CN105398123A - 基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板 - Google Patents

基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板 Download PDF

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Abstract

基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，它涉及一种夹层缓冲板。本发明的是为了解决普通泡沫铝三明治夹层板承载能力和吸能能力较低的缺点。基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为5-20mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为铝基复合泡沫材料，所述铝基复合泡沫材料的孔径为80μm-150μm。本发明的铝基复合泡沫材料屈服强度介于40～120MPa之间，其屈服强度可通过改变基体属性、内部空心微球尺寸而自行设计调节，具有抗压承载能力高、吸能性能好、轻质和低密度等优点。本发明属于三明治夹层缓冲板的制备领域。

Description

基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板
技术领域
本发明涉及一种夹层缓冲板。
背景技术
轻质吸能材料抵抗***冲击荷载对结构的作用是当前防护工程领域的热点研究课题之一。泡沫铝是一种人工制备的多孔金属材料，具有低密度、轻质量、高比强度、高比刚度以及良好的缓冲吸能特性，是近些年来备受关注的新型结构与功能材料。泡沫金属材料在***、高速撞击等荷载作用下显示出良好的塑形大变形能力，能够有效吸收***冲击产生的能量。由于普通泡沫铝自身承载力较低，不能单独作为承载结构使用，工程上多将泡沫铝和钢板制成三明治夹层板结构。
虽然普通泡沫铝具有质量轻、抗冲击性能强的特点，但是普通泡沫铝对拉力、压力、弯矩、扭矩等载荷的抵抗能力比较差，容易发生断裂而破坏，制备成泡沫铝三明治夹层板结构的承载能力较低、吸能效果也较为有限。普通泡沫铝屈服强度一般不高于10MPa。
发明内容
本发明的目的是为了解决普通泡沫铝三明治夹层板承载能力和吸能能力较低的缺点，提供了一种基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板。
基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为5-20mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为铝基复合泡沫材料，所述铝基复合泡沫材料的孔径为80μm-150μm。
所述铝基复合泡沫材料的型号为1199Al，所述前面板和后面板的材料为Q235级钢板。
本发明的铝基复合泡沫材料屈服强度介于40～120MPa之间，其屈服强度可通过改变基体属性、内部空心微球尺寸而自行设计调节，具有抗压承载能力高、吸能性能好、轻质和低密度等优点，更适用于***、强冲击等高应变率载荷作用的服役环境。将铝基复合泡沫材料制备成铝基复合泡沫三明治夹层板结构，将取得数倍于普通泡沫铝三明治夹层板结构的吸能效果。
附图说明
图1是实验一中试件编号SP-1的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板的照片；
图2是实验一中一级轻气炮实验的原理示意图，图中1表示高压气室，2表示泡沫铝子弹，3表示发射管，4表示靶室，5表示靶架，6表示高速照相机；
图3是实验一中编号SP-1的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板的变形侧视图、前面板变形的俯视图及后面板变形的俯视图，图中a表示变形侧视图，b表示前面板变形的俯视图，c表示后面板变形的俯视图；
图4是实验一中编号SP-2的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板的变形侧视图、前面板变形的俯视图及后面板变形的俯视图，图中a表示变形侧视图，b表示前面板变形的俯视图，c表示后面板变形的俯视图；
图5是实验一中编号SP-3的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板的变形侧视图、前面板变形的俯视图及后面板变形的俯视图，图中a表示变形侧视图，b表示前面板变形的俯视图，c表示后面板变形的俯视图；
图6是实验一中编号SP-4的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板的变形侧视图、前面板变形的俯视图及后面板变形的俯视图，图中a表示变形侧视图，b表示前面板变形的俯视图，c表示后面板变形的俯视图；
图7是实验一中编号SP-5的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板的变形侧视图、前面板变形的俯视图及后面板变形的俯视图，图中a表示变形侧视图，b表示前面板变形的俯视图，c表示后面板变形的俯视图；
图8是实验一中编号ST的三明治夹层缓冲板的变形侧视图、前面板变形的俯视图及后面板变形的俯视图，图中a表示变形侧视图，b表示前面板变形的俯视图，c表示后面板变形的俯视图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为5-20mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为铝基复合泡沫材料，所述铝基复合泡沫材料的孔径为80μm-150μm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述铝基复合泡沫材料的型号为1199Al，所述前面板和后面板的材料为Q235级钢板。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是所述芯层厚度为10mm。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述芯层厚度为15mm。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述芯层厚度为20mm。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述铝基复合泡沫材料的孔径为90μm。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是所述铝基复合泡沫材料的孔径为100μm。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是所述铝基复合泡沫材料的孔径为110μm。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是所述铝基复合泡沫材料的孔径为120μm。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是所述铝基复合泡沫材料的孔径为130μm-140μm。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
