圖1 泡沫鋁圓柱形試件的四種密度：(A) 0.217g/cm³，(B) 0.347g/cm³，(C) 0.414 g/cm³，(D) 0.588 g/cm³

三英精密nanoVoxel-2000顯微CT

利用重建軟件進(jìn)行三維重建，得到三維重建圖像（圖2）。同時，應(yīng)用三維可視化軟件，分析泡沫鋁的孔隙率、逐層面孔隙率等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 四種密度的泡沫鋁的三維重建圖像

(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3

采用Micro-CT原位加載系統(tǒng)，按照位移加載模式，以3mm/min的速率進(jìn)行單軸加載試驗。當(dāng)壓頭剛接觸試件時記錄為初始時刻，此時用Micro-CT掃描記錄泡沫鋁的初始形狀，之后壓頭每向下3mm進(jìn)行一次CT掃描。同時，通過配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到力-位移曲線，并計算得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以評估閉孔泡沫鋁的力學(xué)性能。

Micro-CT原位加載系統(tǒng)示意圖：(A)加壓圓筒俯視圖 (B)加壓圓筒平面圖 (C)加壓裝置壓頭

為進(jìn)一步分析不同密度泡沫鋁的力學(xué)變異性，對比分析均勻加載過程中的XY方向切片逐層面孔隙率。每壓縮3 mm對試件進(jìn)行一次CT掃描，應(yīng)變?yōu)?.1。四種密度泡沫鋁壓縮過程中的逐層面孔隙率分布結(jié)果（圖4）表明：逐層面孔隙率分布曲線均呈現(xiàn)兩頭低中間高的現(xiàn)象，這與發(fā)泡工藝和試件形狀有關(guān)。在應(yīng)變從0增至0.7的過程中，泡孔坍塌和變形區(qū)逐漸形成。

圖4 四種密度泡沫鋁的逐層面孔隙

(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3

加載過程中泡沫鋁的坍塌過程（圖5）表明：應(yīng)變?yōu)?.1時，泡沫鋁處在彈性階段，結(jié)構(gòu)幾乎無變化，泡沫鋁隨應(yīng)變增加而慢慢坍塌，泡孔形態(tài)逐漸改變。泡孔坍塌通常從最薄弱區(qū)域開始，并形成局部變形區(qū)，且變形區(qū)隨應(yīng)變增加而逐漸擴(kuò)大。應(yīng)變?yōu)?.7時，泡沫鋁內(nèi)部結(jié)構(gòu)已完全改變，尤其是密度為0.58g/cm3的泡沫鋁在加載后承受更大壓力，最終產(chǎn)生斷裂并破壞完全，且其后期坍塌也比其他三種密度的泡沫鋁更為完整。

圖5 加載過程中泡沫鋁的坍塌過程 

(A) 0.217g/cm3，(B) 0.347g/cm3，(C) 0.414 g/cm3，(D) 0.588 g/cm3

孔徑分布是影響泡沫鋁機(jī)械性能和能量吸收的另一個主要因素，采用分水嶺算法得到的氣泡孔等效孔徑的頻率和數(shù)字百分比分布圖（圖6）表明：泡沫鋁的氣孔數(shù)量主要分布在小孔部分，隨當(dāng)量孔徑增加，曲線上升速度很慢。泡沫鋁密度越大，當(dāng)量孔徑分布范圍越小，密度為0.588g/cm3的泡沫鋁比0.217g/cm3的泡沫鋁的當(dāng)量孔徑分布范圍減小一半，且氣泡形狀隨著密度增加更接近于球形。

球形度可衡量泡孔形狀是否標(biāo)準(zhǔn)。采用分水嶺算法分割泡沫鋁中的泡孔，計算和統(tǒng)計每個泡孔的表面積和體積。泡沫鋁泡孔球形度分布散點(diǎn)圖（圖7）表明：泡沫鋁密度越高，球形度分布越致密，球形度越好。孔隙率增加，會伴隨出現(xiàn)更多不規(guī)則氣泡。泡孔的球形度與泡沫鋁凝固過程中的發(fā)泡和排出現(xiàn)象有關(guān)，四種泡沫鋁的球形度分布大多集中在上半部，說明所制備的泡沫鋁結(jié)構(gòu)比較均勻。

為了更直觀地看到泡孔形狀變化，以密度為0.588g/cm3的泡沫鋁典型泡孔為例，繪制泡孔三維圖（圖8）。結(jié)果表明：泡孔形狀多為球形或橢球形，僅有一小部分泡孔形狀不規(guī)則，說明發(fā)泡形成的無規(guī)則泡孔具有良好的球形性。

圖8 密度為0.588g/cm3的泡沫鋁的泡孔三維圖

以恒定速率壓縮泡沫鋁，確保加載過程中保持恒定的應(yīng)變率，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖9）顯示：密度較大的泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線位于頂部。應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個階段，即彈性階段、應(yīng)力平臺階段和致密化階段。其中，泡沫鋁在應(yīng)力平臺期吸收了大量的能量，泡孔出現(xiàn)塑性變形和坍塌，直至致密階段應(yīng)力呈指數(shù)級增加，這種持續(xù)坍塌將影響泡沫鋁的能量吸收。

圖9 四種密度泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 泡沫鋁在彈性階段的主要力學(xué)參數(shù)

通過計算得到四種密度泡沫鋁的能量吸收能力和能量吸收效率隨應(yīng)力和應(yīng)變的變化（圖10）。繪圖結(jié)果表明：泡沫鋁的能量吸收與應(yīng)變接近正線性關(guān)系，泡沫鋁密度越大，吸能能力越強(qiáng)；結(jié)構(gòu)越均勻，泡沫鋁的能量吸能效率越高；能量吸收效率隨應(yīng)力變化的三個階段，對應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的三個階段：緩慢上升區(qū)(彈性階段)、急劇上升區(qū)(應(yīng)力平臺階段)和下降弱化區(qū)(致密化階段)，其中應(yīng)力平臺階段是影響泡孔吸能效率的關(guān)鍵階段，也是泡孔吸能變形的關(guān)鍵階段。

圖10 四種密度泡沫鋁的能量吸收和能量吸收效率：(a)不同應(yīng)變下的能量吸收 (b)不同應(yīng)變下的能量吸收效率 (c)不同應(yīng)力下的能量吸收 (d)不同應(yīng)力下的能量吸收效率(σD：致密應(yīng)力，εD：致密應(yīng)變)

對比四種不同密度泡沫鋁的力學(xué)性能（表3），發(fā)現(xiàn)平臺應(yīng)力和致密應(yīng)力以及致密應(yīng)變下的能量吸收能力都隨著泡沫鋁密度的增加而增加。密度為0.588g/cm3的泡沫鋁致密化應(yīng)變最大，密度為0.347g/cm3的致密化應(yīng)變最小。試件的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了不同密度泡沫鋁表現(xiàn)出的諸如力學(xué)性能、吸能性能等力學(xué)變異性。

表3 不同密度泡沫鋁的力學(xué)性能比較