石蜡对铝泡沫相变复合材料动态和静态力学性能的影响

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Effects of paraffin on the dynamic and static mechanical properties of aluminum foam phase change composites

研究铝泡沫与石蜡复合材料的准静态和动态力学性能，发现动态压缩下复合材料因石蜡协同作用 plateau应力提升30%，而准静态下因石蜡挤出导致应力下降。有限元模拟验证了Kelvin四面体模型的有效性，揭示了密度（0.5-0.6g/cm3）和应变率（5m/s）对性能的影响机制。

　　铝泡沫相变复合材料因其在冲击吸收和高效热传导方面的优异性能，成为未来先进应用中极具潜力的轻质材料。这些材料通常由闭孔铝泡沫与相变材料（如石蜡）填充而成，通过这种方式，可以有效防止石蜡在熔化后流出，从而提升其在热管理方面的表现。研究团队通过实验与数值模拟相结合的方法，对铝泡沫和其复合材料在准静态和动态载荷下的机械性能进行了深入分析。研究结果表明，对于密度为0.5 g/cm3的铝泡沫，准静态压缩时其复合材料的机械性能略有下降，但在动态载荷（5 m/s）下则提升了约30%，这种性能差异主要归因于石蜡在静态载荷下的挤出行为以及在高应变率下的协同压缩效应。同时，石蜡的加入不仅增强了材料的应变率敏感性，还减少了泡沫密度对复合材料性能的影响。数值模拟的结果显示，复合材料的平台应力在准静态条件下由6.89 MPa降至6.11 MPa，而在动态压缩下则从10.46 MPa升至13.65 MPa，与实验结果保持一致。这些发现为设计具有优异轻量化、能量吸收和热传导特性的材料提供了重要的理论依据。

铝泡沫作为一种多孔金属，具有较高的比强度和刚度，其独特的多孔结构在压缩过程中表现出逐层变形的特性，从而形成一个延长的平台应力阶段。由于其高比表面积和闭孔结构，铝泡沫在抗冲击、能量吸收和防火性能方面表现突出。这些特性使其成为汽车、航空航天等工业中保护部件免受损伤的理想材料。研究还表明，铝泡沫的机械性能受到相对密度的显著影响，随着密度的增加，平台应力和能量吸收能力均有所提升。此外，泡沫的微观结构特征，如孔径、孔壁材料、孔形状和内部缺陷，也对机械性能产生重要影响。为了进一步提升机械性能，研究人员改进了制备工艺，以提高密度、减小孔径并优化孔结构。同时，压缩过程中的应变率在决定材料机械行为方面也起着关键作用，常用的测试方法包括落锤冲击试验和分离霍普金森压力杆（SHPB）试验。研究发现，在高应变率条件下，平台应力和能量吸收能力显著增加，这主要归因于基体材料的应变率敏感性、微惯性效应以及封闭孔隙中的气体效应。

为了克服纯石蜡导热性差的缺陷，研究团队通过将高导热性材料与石蜡结合，以提升其导热能力。此外，开放孔铝泡沫因其高孔隙率和良好的导热性，也常被用于此类复合材料的制备。然而，开放孔铝泡沫在机械性能方面存在一定的局限，尤其是其抗冲击能力较差，这限制了其在机械部件中的应用。相比之下，闭孔铝泡沫不仅具有更高的强度和刚度，还能有效防止石蜡在熔化后流出，使其成为一种理想的相变复合材料基体。通过真空浸渍方法，研究团队成功制备了铝泡沫-石蜡复合材料，并通过X射线计算断层扫描（X-CT）技术验证了其内部结构。结果显示，石蜡能够渗透到材料的内部，从而提升其热传导性能。研究还指出，尽管石蜡填充率较低，但其体积分数仍能维持在70%左右，足以发挥其热和机械性能。

