空心球铝合金复合材料动态压缩性能与损伤破碎特性

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1、第２７卷第３期高压物理学报Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．３２０１３年６月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＩＧＨＰＲＥＳＳＵＲＥＰＨＹＳＩＣＳＪｕｎｅ，２０１３文章编号：１０００－５７７３（２０１３）０３－０４３９－０８空心球／铝合金复合材料动态＊压缩性能与损伤破碎特性王少恒，杨震琦，管公顺，庞宝君，陈海波（哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨１５００８０）摘要：采用压力浸渗法制备空心球／铝合金复合材料，并利用分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆（ＳＨＰＢ）对其进行动态压缩实验。利用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察动态压缩后回收样品的显微结构，重点分析动态压缩后复合材料内部

2、脆性空心球的微观损伤破碎模式。用ＬＳ－ＤＹＮＡ显式有限元软件对复合材料单胞模型动态压缩过程进行数值模拟，重现了内部空心球的损伤演化与破碎过程。结果表明，空心球／铝合金复合材料应力－应变曲线表现出明显的多孔介质压缩特征，即可划分为弹性、塑性崩塌和致密化３个变形阶段；随着压缩量的增大，材料内空心球损伤破碎模式由沿经线劈裂状裂纹逐渐过渡到在赤道方向的破碎，并最终崩塌。关键词：动态损伤破碎；分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆实验；铝基复合材料中图分类号：Ｏ３４７．３；Ｏ３４６．１文献标识码：Ａ１引言空心球／铝合金复合材料是一种新型的铝基结构功能材料。其中空心球增强体

3、是由电厂排出的煤灰废料粉中提取出来的微球形颗粒，具有轻质、形状规则、内部中空等特点。这种复合材料主要利用筛选出的球形颗粒作为填充项，通过一定的制备工艺，如粉末冶金法、搅拌铸造法和压力浸润法，将其与轻合金基体结合制成。空心球／铝合金复合材料与传统的泡沫铝合金相比，具有低成本、低密度、高强度、［１］高阻尼、耐磨性好，更高的冲击能量吸收率等特性。因此这种材料在国防、航空航天、交通运输等工程领域有着广阔的应用前景。作为一种极具潜力的新型材料，其宏观力学性能得到了国内外的广泛关注。［２］Ｂａｌｃｈ通过比较不同热处理状态的纯铝基体和７０７５铝合金基体陶瓷空心球复合

4、材料的准静态与动态压［３］缩实验结果指出，空心球／铝合金复合材料的应变率与宏观塑性变形主要由铝合金基体决定；Ｏｌｉｖｉｅｒ利用［４］实验与有限元分析的方法研究了在５００℃环境下复合材料的蠕变特性；Ｍｏｎｄａｌ讨论了中低应变率范围内（１０－２１－１）空心球的体积掺量与压缩响应的关系，发现在复合材料的相对密度小于０．１时，应～１０ｓ［５－６］变率强化效应可以忽略；武高辉等系统地分析了空心球／纯铝复合材料的压缩、吸能减震及电磁屏蔽等性能。目前，国内外对这类复合材料的研究主要集中在分析其宏观力学性能，而对于复合材料内部空心球在压缩过程中损伤破碎的研究相对较少。

5、本研究首先利用ＬＣ４硬铝合金ＳＨＰＢ设备，研究空心球／２０２４Ａｌ合金复合材料在１０００～４０００ｓ－１应变率范围内的动态应力－应变关系；然后基于扫描电子显微镜（ＳＥＭ）显微照片分析在不同应变率压缩下，复合材料空心球增强体的动态破碎模式；最后利用ＬＳ－ＤＹＮＡ显式有限元模拟软件结合微观照片分析，再现了空心球／２０２４Ａｌ合金复合材料的微观损伤破碎过程，通过对失效单元的应力三轴度分析，明确了失效单元在压缩过程中的受力状态。＊收稿日期：２０１１－０３－２２；修回日期：２０１１－０４－０９基金项目：国家空间碎片专题研究项目（ＫＪＳＰ０６２１１）作者简介：王少

6、恒（１９８７—），男，硕士，主要从事材料动力学行为及应力波传播研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｓｈ８７０５１０＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ万试屋–材料测试仪器方法资源小站blog.163.com/test_house–Email:test_hosue@163.com４４０高压物理学报第２７卷２样品制备及实验方案２．１样品制备复合材料中飞灰空心球的主要成分如表１，铝合金基体材料选用２０２４Ａｌ合金。表１空心球化学组分Ｔａｂｌｅ１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｈｏｌｌｏｗｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ（％）Ａｌ２Ｏ３ＳｉＯ２Ｋ２ＯＦｅ２Ｏ３ＭｇＯＴｉＯ２Ｎ２ＯＣａＯ２６．

7、０７５８．８３６．２６３．６４１．５７１．０３０．７４０．７０本研究中飞灰空心球／２０２４Ａｌ合金复合材料［５］采用压力浸渗的方法制备而成。其制备的工艺流程为：首先将空心球颗粒搅拌均匀并预制成块，将空心球预制块装入模具。然后将模具和预制块一同预热至设定温度（６００～６５０℃），同时将铝合金加热融化并保持适当温度（７００～８００℃），以备浇注。最后将液态铝合金浇入磨具，并施加压力，铝液在压力的作用下自上而下渗入预制块直至冷却凝固，制得空心球／铝合金复合材料。图１为空心球／２０２４Ａｌ合金复合材料的ＳＥＭ微观组织显微照片，由图可见，空心球增强体分布均匀，组

8、织中微空洞与缺陷较少。图１空心球／铝合金基体复合材料微观结构２．２实验方案Ｆｉｇ．１Ｍｉｃｒｏ