高强氧化铝空心球增强Al-Cu基结构泡沫的压缩破坏及压缩响应主要由剪切带控制

《Journal of Alloys and Compounds》：Shear-band dominated compressive failure and compressive response of high strength alumina hollow sphere reinforced Al-Cu matrix syntactic foams

　　**摘要**
通过真空辅助浸渗工艺，使用定制的高强度氧化铝空心球（HAHS）和商用氧化铝空心球（CAHS）作为填料，制备了氧化铝空心球增强铝铜基杂化泡沫。通过微观结构表征、准静态测试、X射线计算机断层扫描和单轴压缩模拟，研究了这些泡沫的压缩性能、能量吸收特性以及失效机制。由于HAHS具有较厚的壁厚，能够保持结构的完整性并增强载荷传递能力，因此其压缩性能显著优于CAHS基泡沫。经过T6热处理后，HAHS/铝铜基杂化泡沫（HAMFCs）表现出最佳性能：压缩强度达到304.4 MPa，平台应力为254.1 MPa，能量吸收量为113.1 J·cm3，分别比T6热处理后的CAHS泡沫提高了66%、48%和42%。压缩强度在250°C以下基本保持不变，表明其具有良好的中等温度稳定性；而基体在300°C以上软化后，逐渐降低了平台应力和能量吸收能力。即使在650°C下，仍保留了17.3 MPa的残余强度，这归因于HAHS的热稳定性骨架。CT观察和单轴压缩模拟结果显示，失效过程包括基体塑性变形、界面脱粘、壳体开裂、应力重分布、倾斜剪切带的传播以及最终致密化。压缩强度主要受球壁厚度和结构完整性的影响，而平台应力和能量吸收能力则取决于球体-基体载荷传递网络的稳定性。这些发现表明HAMFCs在压缩和高温条件下具有作为轻质防护和能量吸收组件的潜力。

**引言**
铝基杂化泡沫（AMSFs）是由嵌入金属基体中的空心颗粒组成的轻质蜂窝复合材料[1]、[2]。由于其低密度、高比强度、抗损伤能力和能量吸收能力，AMSFs在轻质防护结构、抗冲击部件和热机械服务环境中的应用越来越受到关注[3]。铝基杂化泡沫的机械性能从根本上取决于基体和空心增强相的综合特性，包括它们的密度、刚度、强度、变形能力和界面相容性。其中，空心颗粒的大小、壁厚、壳体强度、体积分数和空间分布尤其重要，它们决定了载荷传递、峰值强度、平台应力、致密化应变和能量吸收能力。因此，不同的材料组合在轻量化属性、承载能力和变形稳定性之间存在权衡：延展性的金属空心颗粒会促进渐进性坍塌和塑性能量耗散，而陶瓷空心颗粒虽然具有更高的刚度和壳体强度，但一旦结构完整性受到破坏则容易发生脆性断裂。这一根本区别正是AMSFs与传统铝泡沫的不同之处，也解释了它们的变形和坍塌行为为何受到空心增强相的强烈影响[4]、[5]、[6]。因此，设计合适的空心颗粒是提高AMSFs压缩可靠性和能量吸收性能的关键[7]。

多种类型的空心球，包括粉煤灰 cenospheres、玻璃颗粒、SiC空心球和氧化铝空心球，已被用于制备金属基杂化泡沫[8]、[9]、[10]、[11]。这些填料在不同程度上实现了密度降低、壳体强度、热稳定性和加工成本之间的平衡。然而，许多商用空心球壁薄或存在内在缺陷，这可能导致在浸渗或压缩过程中过早发生壳体破裂[5]、[12]、[13]。一旦空心球在早期阶段发生破裂，载荷承载网络就会变得不稳定，从而导致平台应力降低和峰值后的载荷承载能力减弱。这种限制对于同时需要高压缩强度和稳定能量吸收的应用尤为重要[12]、[13]、[14]。因此，具有较厚壁和更好结构完整性的高强度陶瓷空心球有望通过延缓灾难性破裂并维持局部损伤后的载荷传递来提高AMSFs的坍塌稳定性[15]。

