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客户成果 | 4D CT研究泡沫铝的力学和吸能性能

发布：天津三英精密仪器股份有限公司

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探索新视界

泡沫铝是一种结合了多孔材料和金属性质的多孔金属材料，由于其密度低、吸能性能高、具有可回收性，在当今材料领域具有广阔的应用前景，是很有开发前途的工程材料，特别是在交通运输、航空航天、建筑结构等领域得到了广泛应用。

由青岛理工大学陈凡秀教授带领的团队，采用来自的高分辨X射线三维显微CT和配套原位加载系统，对泡沫铝的力学性能进行了深入研究。通过对密度分别为0.217g/cm³、0.347g/cm³、0.414g/cm³和0.588g/cm³的闭孔泡沫铝进行原位加载实验，对比分析了不同密度泡沫铝的孔隙率、逐层面孔隙率、孔径分布和球形度等孔结构参数，考察了孔结构参数对泡沫铝力学性能和吸能性能的影响，揭示了不同密度泡沫铝的力学性能差异。

1. 材料和方法

1.1 材料制备

本研究以1060工业纯铝为基材，以TiH2为发泡剂，采用熔体发泡工艺，制备尺寸为Φ30mm×30mm的闭孔泡沫铝材料作为研究对象，且随泡沫铝密度增加，泡孔逐渐减少（图1）。

图1 泡沫铝圆柱形试件的四种密度：

(A) 0.217g/cm³，(B) 0.347g/cm³，(C) 0.414 g/cm³，(D) 0.588 g/cm³

1.2 实验方法

采用中国天津仪器股份有限公司生产的nanoVoxel-2000系列高分辨X射线三维显微CT，对四种密度的泡沫铝圆柱形试件进行分辨率为25.2 μm的无损扫描。

nanoVoxel-2000显微CT

利用重建软件进行三维重建，得到三维重建图像（图2）。同时，应用三维可视化软件，分析泡沫铝的孔隙率、逐层面孔隙率等孔结构参数。

图2 四种密度的泡沫铝的三维重建图像

(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3

1.3 原位加载试验

采用Micro-CT原位加载系统，按照位移加载模式，以3mm/min的速率进行单轴加载试验。当压头刚接触试件时记录为初始时刻，此时用Micro-CT扫描记录泡沫铝的初始形状，之后压头每向下3mm进行一次CT扫描。同时，通过配套软件进行数据采集，得到力-位移曲线，并计算得到应力-应变曲线，以评估闭孔泡沫铝的力学性能。

Micro-CT原位加载系统示意图：(A)加压圆筒俯视图 (B)加压圆筒平面图 (C)加压装置压头

2. 主要成果

2.1 孔隙率和逐层面孔隙率

对四种密度的泡沫铝试件进行CT扫描，采用阈值分割法得到四种泡沫铝的空载孔隙率（图3(a)）。分析得到四种泡沫铝的逐层面孔隙率分布，图3(b) 的绘图结果表明：相同密度的泡沫铝在XY、XZ、YZ三个方向的逐层面孔隙率分布基本一致，四种密度泡沫铝的逐层面孔隙率大致分布在四个区间。

图3 (a)四种密度泡沫铝的孔隙率 (b)四种密度泡沫铝不同切片的逐层面孔隙率

为进一步分析不同密度泡沫铝的力学变异性，对比分析均匀加载过程中的XY方向切片逐层面孔隙率。每压缩3 mm对试件进行一次CT扫描，应变为0.1。四种密度泡沫铝压缩过程中的逐层面孔隙率分布结果（图4）表明：逐层面孔隙率分布曲线均呈现两头低中间高的现象，这与发泡工艺和试件形状有关。在应变从0增至0.7的过程中，泡孔坍塌和变形区逐渐形成。

