高吸能性泡沫铝材料制备基础研究

制造汽车保险杠、坦克复合装甲和航天飞船返回仓等需要高吸能性泡沫铝材料，目前工业化生产的泡沫铝材料基体成分相对固定，或脆性大、或强度低，不能完全满足实际需求。本项目拟使用氧化物颗粒和碳纤维作为泡沫铝的增强剂和稳定剂，消除对基体成分的限制，研制使用高性能铝合金制备泡沫铝，利用复合材料基体的高强度和变形时界面的开裂、滑动特性提高泡沫铝的吸能性能，解决高吸能泡沫铝需要同时具备高孔隙率和高强度这一难题。对制备过程中涉及的泡沫稳定机理这一关键问题进行研究，拟通过试验研究和与水溶液泡沫体系的研究结果进行对比，建立具有一般性的理论数学模型，找出影响泡沫稳定性的主要因素，提出提高泡沫稳定性的方法。针对实际应用时泡沫铝需要在不同应变速率下变形，使用准静态和高速压缩实验研究泡沫铝密度、孔结构和基体成分以及应变速率对其吸能性能的影响规律，建立对实际应用有指导意义的基础理论，形成制备高吸能性泡沫铝材料的技术原型。

制造汽车保险杠、坦克车复合装甲和航天飞船返回仓等需要高吸能性泡沫铝材料，目前工业化生产的泡沫铝材料基体成分相对固定，或脆性大、或强度低，不能完全满足实际需求。本项目使用氧化物颗粒和碳纤维作为泡沫铝的增强剂和稳定剂，消除对基体成分的限制，研制使用高性能铝合金制备泡沫铝，利用复合材料基体的高强度和变形时界面的开裂、滑动特性提高泡沫铝的吸能性能。对制备过程中涉及的泡沫稳定机理这一关键问题进行研究，通过建立理论数学模型表述影响泡沫稳定性各因素间的复杂关系，形成了具有一般性的液态金属泡沫稳定理论，找出了影响泡沫稳定性的主要因素，明确了提高泡沫稳定性的方法。制备出了粉煤灰复合，短碳纤维复合，以及铝合金基等多种高系能性泡沫铝材料，压缩强度最高达到14.5MPa，为目前国内外报道的同密度泡沫铝材料压缩强度最高值。并研究了泡沫铝材料在多种变形条件下的吸能机制，载荷形式包括准静态压缩、高温压缩、落锤冲击载荷、霍普金森压杆高速冲击载荷，以及爆炸冲击载荷等。结果表明，碳纤维复合泡沫铝材料对应变速率有一定的敏感性，即随应变速率的增加，其强度和吸能量也随之增加，这主要与复合材料基体内存在大量界面有关。在爆炸冲击载荷下，冲击波在泡沫铝内迅速衰减，且随泡沫铝厚度和密度的增大，衰减速率增大。在进行基础研究的同时，积极推广研究成果在实际应用的设计和研究，设计研究了泡沫铝/铝管复合吸能结构，并将泡沫铝材料适用于新能源校车防撞模块、导弹运输车防地雷底板等多项实际应用研究。