聚合物增强泡沫铝复合材料的结构建模及力学性能研究
苏益士a,李志强a,龚晓路b,欧阳求保a,郭强a,郭萃萍a,张杰a,张荻a,*
a金属基复合材料国家重点实验室,上海交通大学
b机械系统与并行工程实验室,法国特鲁瓦技术大学
摘要:近几十年来,新材料研究越来越成为科学研究和工业应用的热点问题。为了进一步加强泡沫金属材料的力学性能,一种通过向开孔泡沫铝孔隙中浸渗聚合物的新型复合材料(Metal-Porous-Polymer-Composites, MPPC)被开发出来。本文基于三维的几何建模技术,建立了具有球形孔和Kelvin孔结构的泡沫铝及MPPCs的结构模型。通过引入弹塑性材料性能、聚合物-金属界面行为及合理的载荷边界条件,进行了泡沫铝金属和PA6/Al及LDPE/Al两种 MPPCs 的数值压缩行为模拟。结果表明:PA6/Al及LDPE/Al 两种MPPCs 的力学性能与聚合物种类、孔洞形貌、孔径大小、聚合物-金属界面、聚合物含量和孔洞分布等因素有关,进而为泡沫铝金属及其复合材料的变形机理与工业应用提供理论依据。
关键字:聚合物-泡沫铝复合材料;填充泡沫;结构建模;力学性能;聚合物-金属界面。
近年来,对新型泡沫铝材料的探索成为当今研究的一个热点。泡沫铝具有低密度,高力学性能和如优异的热学、电学和声学性能的物理特性等特点。为了保持泡沫铝的轻量化特性,进一步提高综合力学性能,研究提出了一种新型聚合物-泡沫铝复合材料。在铝孔隙中浸渗轻量化聚合物填料,可制备低密度高力学性能的结构材料。根据混合定律,聚合物的增强效果取决于泡沫铝的孔径大小,聚合物种类,两相间界面以及聚合物的含量。本文工作从数值上量化了泡沫铝的孔洞结构和力学行为的关系,分别选择两种聚合物作为增强体:聚酰胺6(PA6,所得复合材料被称作PA6/Al MPPC)以及低密度聚乙烯(LDPE,所得复合材料表示为LDPE/Al MPPC )。负压浸渗技术被广泛应用于开孔泡沫铝和相应PA6/Al MPPC,LDPE/Al MPPC材料的制备。基于上述制备方法,泡沫铝的孔隙率和聚合物体积含量相等,从0.55至0.75。基于泡沫铝的孔洞结构和各向同性的力学性能,通过3D结构建模程序,对开孔泡沫铝和具有球形孔和Kelvin孔结构的PA6/Al & LDPE/Al MPPCs进行了结构建模,引入了材料(Al, PA6 and LDPE)的弹塑性性能,并考虑了合理的网格尺寸、模型尺寸和载荷边界条件。对泡沫铝金属和PA6/Al及LDPE/Al两种 MPPCs的压缩性能进行了数值模拟,研究了孔径大小、聚合物种类、聚合物—金属界面以及聚合物含量对压缩行为的影响,证实了PA6和LDPE对两种复合材料的增强效果。
针对开孔泡沫铝的孔洞结构,本工作选择了典型的球形孔和Kelvin孔来进行表征。由于泡沫铝具有各向同性的力学性能,会在6-界面形成的相连接的孔洞,进而形成开孔的孔洞结构。图1(a)和1(b)分别给出了泡沫铝中球形孔和Kelvin孔的几何尺寸。在图1(a)中,球形孔通过在边长为d=2r的基本立方单元上切割出一个直径为2R的球形颗粒来创建。在图1(b)中,Kelvin孔同样通过在边长为d=2r的基本立方单元上切割出一个最大立方面间距为2R的Kelvin孔(由8个六边形和6个正方形组成)来建立。基本立方单元的边长d和泡沫铝的平均孔径相等。“开孔率”被定义为
k = r/R (1)
泡沫铝和MPPC中的孔径d为1.6mm,孔隙率(发泡率)和MPPC中的聚合物含量一致,分别设为0.55,0.60,0.65,0.70和0.75。图1(c)和(d)分别给出了具有球形孔和Kelvin孔泡沫铝的结构模型,其发泡率为0.65. 图1(e)和(f)中分别展示了具有球形孔和Kelvin孔的三维微观结构模型,其中灰色网格部分表示泡沫铝,红色网格部分代表PA6和LDPE聚合物。
本文在建模过程中详细给出了各组分材料的性能参数。对于采
图1. 泡沫铝和MPPC的3D微观结构模型。(a)(b)标有几何尺寸的球形孔和Kelvin孔; (c)(d)具有单独种类孔结构的泡沫铝中的球形孔和Kelvin孔;(e)(f)MPPC模型中的球形孔和Kelvin孔。
用的铝合金,其弹性模量E = 72.4 GPa,泊松比ν= 0.33 ,密度ρ约为2.68 g/cm3 。PA6聚合物的弹性模量E =1.297GPa,泊松比ν= 0.38,密度ρ为1.13g/cm3 。而LDPE的弹性模量则为0.175GPa,泊松比约0.44,密度为0.919g/cm3。通过如下的塑性应力-塑性应变关系:
铝合金)
(PA6和LDPE)
可计算出铝合金、PA6和LDPE的屈服强度s0分别为140MPa,80MPa和8MPa,塑性模量Ep分别为77.9MPa,275MPa和52.69MPa。对于界面结合类型,本工作中主要选择研究了选择粘接型界面和摩擦型界面。