图4 四种密度泡沫铝的逐层面孔隙

(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3

加载过程中泡沫铝的坍塌过程（图5）表明：应变为0.1时，泡沫铝处在弹性阶段，结构几乎无变化，泡沫铝随应变增加而慢慢坍塌，泡孔形态逐渐改变。泡孔坍塌通常从最薄弱区域开始，并形成局部变形区，且变形区随应变增加而逐渐扩大。应变为0.7时，泡沫铝内部结构已完全改变，尤其是密度为0.58g/cm3的泡沫铝在加载后承受更大压力，最终产生断裂并破坏完全，且其后期坍塌也比其他三种密度的泡沫铝更为完整。

图5 加载过程中泡沫铝的坍塌过程

(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3

2.2 孔径分布

孔径分布是影响泡沫铝机械性能和能量吸收的另一个主要因素，采用分水岭算法得到的气泡孔等效孔径的频率和数字百分比分布图（图6）表明：泡沫铝的气孔数量主要分布在小孔部分，随当量孔径增加，曲线上升速度很慢。泡沫铝密度越大，当量孔径分布范围越小，密度为0.588g/cm3的泡沫铝比0.217g/cm3的泡沫铝的当量孔径分布范围减小一半，且气泡形状随着密度增加更接近于球形。

图6 四种密度泡沫铝的孔径分布

(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3

2.3 球形度

球形度可衡量泡孔形状是否标准。采用分水岭算法分割泡沫铝中的泡孔，计算和统计每个泡孔的表面积和体积。泡沫铝泡孔球形度分布散点图（图7）表明：泡沫铝密度越高，球形度分布越致密，球形度越好。孔隙率增加，会伴随出现更多不规则气泡。泡孔的球形度与泡沫铝凝固过程中的发泡和排出现象有关，四种泡沫铝的球形度分布大多集中在上半部，说明所制备的泡沫铝结构比较均匀。

图7 四种密度泡沫铝泡孔球球形度分布散点图

(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3

为了更直观地看到泡孔形状变化，以密度为0.588g/cm3的泡沫铝典型泡孔为例，绘制泡孔三维图（图8）。结果表明：泡孔形状多为球形或椭球形，仅有一小部分泡孔形状不规则，说明发泡形成的无规则泡孔具有良好的球形性。

图8 密度为0.588g/cm3的泡沫铝的泡孔三维图

2.4 原位加载过程中的应力应变关系

以恒定速率压缩泡沫铝，确保加载过程中保持恒定的应变率，得到的应力-应变曲线（图9）显示：密度较大的泡沫铝的应力-应变曲线位于顶部。应力-应变曲线分为三个阶段，即弹性阶段、应力平台阶段和致密化阶段。其中，泡沫铝在应力平台期吸收了大量的能量，泡孔出现塑性变形和坍塌，直至致密阶段应力呈指数级增加，这种持续坍塌将影响泡沫铝的能量吸收。

图9 四种密度泡沫铝的应力-应变曲线

泡沫铝在弹性阶段的主要力学参数如表2所示：密度为0.588g/cm3的泡沫铝的屈服应力是密度为0.217g/cm3的泡沫铝的近7倍，且四种密泡沫铝的屈服应变都比较接近。高密度泡沫铝的弹性模数较大，最大相差约5倍。

表2 泡沫铝在弹性阶段的主要力学参数

2.5 原位加载过程中的能量吸收

通过计算得到四种密度泡沫铝的能量吸收能力和能量吸收效率随应力和应变的变化（图10）。绘图结果表明：泡沫铝的能量吸收与应变接近正线性关系，泡沫铝密度越大，吸能能力越强；结构越均匀，泡沫铝的能量吸能效率越高；能量吸收效率随应力变化的三个阶段，对应应力-应变曲线的三个阶段：缓慢上升区(弹性阶段)、急剧上升区(应力平台阶段)和下降弱化区(致密化阶段)，其中应力平台阶段是影响泡孔吸能效率的关键阶段，也是泡孔吸能变形的关键阶段。

图10 四种密度泡沫铝的能量吸收和能量吸收效率：(a)不同应变下的能量吸收 (b)不同应变下的能量吸收效率 (c)不同应力下的能量吸收 (d)不同应力下的能量吸收效率(σD：致密应力，εD：致密应变)