试件编号SP-1的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为5mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为1199Al，所述1199Al的孔径为150μm。
试件编号SP-2的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为10mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为1199Al，所述1199Al的孔径为150μm。
试件编号SP-3的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为20mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为1199Al，所述1199Al的孔径为150μm。
试件编号SP-4的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为10mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为1199Al，所述1199Al的孔径为80μm。
试件编号SP-5的基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为15mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为泡沫铝，所述泡沫铝的孔径为150μm。
试件编号ST的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为2.5mm，芯层厚度为2.5mm，后面板厚度为2.5mm，所述前面板、芯层和后面板材料为钢板。
将本实验中的试件编号为SP-1、SP-2、SP-3、SP-4、SP-5、ST的三明治夹层缓冲板进行高速撞击实验。
实验在哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击实验室中心完成，冲击荷载由一级高压空气炮高速驱动泡沫铝子弹获得，从而模拟类似***作用的矩形脉冲荷载。高速运动的泡沫铝子弹冲出管道后经由激光测速仪测量其初始速度，随后泡沫铝子弹冲入靶室冲击目标夹层板，夹层板的动态变形失效过程由高速照相机进行记录，一级轻气炮实验装置及原理如图2所示。
高速撞击实验中，用于施加脉冲荷载的泡沫铝子弹由北京金艾伯特泡沫金属有限公司提供，泡沫子弹长度为60mm，直径为40mm，质量为64g，弹性模量为0.427，泊松比为0.24，密度为842kg/m3，屈服强度5.8MPa，子弹发射速度为150m/s。夹层板及主要材料的参数如表1所示，其中，基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板为截面尺寸为200×200mm的矩形板，前面板和后面板材料为Q235级钢板，钢板厚度分别表示为tf、tb，芯层泡沫金属厚度表示为tc，面板和芯层通过强力胶粘结在一起共同工作，实验数据如下表：
表1
高速撞击实验后，高速摄影机拍摄到夹层板试件最终变形侧视图以及前、后面板变形的俯视图如图3-图7所示。可以看出，在泡沫铝子弹高速撞击作用下，夹层板中心发生了明显的凹陷变形，整体变形呈穹形，试件变形与失效的主要特征如下：(1)芯层为铝基复合泡沫材料的试件，随着芯层厚度的增加，前板局部凹陷程度逐渐减弱，弹坑深度和范围逐渐减小，说明芯层厚度增大能够有效吸收冲击能量，减小夹层板结构的凹陷变形；(2)具有相同的前、后面板厚度以及芯层厚度相同的铝基复合泡沫夹层板试件，当芯层材料屈服强度不同时，芯层铝基复合泡沫强度越高夹层板的抗冲击能力越大；(3)实验结果表明，铝基复合泡沫芯层的夹层板抗冲击性能优于普通泡沫铝夹层板，而普通泡沫铝夹层板抗冲击性能优于实心钢板。
夹层板前、后面板中心最大变形值如表2所示：
通过对夹层板中心凹陷深度的测量可获取夹层板结构前后板的变形情况。表2为夹层板试件各个面板变形值实测结果。芯层为铝基复合泡沫材料的夹层板，随着芯层厚度的增大，试件整体变形减小。其中，对于芯层为同种材质的试件SP-1和SP-2，其后板变形均大于前板变形，说明夹层板前板凹陷同时，还发生了一定程度的弯曲变形；对于芯层厚度相同，芯层材质不同的试件SP-2和SP-4，由于SP-4芯层材料压缩屈服强度较高，其前、后板变形值均小于SP-2，说明夹层板的吸能效应更好；实心钢板试件ST的变形远大于其他试件，说明夹层板相比实心钢板具有更优异的抗冲击吸能能力。
表2
综上，在泡沫铝子弹高速撞击下，铝基复合泡沫三明治夹层板与普通泡沫铝夹层板相比，其中心点挠度值有了大幅度的下降，证明了该种结构有着良好的防护性能，可以作为一种新型的结构构件发挥防护吸能作用。

Claims (10)

1.基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板由前面板、芯层和后面板构成，所述前面板厚度为0.8mm，芯层厚度为5-20mm，后面板厚度为0.8mm，所述芯层材料为铝基复合泡沫材料，所述铝基复合泡沫材料的孔径为80μm-150μm。
2.根据权利要求1所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述铝基复合泡沫材料的型号为1199Al，所述前面板和后面板的材料为Q235级钢板。
3.根据权利要求1或2所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述芯层厚度为10mm。
4.根据权利要求1或2所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述芯层厚度为15mm。
5.根据权利要求1或2所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述芯层厚度为20mm。
6.根据权利要求1或2所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述铝基复合泡沫材料的孔径为90μm。
7.根据权利要求1或2所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述铝基复合泡沫材料的孔径为100μm。
8.根据权利要求1或2所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述铝基复合泡沫材料的孔径为110μm。
9.根据权利要求1或2所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述铝基复合泡沫材料的孔径为120μm。
10.根据权利要求1或2所述基于铝基复合泡沫材料的三明治夹层缓冲板，其特征在于所述铝基复合泡沫材料的孔径为130μm-140μm。
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