在聚合物体积分数为65%的条件下,本文对具有球形孔和Kelvin孔结构的PA6/Al 和 LDPE/Al 复合材料的压缩过程进行了模拟。网格尺寸设置为d/16,模型尺寸L=2d。同时,探究了不同的聚合物-金属的界面行为,如图2(a)(c)所示。总的来说,由于不同聚合物的力学性能以及孔洞类型存在差异,导致PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料具有不同的压缩应力。粘接性界面的复合材料模型比摩擦结合型界面的材料表现出更高的压缩应力。图2(b)(d)显示了复合材料聚合物增强体PA6和LDPE中的等效应力分布。PA6和LDPE中的等效应力更多地在粘接型界面的复合材料中达到强度极限。聚合物-金属界面行为对PA6/Al 和LDPE/Al复合材料压缩性能的影响也不同。对于具有球形孔和Kelvin孔结构的PA6/Al复合材料,具有粘接型界面条件下其压缩应力近乎一致,而在摩擦型界面结合条件下压缩应力略有不同,如图2(a)所示。对具有上述两种不同界面类型的LDPE/Al复合材料而言,其球形孔材料压缩应力相差无几,而Kelvin孔材料的压缩应力远远低于球形孔,如图2(c)所示。这表明,聚合物-金属界面行为和聚合物种类对PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料的压缩性能有重要影响。
为了估算聚合物种类、含量和孔洞类型对PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料压缩性能的影响,在发泡率为55%至75%之间计算了泡沫铝及其复合材料的屈服强度。如图2(e)(f)所示,PA6和LDPE的加入提高了复合材料的压缩性能。不论对于球形孔还是Kelvin孔结构的泡沫铝,PA6起到的增强效果远远高于LDPE。另外,泡沫铝、PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料的屈服强度随聚合物含量的减少而成比例的降低。该结果表明,聚合物种类和含量对PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料的压缩性能有重大的影响。
图2. 聚合物-金属界面行为及聚合物含量对PA6/Al与LDPE/Al复合材料压缩性能影响:应力-应变曲线(a)PA6/Al复合材料;(c)LDPE/Al 复合材料;等效应力分布(b)PA6聚合物;(d)LDPE聚合物;屈服应力分布(b)PA6/Al复合材料;(f)LDPE/Al复合材料。
为了研究孔径尺寸和孔洞分布对PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料压缩性能的影响,选取了聚合物体积分数65%,以及不同孔径尺寸(分别为1.6mm,1.2mm,0.8mm)的PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料结构模型,模型尺寸设置为L=2d。如图3(a)和3(c)所示,对具有球形孔和Kelvin孔的PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料,计算得出了相应的屈服强度。图3(b)和3(d)展示了PA6和LDPE中的等效应力分布。PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料的屈服强度随孔径尺寸的减小而提升。具体球形孔的PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料屈服强度的提升较具有Kelvin孔洞的材料更明显。除此之外,对于具有不同力学性能的聚合物PA6和LDPE而言,PA6对复合材料屈服强度的提升作用较LDPE更大。结果表明,孔径尺寸对复合材料压缩性能起到了关键的作用。为了综合评估孔洞分布对两种复合材料压缩性能的影响,建立了具有周期性和随机性孔分布的PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料结构模型。图5(e)展示了随机孔分布的PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料的静态屈服强度,并与周期性孔分布复合材料进行了对比。值得注意的是,无论对于球形孔还是Kelvin孔而言,孔洞分布类型对PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料屈服强度具有一定的影响,随机性孔分布的PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料二者之间的屈服强度差异更为明显。具有球形孔的PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料较Kelvin孔复合材料表现出更高的屈服强度。另外图5(f)展示了随机孔分布条件下PA6和LDPE中的等效应力分布,表明孔洞分布类型对PA6/Al 和 LDPE/Al复合材料的压缩性能起到了关键的作用。
图3. 孔径大小及孔洞分布对PA6/Al与LDPE/Al复合材料压缩性能影响:屈服应力分布(a)PA6/Al复合材料;(c)LDPE/Al复合材料;(e)具有周期与非周期孔的PA6/Al与LDPE/Al复合材料;等效应力分布(b)PA6/Al复合材料;(d)LDPE/Al复合材料;(f)具有周期与非周期孔的PA6/Al与LDPE/Al 复合材料。
致谢
本文作者衷心感谢国家自然科学基金(Nos. 51501111, 51131004),国家重点基础研究项目(973项目,No.2012CB619600)和中国上海科学技术委员会(Nos.14DZ2261200, 14520710100, 14JC1403300)的大力支持。
作者:苏益士,上海交通大学材料科学与工程学院讲师
Email:zhangdi@sjtu.edu.cn;suyishi@sjtu.edu.cn;
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