冶金结合双层泡沫铝夹芯板的一体化制备与力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Integrated preparation and mechanical properties of metallurgically bonded double-layer aluminum foam sandwich panels

　　

泡沫铝夹芯板（AFS）面板是用于汽车和航空航天工业的有前景的轻质结构，具有集成结构和功能特性。然而，同时实现多层AFS的短流程一体化制备、大规模成形和界面冶金结合仍然是一个巨大挑战。在本研究中，研究人员通过包覆轧制粉末冶金法成功制备了双层AFS，并在面板和泡沫芯之间实现了冶金结合。研究了发泡温度对双层结构孔隙结构的影响，并系统评估了其在准静态压缩和三点弯曲下的力学性能。结果表明，在620°C下发泡503 s的双层AFS表现出最佳的整体性能，结合了均匀且细化的孔隙结构、高机械强度和优异的比能量吸收。与单层AFS相比，双层结构将峰值应力和压缩比能量吸收分别提高了39.85%和69.60%。弯曲强度和弯曲比能量吸收分别提高了14.44%和10.43%。同时，夹层的引入将压缩下随机倾斜的剪切带失效转变为逐层渐进塌陷。它还有效阻断了弯曲下的剪切带传播路径，减轻了整体泡沫芯撕裂。此外，研究人员利用同步辐射X射线成像原位观察了双层AFS前驱体的实时发泡过程，揭示了两个芯层内相对均匀的气泡成核以及上下芯的协调体积膨胀，没有优先界面成核或分层，表明发泡过程中良好的结构对称性和界面稳定性。

泡沫铝夹芯板（AFS）作为一种轻质多功能结构，在汽车和航空航天领域具有广泛应用前景。然而，现有粘接法AFS存在高温性能差、易老化分层等缺陷，而冶金结合方法虽能提升界面强度，但多层AFS的一体化短流程制备与界面冶金结合仍面临挑战。为此，研究人员通过包覆轧制粉末冶金法成功制备了冶金结合的双层AFS，并系统研究了发泡温度对孔隙结构的影响，以及准静态压缩和三点弯曲下的力学性能，论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

研究人员主要采用以下关键技术方法：包覆轧制粉末冶金法（包括粉末混合、冷轧、热轧及发泡工艺），通过调节发泡温度（610°C、620°C、630°C）控制孔隙结构；利用场发射扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）表征界面微观结构；采用同步辐射X射线成像原位观察发泡过程；参照ISO13314:2011和GB/T31930–2015标准进行准静态压缩和三点弯曲力学测试。样品来源为东北大学材料科学与工程学院。

**3.1 孔隙结构与膨胀行为**：通过差示扫描量热法（DSC）分析TiH₂分解行为，结合膨胀率曲线发现，双层AFS因夹层增加热阻导致膨胀速率低于单层，但提高发泡温度可加速发泡并细化孔径。在620°C下，双层AFS（DL-F620）获得最小孔径（1.74±0.60 mm）和较高圆形度（0.70），且孔间缺陷较少，归因于夹层作为物理屏障抑制了气体渗透和熔体流动。

**3.2 准静态压缩性能**：应力-应变曲线显示双层AFS呈现特征性两阶段变形，夹层引入使随机剪切带失效转变为逐层渐进塌陷。DL-F620峰值应力达9.30±0.32 MPa，比能量吸收（SEA）为5.97±0.93 J·g^-1，较单层AFS分别提高39.85%和69.60%。变形过程观察表明，夹层有效传递载荷且未发生界面脱粘，塑性变形主要集中在夹层区域。

**3.3 三点弯曲性能**：载荷-位移曲线显示DL-F620峰值载荷为5.07±0.32 kN，能量吸收达68.23±0.37 J，比能量吸收（SEA）为1.27±0.01 J·g^-1，较单层AFS分别提高14.44%、23.69%和10.43%。失效模式分析表明，夹层阻断了剪切带传播，促使对称协同剪切失效；而过高发泡温度（630°C）导致胞壁缺陷增多，引发非对称剪切失效，但界面仍保持完好。

**4. 界面演化与失效机制**：同步辐射原位成像显示，气泡在上下芯层均匀成核，无优先界面成核或分层，夹层作为稳定物理边界。界面微观结构分析表明，热轧和发泡后形成了由机械互锁和元素扩散强化的冶金结合层，无裂纹或脱粘。压缩和弯曲后的断口形貌显示混合韧脆断裂模式，但裂纹扩展路径始终位于泡沫芯内而非界面，证实了冶金界面的高结合强度。

**讨论总结**：研究结果表明，冶金结合界面提供了足够强度，结构承载行为由芯层和界面共同决定，充分体现了一体化制备工艺的优势。**结论部分翻译**：本研究通过包覆轧制粉末冶金法成功制备了冶金结合的双层AFS，系统研究了其孔隙结构、力学性能、变形行为和失效模式，并与单层AFS进行了对比。主要结论如下：（1）620°C制备的双层AFS综合压缩性能最优，峰值应力提高39.85%，比能量吸收提高69.60%，归因于逐层渐进变形和夹层增强的结构稳定性。（2）三点弯曲下，夹层有效中断剪切带传播，延迟整体芯层撕裂，弯曲强度和弯曲比能量吸收分别提高14.44%和10.43%。（3）同步辐射X射线成像揭示了均匀气泡成核和上下芯协调膨胀，无优先界面成核或分层，支持了双层前驱体在发泡过程中的结构对称性和界面稳定性。本研究为高可靠性多层泡沫铝夹芯板的制备提供了有效技术路线，并为多孔复合材料性能优化和工程应用提供了指导。