素。

Tilbrook M T通過多級(jí)滲透工藝制備了均勻和梯度兩種泡沫鋁-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并分析其在單調(diào)載荷和循環(huán)載荷作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在單調(diào)載荷作用下，由于裂紋尖端后橋接區(qū)的發(fā)展，均質(zhì)復(fù)合材料試件出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展增韌現(xiàn)象。在循環(huán)加載下，裂紋擴(kuò)展阻力也有類似的增加。Dukhan N通過注射成型工藝使用聚丙烯填充開孔泡沫鋁。制備成三種每厘米4、8和16個(gè)孔的線性孔密度的復(fù)合材料，并測試了彎曲模量、彎曲強(qiáng)度和剛度。通過比較表明，復(fù)合材料比單獨(dú)的泡沫鋁或聚丙烯更堅(jiān)硬，復(fù)合材料的剛度隨著孔徑的減小而增大，較小的孔隙尺寸可以使試樣上有更多的泡沫鋁孔，從而增加了復(fù)合材料的彎曲剛度。Fan Z制備了泡沫鋁-硬質(zhì)聚氨酯泡沫互穿相復(fù)合材料，并分析其在不同應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的應(yīng)變率敏感性主要由硬質(zhì)聚氨酯引起，而變形機(jī)制仍以泡沫鋁骨架為主，由于動(dòng)態(tài)壓縮性的降低泡沫鋁骨架在高應(yīng)變率下呈現(xiàn)較低的總能量吸收規(guī)律。與固體聚合物和泡沫鋁組成的復(fù)合材料相比，泡沫鋁-硬質(zhì)聚氨酯泡沫復(fù)合材料的壓縮性能、力學(xué)性能和應(yīng)變率敏感性要更高，更高的應(yīng)變率敏感性使得動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)復(fù)合材料的耗能增加了13.8%。并提出了一種改進(jìn)的本構(gòu)模型來捕捉預(yù)制復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

Liu S使用不同體積分?jǐn)?shù)的泡沫鋁制備了三種泡沫鋁(AF)/聚氨酯(PU)互穿相復(fù)合材料，并進(jìn)行了壓縮和循環(huán)壓縮試驗(yàn)對(duì)其力學(xué)行為進(jìn)行研究。通過壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AF/PU復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著鋁體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。通過循環(huán)壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泡沫鋁骨架和聚氨酯的彈性變形可以造成AF/PU復(fù)合材料的可恢復(fù)變形現(xiàn)象。同時(shí)建立了AF/PU復(fù)合材料的單調(diào)應(yīng)力-應(yīng)變模型和循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變模型，通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，證實(shí)了模型的有效性。Bao H通過把聚氨酯填充到球形泡沫鋁中制成球形泡沫鋁-聚氨酯復(fù)合材料(SCPA-PU復(fù)合材料),并進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)SCPA-PU復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個(gè)階段：線彈性段、塑性平臺(tái)段和致密區(qū)。提高泡沫鋁的相對(duì)密度可以提高SCPA-PU復(fù)合材料的平臺(tái)應(yīng)力和致密應(yīng)變能。同時(shí)基于試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了三種模型在SCPA-PU復(fù)合材料本構(gòu)方程中的適用情況。