钢/铝界面冶金结合泡沫铝夹芯板的制备及其冲击特性研究

In this application, steel-Al foam sandwich panel (AFS) with metallic bonding will be prepared based on a hot-pressed three-layer composite with two steel facesheets and a precursor fabricated by liquidus mixing method as core, then foamed via infrared rapid foaming method. Researches were carried out in terms of the forming mechanisms and impact (blast and penetration) resistance of the AFS prepared. Emphasis is put on the analysis of some fundamental scientific issues such as forming/evolution laws of the interfaces and cell structure within the AFS, and the damage modes and energy attenuation mechanisms of the AFS under impacts..By researching the evolution of cell structure, bonding mechanism of steel-Al interface and the impact characteristics of the AFS, relationship between energy dissipation mechanism/stress wave attenuation behavior and cell structure/bonding patterns of the interfaces within the AFS will be determined, and the deformation process as well as damage modes of the steel-AFS subjected to impact (blast and penetration) can be revealed..This application aims to provide theoretical supports and suitable control approaches for the preparation of steel-AFS with reliable metallurgical bonding strength as well as uniform cell structure and to provide experimental, theoretical and design basis for the application of light-weight steel-Al foam sandwich structures with metallurgical bonding into protective works.

本项申请采用液相混合制备可发泡预制坯、热压复合制备钢/预制坯/钢三明治式复合结构、红外线快速发泡制备钢/铝界面冶金结合的泡沫铝夹芯板，并围绕所制夹芯板的成形机制和抗冲击特性（爆炸、侵彻）展开研究。重点研究泡沫铝夹芯板制备过程中界面和泡沫组织的形成和演化规律、高应变冲击载荷下冲击波的破坏形式和能量衰减机理等基本科学问题。通过研究揭示钢/铝界面冶金结合泡沫铝夹芯板内部芯层泡沫组织的演变方式和钢/铝界面的结合机制，确定高应变载荷下钢/铝复合泡沫铝夹芯结构的抗冲击特性，理清具有冶金结合界面泡沫铝夹芯板的能量耗散机制和冲击波衰减行为与芯层泡沫结构、界面结合方式的相互关系，明确钢/铝界面冶金结合泡沫铝夹芯板的变形/失效模式和动态损伤过程，为制备界面结合强度高、结构均匀的钢/铝复合泡沫铝夹芯板提供理论依据和控制方法，为钢/铝界面冶金结合的轻质三明治结构材料在防护工程上的实际应用提供实验、理论和设计基础。

虽然我国以熔体发泡法解决了大尺寸泡沫铝的制备问题，但作为结构性材料使用时一般需要将泡沫铝与致密的面板结合成三明治结构，从而使面板起到提高强度，芯层的泡沫铝起到吸能、减震等作用。现阶段制备泡沫铝夹芯板主要有机械紧固、胶粘连接等方式，但存在局部应力集中、胶粘剂老化和不耐冲击等问题。因此，为了满足实际的使用要求，制备界面冶金结合的泡沫铝夹心板必然成为一种发展趋势。本项目重点研究了不同成分铝基熔体的热物理性质及其与所选固相颗粒的界面作用机制；研究了不同喷涂方式形成的中间活性层与钢板表面的结合形式及对钢板与预制坯复合的影响；研究了不同材质钢板与铝基泡沫的冶金结合过程和反应机制，以及界面区间的原子扩散和相变过程；研究了发泡剂、固相颗粒对泡沫组织演变过程和泡沫体结构的影响；研究了不同界面结构的钢/铝泡沫夹芯板的抗冲击性能；研究了钢/铝界面冶金结合泡沫铝夹芯板的变形、失效和损毁模式，以及高应变冲击条件下夹芯板的能量耗散机制。通过本项研究以液相法制备出界面冶金结合的钢铝复合泡沫铝夹芯板；查清了钢/铝泡沫界面冶金结合泡沫铝夹芯板的芯层泡沫组织演变方式和钢/铝界面的结合机制；确定了高应变载荷下（爆炸、侵彻）钢/铝界面泡沫铝夹芯板的冲击特性，探明了泡沫铝夹芯板的能量耗散机制和冲击波衰减行为与芯层铝基泡沫组织、孔结构的相互关系；揭示了钢/铝界面泡沫铝夹芯板的变形/失效模式和动态损伤过程，为制备界面结合强度高、芯层结构均匀的钢/铝复合泡沫铝夹芯板提供了理论依据和控制方法。截至2022年底，在项目执行期内发表或已被录用与项目相关的学术论文11篇，其中SCI9篇，EI2篇；获得或申请发明专利6项，其中授权发明专利4项，申请发明专利 2项；培养研究生9名，其中毕业博士生2名，毕业硕士生3名。