爆炸冲击作用下泡沫金属材料动态力学特性研究综述

泡沫铝材料抗爆炸冲击问题研究综述

摘要：为对泡沫铝材料在抗爆炸冲击方面应用的相关研究有全面的了解，本文从泡沫铝材料抗爆炸冲击问题所涉及到的材料本身动力学特性、材料内部冲击波传播规律和常见的抗爆炸冲击应用的材料结构形式—含泡沫铝的多层结构的抗爆特性三方面出发，对泡沫铝在爆炸冲击作用下的动力学问题的研究现状进行梳理和评价。研究可为泡沫铝在抗爆炸冲击方面的进一步应用提供有益的借鉴。

关键词：泡沫铝爆炸冲击多层结构

1前言

泡沫金属材料作为一种含有无序微结构的高孔隙率、低密度的超轻多孔金属材料，具有承载、传热、降噪、电磁屏蔽、减振、吸能等多功能特性。特别是其在静态和动态载荷下表现出应力平台效应，能吸收大量压缩能量，从而具备优良的缓冲吸能性能，故在军用车辆、舰船以及防护工程结构等防爆炸冲击方面受到广泛的关注。但在近二十年来对其力学行为所展开的广泛和深入的研究当中，以准静态加载条件下的力学行为研究最为充分，高加载速率、高应变率的动态加载条件下的材料力学行为较为复杂，研究难度也较大。国内外对泡沫铝材料在爆炸冲击载荷作用下相关问题的研究，主要集中在材料本身的动力学行为（即在冲击作用下，材料变形和失效机制等）和材料内部冲击波的传播两个方面。本文将从这两方面出发，对泡沫铝在爆炸冲击作用下的动力学问题的研究现状进行梳理，并对其常见应用形式—含泡沫铝的多层结构的抗爆特性展开评述，为泡沫铝在抗爆炸冲击方面的应用提供有益的借鉴。

2爆炸冲击作用下泡沫铝材料动态力学行为研究

2.1泡沫铝材料动态应力-应变行为

爆炸冲击作用下的泡沫铝材料的动态应力-应变行为的研究主要借助SHPB等试验方法对材料进行动态冲击加载获取相应的应力-应变曲线。与静态加载条件下的材料应力-应变行为的研究结果不同，泡沫铝动态应力-应变行为的研究，国内外不同学者存在不同的研究结论，甚至是相反的。大体而言，对于泡沫铝动态压缩力学应力-应变曲线整体特性的描述基本一致，即其应力-应变曲线表现出三个显著的阶段：线弹性区、屈服平台区和致密固化区，这也是高孔隙率泡沫铝材料具有良好吸能特性的原因所在。但对于泡沫铝动态应力-应变曲线是否与加载应变率相关，则存在不同看法。

如Deshpande和Fleck2000[1]等人在早期采用传统的分离式hopkinson压杆对泡沫铝所做的高应变率（5000s-1）条件下的冲击压缩试验结果表明高应变率范围内材料的应力应变曲线与静态曲线相似，故认为泡沫铝材料对应变率不敏感。国内王青春等2004[2]、王志华等2006[3]、郭国伟等2008[4]对孔泡沫铝进行的中等应变率以下的冲击试验，也认为试验所考察的泡沫铝材料的应力-应变曲线与应变率关系不大。

与上述研究结论不同，Dannemann2000[5]等采用与Deshpande等人完全相同的实验技术和泡沫铝试件，进行的冲击试验结果却表明泡沫铝的动态力学行为是与应变率相关的。国内曾斐2002[6]、胡时胜

2003[7]、王永刚2003[8]、田杰2006[9]等对SHPB实验技术进行了改进，较系统地研究了泡沫材料的动态

力学性能，对泡沫铝的应变率敏感性进行了讨论，认定这种材料是应变率敏感材料。这种敏感性主要是由于泡孔的变形特性产生的。泡沫材料变形的局部化、微观惯性和致密性导致其压垮应力明显提高，基体的应变率效应及泡孔的形状大小并不能对泡沫材料应变率敏感起主导作用。图1、2所示的不同应变率条件下的泡沫铝应力应变曲线即证明了材料应变率敏感的特性。

图1 工业纯铝泡沫材料不同应变率条件下的应力应变曲线[9] 图2铝镁合金泡沫材料不同应变率条件下的应力应变曲线[9]

Fig1. Stress-strain curves at different strain rate of commercially Fig2.Stress-strain curves at different strain rate of Al-Mg alloy foam[9].

pure aluminum foam[9].

程和法等2003[10]对开孔泡沫铝的动态性能采用SHPB试验装置进行了试验研究，发现开孔泡沫动态应力应变曲线以及材料的应变率敏感性均与闭孔泡沫铝材料具有类似特点。康颖安等2006[11]对不同相对密度的泡沫铝的动态压缩实验则表明开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝的应变率敏感性存在差异，闭孔泡沫铝的应变敏感程度较差。张健等2010[12]在0.001s-1至2500s-1的应变率范围内对闭孔泡沫铝进行了压缩实验，发现泡沫铝的应变率敏感性与孔隙率和基体材料的应变率敏感性有关系。

综上所述，泡沫铝材料动态加载条件下的应力应变行为的研究尚未形成完全统一的认识。造成这种对动态加载条件材料应变率敏感性认识存在差异的可能有以下两个方面的原因：

第一，由于泡沫铝具有低阻抗和低声速的特点，采用传统的SHPB压杆测试技术测试样品难以满足均匀应力状态的假设，且透射波信号辐值很低，故难以获得泡沫材料可靠的动态应力-应变响应。早期研究者得出的相反研究结论的原因很可能与此直接相关。

第二，采用SHPB对泡沫铝材料进行动态加载试验时，假定材料内部应变均匀。而事实上由于泡沫铝材料内部不规则微结构的存在，这个假定大部分情况下都不成立。S. Nemat-Nasser2007[13]采用SHPB 试验装置和高速摄像装置研究了动态加载条件下的泡沫铝材料的动力学行为。发现高速冲击速度下，泡沫铝材料中出现了非均匀性变形。这说明在冲击载荷作用下，材料内部应变分布是非均匀的。这进一步证明泡沫铝材料细微孔洞结构因素对宏观动力学响应是有影响的。杨宝2012[14]利用SHPB－高速摄影机系统，拍摄到了泡沫铝细观结构在冲击过程中的变形，分析了试件的应变分布及破坏模式。泡沫铝样品不同区域的应变分布结果如图3、4所示。

图3 泡沫铝试件表面测点布置示意图[14] 图4 泡沫铝试件表面不同测点区域的平均应变[14]

Fig3. Arrangement of test points on the surface of aluminum foam specimen[14]. Fig4.Average strain-time at the different test point on the