在增强球体中，氧化铝空心球因其高刚度、高热稳定性和与铝合金的良好相容性而备受青睐[7]、[8]、[14]。除了空心增强作用外，金属基体也对AMSFs的压缩性能起着重要作用[5]、[15]。强度较高的基体可以提高载荷传递能力并提升初始峰值强度。相反，过弱的基体可能导致球间连接处的过早塑性失效。可通过T6热处理显著增强基体强度[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。然而，基体强化并不总能保证稳定的能量吸收效果；如果空心球无法承受增加的载荷，较强的基体可能会将更高的局部应力传递给脆性的陶瓷壳体，从而加剧峰值后的应力下降。因此，必须明确空心球结构完整性和基体强化的耦合效应，以设计出兼具高强度和稳定平台行为的AMSFs[5]、[15]。

AMSFs在高温条件下的性能是防护和结构应用中的另一个重要问题[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。在中高温下，铝合金基体会发生热软化、沉淀粗化以及载荷传递能力的下降。这些变化可能会降低平台应力和能量吸收能力，即使陶瓷空心球仍保持热稳定性[26]、[27]、[28]。然而，大多数现有研究主要关注室温下的压缩性能，而基体软化、陶瓷球稳定性以及高温下的残余载荷承载能力之间的关系尚未得到充分理解[23]、[24]、[26]、[27]、[28]。特别是，目前尚不清楚当铝铜基体严重软化时，厚壁氧化铝空心球是否仍能保持载荷承载骨架[15]、[23]、[24]。

对于铝基杂化泡沫的有限元建模，精确模拟离散的空心球分布和间隙金属基体是首要前提。目前，杂化泡沫的几何建模通常依赖于简化的随机球体堆积或直接CT重建[29]、[30]。基于CT的模型虽然具有较高的几何精度，但由于计算效率低、参数化能力差和数值不稳定性问题而受到限制。为克服这些局限，越来越多地采用基于计算微观力学的有限元模型。基于代表性体积元素（RVE）的计算微观力学有限元（FE）模型能够明确考虑空心颗粒的随机分布、颗粒-基体相互作用、局部应力集中和基体的塑性变形[31]、[32]。Szlancsik等人的压缩研究在不同约束条件下对材料性能进行了表征[32]，也有报道了对氧化铝颗粒AMSFs的实验-数值分析[15]。同样，也为杂化金属泡沫开发了亚结构FE方法[32]。Chao等人进一步发展了球状颗粒堆叠/RVE模型和球形重叠层（SOL）方法，并验证了其准静态压缩预测[33]。

在这项工作中，通过真空辅助浸渗工艺制备了高强度氧化铝空心球增强铝铜基杂化泡沫，并准备了粒径范围相似的商用氧化铝空心球增强泡沫作为对照。系统研究了空心球类型、T6热处理和测试温度對压缩强度、应力下降、平台应力、致密化行为和能量吸收的影响。结合扫描电子显微镜（SEM）断裂分析、准原位X射线CT和基于RVE的单轴压缩模拟，揭示了材料的渐进性失效机制。本研究旨在阐明厚壁氧化铝空心球、基体塑性变形、界面损伤和应力重分布如何共同控制壳体开裂、倾斜剪切带的形成和最终致密化过程。研究结果为设计用于轻质防护和高温能量吸收应用的HAMFCs提供了指导。

**材料**
选择铝铜铸造合金作为基体，是因为它具有热处理响应特性，并且与高强度沉淀强化铝合金相关。这一选择有助于评估基体强化对AMSFs压缩性能和高温行为的影响。合金成分见表1。

**HAMFCs和CAMFCs的微观结构**
图3展示了通过真空辅助浸渗制备的HAMFCs和CAMFCs的代表性宏观结构。在HAMFCs中，浸渗过程均匀，熔融的铝铜基体填充了相邻球体之间的间隙空间，HAHS颗粒分散均匀，没有明显团聚现象。其厚壳层保持完整，防止了不希望的基体侵入内部空腔。相比之下，在CAMFCs（图3(c)和(d)）中，较薄的球壁经常导致...

**结论**
通过真空辅助浸渗工艺制备了高强度氧化铝空心球增强铝铜基杂化泡沫。与CAMFCs相比，HAMFCs由于HAHS具有更好的结构完整性和载荷传递能力，因此表现出更高的压缩强度、平台 stress和能量吸收能力。经过T6热处理后，HAMFCs-T6的性能最佳，压缩强度达到304.4 MPa，平台应力为254.1 MPa，能量吸收量为113.1 J cm-3。

**作者贡献声明**
谢凌志：写作 – 审阅与编辑、原始稿件撰写、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化；段尧鹏：方法论、研究、数据分析、概念化；穆永良：写作 – 审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念化、数据分析、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢中央高校基本科研业务费（N25GFZ002）对这项研究的资助。

**参考文献**
（此处列出相关参考文献）