在准静态压缩测试中，研究团队使用了MTS E45电子万能试验机，以2 mm/min的速度进行压缩，应变率为0.002 s?1。通过相机记录样品在压缩过程中的变形形态，并计算其名义应力和应变。测试结果表明，复合材料的弹性模量低于铝泡沫，但其塑性坍塌应力较高，平台应力则较低。这表明，石蜡的加入在一定程度上影响了材料的机械性能，使其在准静态条件下表现不如纯铝泡沫。然而，在动态载荷下，复合材料表现出更优异的性能，平台应力和能量吸收能力均有所提升。这种性能差异主要归因于石蜡在动态载荷下的挤出行为，以及其与铝泡沫之间的协同作用，使得石蜡能够提供横向约束，防止泡沫结构发生脆性断裂。

在动态压缩测试中，研究团队使用了清华大学汽车碰撞实验室的落锤冲击试验机，以1 m/s和5 m/s的冲击速度进行测试，应变率分别为77 s?1和385 s?1。通过高速相机（60,000 fps）记录变形过程，并利用力传感器测量应力值，从而绘制出应力-应变曲线。研究发现，在动态载荷下，复合材料表现出更强的抗冲击性能，其平台应力和能量吸收能力均优于纯铝泡沫。这表明，石蜡的加入在动态条件下能够有效增强材料的性能，而其在准静态条件下的挤出行为则导致性能下降。此外，研究还发现，在动态载荷下，石蜡的应变率效应使其表现出更高的强度和更强的变形抗性，而其低密度特性则使得惯性效应在动态压缩中变得不显著，但其本身具有较高的密度，因此在动态条件下能够有效抵抗变形。

为了进一步理解材料的机械性能与密度之间的关系，研究团队对不同密度的铝泡沫和其复合材料进行了对比分析。结果表明，随着密度的增加，铝泡沫和复合材料的平台应力均有所提升，但复合材料的提升幅度小于纯铝泡沫。这主要是因为铝泡沫在复合材料中占据主导地位，而石蜡的加入降低了其比例，使得材料整体对铝泡沫密度的变化更为敏感。此外，不同密度的样品表现出不同的性能特征，例如在准静态条件下，复合材料的性能提升幅度较小，而在动态条件下，其性能差距逐渐缩小。这表明，石蜡的加入在动态条件下对材料性能的提升更为显著。

为了更准确地模拟材料的性能，研究团队采用基于凯尔文四面体结构的有限元模型。凯尔文四面体模型是一种理想化的模型，能够有效反映铝泡沫的实际变形行为。研究团队构建了由8个正六边形和6个正方形组成的单元结构，并通过重复单元的排列方式生成了铝泡沫和其复合材料的模型。该模型具有均匀的壁厚，且为各向同性结构，密度为0.5 g/cm3。通过这种模型，研究团队能够模拟材料在不同应变率下的机械性能，并验证其在动态条件下的行为。模拟结果表明，复合材料在动态载荷下的平台应力和能量吸收能力均优于纯铝泡沫，尤其是在高应变率条件下，其性能提升更为显著。这表明，石蜡的加入不仅增强了材料的应变率敏感性，还提高了其在动态条件下的承载能力。

研究团队还通过对比实验和模拟结果，发现有限元模型能够有效预测材料的性能。在准静态条件下，模拟的平台应力略低于实验值，而在动态条件下，模拟结果则更接近实验值。这可能是因为凯尔文四面体模型是一种理想化的模型，未考虑实际材料中的缺陷，而实际材料中存在裂缝、小孔和不均匀的孔壁厚度，导致实验结果略低于模拟结果。此外，模拟结果还显示，材料在高应变率下的平台应力和能量吸收能力均有所提升，这表明材料的应变率效应在动态条件下更为显著。

综上所述，铝泡沫-石蜡复合材料在准静态和动态条件下的机械性能表现出不同的特点。在准静态条件下，石蜡的挤出行为导致其性能下降，而在动态条件下，其与铝泡沫的协同作用使得性能提升。研究还表明，石蜡的加入增强了材料的应变率敏感性和热传导能力，使得其在动态条件下表现出更强的承载能力。此外，不同密度的样品表现出不同的性能特征，其中高密度样品在动态条件下的性能提升更为显著。这些发现为未来设计轻质、能量吸收和热传导性能优异的材料提供了重要的理论依据，并为材料的进一步发展和应用奠定了基础。