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翻译

泡沫铝芯炭纤维增强聚合物棒的制备与表征

摘要：

碳纤维增强聚合物基复合材料以其高强度、高模量、低密度等优点，已成为航空航天、汽车、体育用品及其它应用领域中占主导地位的先进复合材料。在这项研究中，一种新的制造技术泡沫铝使用NaCl作为空间持有人和氩气注入铝熔体金属。然后用溶解法除去氯化钠颗粒。泡沫铝试样，然后用碳纤维预浸在真空烘箱中固化。通过对应力-应变曲线的分析，得到了抗压强度、弹性模量和破坏应变等压缩性能。结果表明，与泡沫铝棒和碳纤维增强塑料棒相比，泡沫铝芯增强碳纤维复合管具有更高的抗压强度和弹性模量。

关键词：泡沫铝，聚合物复合材料，压缩试验，碳纤维增强材料（CFRP），空间保持器法

介绍

当目前使用的材料达到其有用极限时，由于重量轻、强度高、成本低等因素的影响，性能的改善是没有用的。为此，许多工程师、研究人员、科学家和学者正在努力生产和改进现有材料或创造一种全新的材料。

轻质材料在建筑和汽车中应用的新概念引起了人们对多孔材料的过度关注。

近年来，由金属、聚合物、玻璃和陶瓷制成的人造多孔材料开发出了具有高刚度和低比重的多孔材料。

多孔材料的性能有许多问题。泡沫铝是一种由铝固体组成的蜂窝状结构，含有大量的气孔。这些孔隙占总体积的70%以上。泡沫铝是一种金属和相对各向同性的材料，其结构中有许多随机分布的孔隙。孔隙材料的力学性能和物理性能与其密度密切相关。

它的优良的刚度与重量比通常被用来制造坚固而轻的面板。它也是一种低导热材料，具有声音和振动阻尼和吸收特性。

在建筑工业中发现了许多泡沫铝的应用，包括作为防爆材料和结构防护系统，在汽车和航空工业中作为涡轮机和空间锥体的结构部件，在海军工业中作为低频减振器。金属泡沫芯结构能够在准静态或动态载荷下通过大塑性变形吸收大量的冲击能量，是理想的结构保护器和吸能器。

然而，关于泡沫铝作为结构核心的力学性能的研究文献有限。重要的是要知道泡沫铝的剪切行为，如果它作为一个结构的核心。

纤维增强复合材料（FRP）在汽车、体育和航天工业中的性能通常表现为抗损伤和损伤容限。

由于这些材料在高冲击和压缩载荷下受到严重破坏，因此有必要开发具有高耐损伤性和耐损伤性的复合材料。损伤容限和损伤容限很大程度上取决于基体的性能、断裂韧性和冲击吸收能。

泡沫铝复合材料玻璃钢复合管的结构变形和吸能性能仍然有限。因此，本研究的目的是开发和测试基于泡沫铝为芯材，采用碳纤维新材料。研究了纤维增强泡沫铝对混凝土抗压强度和性能的影响。

实验细节

泡沫铝芯炭纤维增强聚合物棒的制备

一个直径为150毫米和直径35毫米的圆筒作为模具用于泡沫铝的制造。以氮化硼和乙醇的混合物作为脱模剂，在固化后容易除去泡沫铝。然后，平均粒径范围为1 - 3毫米的氯化钠被放入模具的底部，而固体铝被放在氯化钠的顶部。为了避免真空泵加热过程中的泄漏，模具尽可能地紧固。然后将模具放入高温炉中，直到温度达到710℃，浸泡时间为3小时。之后，在模具中注入氩气，迫使熔融铝移动到模具底部，并在氯化钠颗粒之间占据空间。模具一旦完成，就从炉中取出，冷却后再打开。氯化钠颗粒进行超声波清洗在热水中90°C在超声波清洗机。由于氯化钠颗粒很难清洗，这个过程需要重复几次泡沫铝干燥前除去所有的水分。然后，泡沫铝样品被切割，使用一个金属切割器，到一个圆筒形的长度和直径分别为35和70毫米。压缩测试前，样品在800–1200砂纸轻轻打磨去除切削过程中形成的任何残留物。

碳纤维增强复合材料（CFRP）复合材料杆采用2times;2斜纹编织预浸碳纤维生产。碳纤维预浸附在圆柱形泡沫铝用泡沫铝的外径直到达到2毫米的厚度。包装过程必须仔细进行，以避免层之间的任何空间。然后在真空度为154℃的条件下固化，浸泡时间为1小时。最后，样品留在烤箱，直到它冷却到66°C才被删除。

泡沫铝的密度和孔隙率

泡沫铝的密度和孔隙率用方程计算（1）-（3）。重量的NaCl颗粒使用固体铝测定以及lt;lt;如果意味着“泡沫”状态的“意义”；如果粒子的“再利用”“gt;的直径和高度。在实测值的基础上，用方程（1）计算泡沫铝的密度，用方程（2）和（3）计算出泡沫的孔隙率：

(1)(2) (3)

PAl = 2·7 g cmminus;1, rho;f =泡沫密度, rho;liquid = 1 g cmminus;3.

