泡沫鋁填充薄壁管是一種性能優(yōu)異的多孔材料復(fù)合結(jié)構(gòu),它既有獨(dú)立承載能力,又有穩(wěn)定性高、可在極端的環(huán)境下服役等突出優(yōu)點(diǎn),在工程領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。另一方面,由于碳納米管（CNTs）具有優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)性能,所以是鋁基復(fù)合泡沫材料理想的增強(qiáng)相。近些年,隨著航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅芤蟮牟粩嗵岣?復(fù)合泡沫填充管的制備和性能研究成為熱點(diǎn)。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:采用直接填充法制備了泡沫鋁填充鋁合金管,研究環(huán)境溫度（25oC²50oC）對(duì)填充管的壓縮吸能和變形模式的影響。結(jié)果表明:同泡沫鋁填充6061-O態(tài)鋁合金管相比,泡沫鋁填充6061-T6鋁合金管具有更優(yōu)異的吸能性能,但其吸能性能的溫度敏感性也更高。高溫使得泡沫鋁、鋁合金薄壁管和填充管的強(qiáng)度降低。泡沫鋁和薄壁管的平均平臺(tái)載荷共同決定了填充管的變形模式。采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究了泡沫鋁直接填充碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）薄壁管的變形過(guò)程和失效模式,研究了泡沫鋁填芯孔隙率和環(huán)境溫度對(duì)填充薄壁管力學(xué)和吸能性能的影響。結(jié)果表明:泡沫鋁填充CFRP薄壁管的失效模式為纖維層斷裂失效;隨著泡沫鋁孔隙率的增大... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)民航大學(xué)天津市

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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樹(shù)脂基復(fù)合材料薄壁管的失效模式[58]

中國(guó)民航大學(xué)碩士學(xué)位論文7易發(fā)生歐拉整體屈曲，這將會(huì)大大降低薄壁管的吸能效率，同時(shí)會(huì)危害保護(hù)件的安全。將泡沫鋁與薄壁管通過(guò)機(jī)械咬合、膠接、冶金結(jié)合等方式組合，制備成的復(fù)合機(jī)結(jié)構(gòu)為泡沫鋁填充薄壁管(簡(jiǎn)稱(chēng)填充管)，可以承受多種形式的載荷，同時(shí)泡沫鋁的填入使得填充管的變形模式發(fā)生了變化，在軸向受壓時(shí)薄壁管的變形會(huì)更加穩(wěn)定[59]。按照制備方式的不同，填充管可分為非原位填充管和原位填充管。非原位填充方法是指薄壁管和泡沫鋁是獨(dú)立制備完成的，然后將泡沫鋁作為芯材直接填入薄壁管中，為增強(qiáng)粘接強(qiáng)度，泡沫鋁和薄壁管之間可以用粘接劑、釬焊以及激光焊接等方式連接[60,61]。原位填充制備方法是指泡沫鋁芯材在薄壁管中直接制備成型，這種方法獲得的填充管界面結(jié)合性較好，但泡沫鋁制備過(guò)程中產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)外管的性能有一定影響，常見(jiàn)的原位制備方法有粉末冶金發(fā)泡法和摩擦攪拌擠出法（如圖1-6）等[62-65]。圖1-6摩擦攪拌擠出法示意圖[63]對(duì)于泡沫鋁填充金屬管結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開(kāi)了一系列的研究。在國(guó)內(nèi)，李碩[66]以空心球粉煤灰和鋁粉為基體，制備了鋁基復(fù)合泡沫，將泡沫作為填芯放入不銹鋼圓管中，制備得到復(fù)合泡沫填充鋼管，通過(guò)改變空心球的球徑（150μm、200μm和300μm），研究填充結(jié)構(gòu)在軸向壓縮、橫向壓縮和三點(diǎn)彎曲作用下的靜力性能，并采用LS-DYNA方法研究了壁厚與平均壓縮載荷和比吸能之間的關(guān)系式。郭蕎毓[67]基于傳統(tǒng)粉末冶金發(fā)泡法，研究發(fā)泡溫度、加熱速度、發(fā)泡劑種類(lèi)對(duì)泡沫發(fā)泡過(guò)程和泡孔結(jié)構(gòu)的影響。之后

中國(guó)民航大學(xué)碩士學(xué)位論文9國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫鋁填充樹(shù)脂基復(fù)合材料薄壁管的性能和變形模式也進(jìn)行了一定數(shù)量的研究。湯新[82]比較了泡沫鋁填充CFRP薄壁管和硬質(zhì)PU泡沫填充CFRP薄壁管的吸能效果，結(jié)果表明，泡沫鋁填充管的峰值應(yīng)力為CFRP管的1.2倍，載荷－位移曲線浮動(dòng)較大，吸能效果不穩(wěn)定；硬質(zhì)PU泡沫填充管的峰值應(yīng)力與CFRP管相當(dāng)，載荷－位移曲線較為平穩(wěn)，總吸能量提高了11%左右。Wang等[83]研究了20C到110C范圍內(nèi)不同溫度下泡沫填充玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）圓管的吸能作用。測(cè)試結(jié)果表明，泡沫填充GFRP薄壁管的軸向壓縮性能和吸能性能受服役溫度的影響較大。Gan等[84]研究了填充管的不同幾何參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓形截面的填充管的吸能性能最優(yōu)。目前，對(duì)于填充管的研究多為金屬管，且測(cè)試溫度常溫居多，對(duì)于泡沫鋁填充CFRP薄壁管的高溫性能研究較少[84-77]。1.3.3泡沫鋁及其填充薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用泡沫鋁及其填充薄壁結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，其質(zhì)量有了大幅度的提高，生產(chǎn)成本也有所降低，這給其工業(yè)化應(yīng)用提供了有利條件，本節(jié)主要通過(guò)幾個(gè)典型的應(yīng)用來(lái)說(shuō)明泡沫鋁及其填充薄壁結(jié)構(gòu)廣闊的應(yīng)用前景。（1）電動(dòng)汽車(chē)的電池盒電動(dòng)汽車(chē)的電池盒由于需要滿足多種要求（例如沖擊保護(hù)，冷卻，支撐等），因此其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這種設(shè)計(jì)大大增加汽車(chē)的重量。為了減輕汽車(chē)重量，使用泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)一種概念電池盒，這種電池盒通過(guò)鉚釘和汽車(chē)粘合劑粘接到擠壓的鋁合金型材上，這個(gè)結(jié)構(gòu)有高的剛度和沖擊保護(hù)能力，并且質(zhì)量同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比有所減小，因此，汽車(chē)質(zhì)量比得到提高。圖1-7展示了如何將電池盒集成到一輛JaguarI-pace概念汽車(chē)上。圖1-7泡沫薄壁填充結(jié)構(gòu)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用


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