七、闭孔泡沫铝及其夹芯结构的高温力学行为研究

泡沫金属的高温力学性能

泡沫金属材料由于其优异的力学、热学、电磁学和声学性能而在航空航天、海洋船舶、汽车工程等领域有广泛的应用。目前，对泡沫金属力学行为的研究大多都集中在常温条件下，高温环境中泡沫金属的力学性能研究较为少见且局限于准静态单轴加载性能或者蠕变行为。泡沫金属在隔热、包装、缓冲吸能等领域的优势使其在高温高压等极端环境中,如在蒸发冷却式火箭喷管中,在蒸汽和燃气轮机的燃烧室中，以及飞机排气口的热防护装置中都有巨大的应用前景。因此,研究泡沫金属在高温下的力学性能，对深入了解泡沫金属力学行为以及扩展其应用范围有着重要意义。

Nieves等人研究结果表明，Duocell开孔泡沫铝合金的屈服强度随着温度的升高而下降,材料在高温下产生较大的塑性变形并最终塑性破坏，而在低温下主要产生脆性破坏。Hakamada等人通过对闭孔泡沫铝及其基体材料在温度范573K~773K内进行准静态压缩试验研究发现，ALPORAS闭孔泡沫铝在高温下的变形机制与其基体材料的变形机制本质上是相同的。Aly通过对ALPORAS闭孔泡沫铝进行了常温和高温下的压缩实验来研究泡沫密度和实验温度的影响。结果发现，胞壁屈曲是ALPORAS泡沫铝主要的变形机制，增大密度对泡沫金属力学性能的影响与升高实验温度对其力学性能的影响刚好相反。Cady等人对ALPORAS泡沫铝在不同应变率(0.001/s~1800/s),低温条件(77K~295K)下的力学性能进行了研究。结果表明，ALPORAS闭孔泡沫铝的力学性能对温度具有很强的依赖性，但是高应变率时结果离散性太大。

泡沫金属材料及其复合结构在临近空间的复杂服役环境中常同时经受冲击载荷和热载荷的作用，使得泡沫金属材料在不同温度下的变形特性更加复杂，考虑到近空间飞行器的温度环境,迫切需要将对泡沫金属准静态和动态力学行为的研究从室温扩展到高温，探索适用于低密度多孔材料的高温力学行为测试技术，开展对泡沫金属材料在不同温度、不同加载速率下的变形和破坏行为以及冲击吸能性能的实验研究，建立描述材料性能与温度以及相对密度、应变率等其它材料和环境参数关系的数学模型，为泡沫金属复合结构的多功能优化设计提供依据。

泡沫金属材料具有较高的比刚度和比强度,并且具有良好的吸能、隔音和隔热性能，特别是它的能量吸收效率远高于其基体材料。但从构件的强度、吸能和维护等方面综合考虑，单纯的泡沫金属无法作为结构构件,通常要与传统的致密金属组成复合构件才能实现在一定载荷下的最佳力学性能，多数情况下是作为薄壁夹芯结构的芯材。

19世纪苏格兰工程师Sir William Fairbairn(1849年)最早提出夹层结构设计思想,采用两层面板材料和一层芯层材料组成多层夹芯结构。第二次世界大战中的“Mosquito"”战斗机被当作是夹芯结构的第-次重大的成功应用。从那以后，夹芯结构优异的性能得到广泛的重视，在一些对结构性能要求严格的领域，比如建筑、汽车、船舶、航空航天等得到了广泛的应用：在许多非结构应用领域，如缓冲吸能、保温、隔音、电磁屏蔽等也得到了越来越多的应用。而夹芯结构的制备工艺也得到迅速提高。对泡沫金属夹芯结构力学行为的分析和结构设计也已有大量研究工作,泡沫金属复合结构最常见的结构是夹芯梁和夹芯板，本文对夹芯梁结构和夹芯板结构分别讨论。