采用体视显微镜和场发射扫描电镜对样品的细胞形态和显微结构进行了观察。扫描电镜下观察和测量孔径大小。

压缩试验

根据ASTM标准d695进行压缩试验。制备了压缩比为1:1的高径比为37 mm的试样。用Instron 8802动态试验机测定了泡沫铝芯碳纤维杆的抗压性能，用1 mmminus;1十字头速度室温。泡沫铝的能量吸收可以用应力-应变曲线的面积来计算（4）。

(4)

其中w是能量吸收能力，sigma;压缩应力和ɛ压缩应变。

结果与讨论

泡沫形态

如图1可见，泡沫宏观孔隙的形状和大小取决于NaCl颗粒变化。从观察结果可以看出，氯化钠颗粒的比例增加，泡沫铝的孔隙率越大，孔径越大。用氯化钠作为空间载体制备泡沫铝，可以产生泡沫，可以复制氯化钠颗粒的形状和大小。因此，为了获得均匀的形状和尺寸，筛分过程必须首先完成。泡沫金属的力学性能和物理性能与其孔隙大小和密度密切相关。制备泡沫铝的密度是1·4plusmn;0·5克厘米minus;3范围内，对应于60的孔隙率–80%使用1–3 mM NaCl颗粒大小。

1．宏观结构的不同百分比的NaCl颗粒泡沫铝–a80%氯化钠和b60%氯化钠

力学性能

压缩性能

用于碳纤维复合材料泡沫铝复合盐的比例为60%，由于增强了泡沫铝本身的能量吸收与80%氯化钠相比，如图2A看到。图2b显示应力应变曲线–泡沫铝杆压缩试验获得的，碳纤维杆和泡沫铝芯碳纤维杆。初始线性弹性变形区的变形特点，高原地区（如应力缓慢随塑性变形的细胞）和致密区的应力应变曲线上观察到–。根据这些曲线，抗压强度、屈服屈服应力和弹性模量可以在表1中确定。显然，与泡沫铝棒和CFRP棒相比，具有泡沫铝芯曲线的CFRP棒具有更高的压应力。这是由于两种材料的强度组合和良好的粘接性能，从而提高了能量吸收。根据表1，泡沫铝棒与CFRP泡沫铝棒相比，具有较低的抗压强度和弹性模量。

2．对不同NaCl百分比泡沫铝吸收能量的比较；和B–整齐的泡沫铝杆的应力应变曲线对比，整齐的碳纤维增强复合材料（CFRP）杆和泡沫铝插入碳纤维杆

除此之外，测试还发现泡沫铝的孔径和孔隙率也有助于材料的强度。泡沫铝不同孔隙率导致密度不同。泡沫铝与60%氯化钠和较厚的细胞壁相比，孔径较小的孔径更大。含80%氯化钠的泡沫铝具有较薄的胞壁，在压缩试验中泡沫太弱，不能承受进一步的载荷。泡沫铝的弹性模量随孔隙率的增加而减小。高孔隙率泡沫比泡沫低孔隙率的泡沫壁更薄，这些壁承受不了施加的载荷并导致结构崩溃。然而，在本研究中，使用相同孔隙率百分比为60%的样品，以比较泡沫铝棒和CFRP棒与泡沫铝芯的行为。这些材料的应力-应变曲线没有表现出类似的趋势，因为韧性和脆性材料的性能。泡沫铝表现出延性行为，而碳纤维则表现为脆性行为材料。

能量吸收

根据方程（4），计算了样品的能量吸收，得到的结果如图3所示。根据应力-应变曲线的面积确定能量吸收。

泡沫铝芯CFRP棒在压缩过程中具有较高的能量吸收能力。这是由于泡沫中细胞壁弯曲和破坏过程中吸收的能量较高。此外，由于碳纤维聚合物具有优异的比刚度和强度，碳纤维的形变吸收了更多的能量。

3.整齐的泡沫铝杆emsp;能量吸收，碳纤维增强复合材料（CFRP）杆和泡沫铝插入碳纤维杆

结论

本研究采用NaCl作为空间保持架制备泡沫铝。由于复制过程，氯化钠颗粒的大小影响泡沫的密度。通过增加NaCl粒子的量，泡沫孔隙度增加。然而，通过增加氯化钠颗粒的量，泡沫密度降低，由于泡沫结构中的互连孔更高。为了获得更均匀均匀的泡沫孔径，在制作前采用了筛分工艺。泡沫铝棒、碳纤维增强聚合物棒和碳纤维增强聚合物棒的压缩应力-应变曲线由三个阶段组成：线弹性、平台和变形区。结果表明，与泡沫铝棒和碳纤维增强聚合物棒相比，泡沫铝芯碳纤维增强聚合物棒具有更高的抗压强度和弹性模量。在碳纤维增强聚合物的存在下，根据应力-应变曲线的面积，提高了复合材料的刚度，并计算了较大的能量吸收。这些信息可用于以碳纤维增强聚合物和泡沫铝为核心结构开发改进材料。

致谢

作者感谢研究管理协会（RMI）的金融支持埃尔和马来西亚高等教育部。这项研究是在机械工程学院进行，玛拉工艺大学（UiTM），马来西亚研究资助计划的支持下完成的。

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