泡沫铝力学性能研究分析材料学专业

《泡沫铝力学性能研究分析材料学专业》由会员分享，可在线阅读，更多相关《泡沫铝力学性能研究分析材料学专业（19页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第1章 绪 论1.1 课题背景及研究意义地震灾害具有突发性、不确定性，给人类的生命安全和财产带来巨大损失。土木工程结构在地震作用下的破坏和倒塌是造成灾难的直接原因。通过对结构构件的材料强度、截面尺寸进行增大和增强是以往提升结构抗震的主要思路，其原理就是通过对结构的刚度和强度进行提升来实现结构的稳固性，用结构本身来对地震冲击进行抵抗，这种方法实质上就是通过结构本身来储存和消耗能量，虽然能满足性能需求，但是在结构的安全性、经济性、实用性和震后可修复上存在较多问题。随着现代高层结构、大跨空间结构等大规模建设，结构设计理论不断地更新发展，对结构提出的要求越来越高，所以研发新的结构振动控制技术成为人类应

2、对地震灾害的最根本途径。减隔震技术的提出为人类应对地震灾害提供了新的思路。值得注意的是，高阻尼材料的应用可以很大程度上提高减隔震技术的减震效果1 。泡沫铝是近年来发展迅速的一种新型轻质、胞孔结构材料，具有屈服强度低、压缩延性变形能力强和耗能能力强等特性，这使得泡沫铝成为了一种轻质高阻尼材料2-5 。但是，目前泡沫铝材料在土木工程领域的应用几乎没有，国内外在此方面的研究报道也相对较少。为了探究泡沫铝及其复合结构在结构振动控制领域应用的可能性，本文就此问题展开讨论，通过研究泡沫铝材料、泡沫铝复合材料以及泡沫铝复合结构的力学性能，并分析其效果。1.2 泡沫铝概述泡沫铝是一种在铝或铝合金基体中分布有大

3、量孔洞的新型功能结构材料，按其胞孔结构分为通孔泡沫铝(胞孔间相互连通)和闭孔泡沫铝(胞孔相互独立，各自封闭，互不相通)。泡沫铝材料由于其特殊的结构形式，使其具备一些致密金属不具备的结构及功能特性，比如轻质（密度小于水）、高比刚度、高阻尼和优良的能量吸收性能等 6 。已有研究表明，泡沫铝的阻尼值随孔隙率的提高而增加，可达其基体金属阻尼值的10倍以上7,8 。因此，可以考虑将泡沫铝作为一种理想的吸能减振材料，应用于结构的振动控制领域。不过，对于具有较高阻尼需求的工程机构当中，现有泡沫铝阻尼大小还不能完全给与满足9 ；除此以外，还有很多孔洞结构存在于泡沫铝当中，作为结构材料使用来说，孔洞的存在也是一

4、种缺陷10 。影响泡沫铝的结构性能和功能特性的因素相对较多，主要包括：(1)基体材料类型（铝或铝合金）； (2)孔隙率（或相对密度）；(3)孔径大小；(4)胞孔类型（开孔或闭孔）；(5)孔洞特征（孔形态、分布、孔结构缺陷等）等。其中孔隙率(或相对密度)起主要的控制作用。通孔泡沫铝(孔隙率在50%75%)与闭孔泡沫铝(孔隙率在75%以上)相比，前者力学性能相对优越，而阻尼性能相对较差，后者则刚好相反。泡沫铝可以通过制备工艺优化来对其力学功能进行提升和改善，在结构工程当中应用泡沫铝的过程中需要对能量吸收、阻尼等方面的性能提升进行研究。近年来，泡沫铝复合材料的研究及应用逐渐增多，为上述问题的解决提供

5、了思路。可以考虑将高分子复合材料填充在通孔泡沫铝当中，从而实现对泡沫铝的阻尼性能和力学性能的提升11,12 。1.3 国内外研究现状1.3.1 泡沫铝力学性能研究现状作为一种具有广泛应用前景的材料，能否深入了解泡沫铝的力学性能、识别影响其力学性能的关键因素对于泡沫铝的工程应用至关重要。疲劳性、剪切性能、拉伸性能、压缩性能都属于泡沫铝的力学性能。当前阶段，因为孔洞存在于泡沫铝当中，使得泡沫铝的拉伸、剪切等力学性能受到制约，使得研究人员对泡沫铝的拉伸、剪切行为关注不多。国内外对泡沫铝力学性能的研究大多表现在对单轴压缩行为的实验研究和理论分析，具体包括动态和静态压缩下的力学性能和能量吸收等受到几何特

6、性和力学特性的影响。对泡沫铝压缩本构的研究是目前泡沫铝力学性能研究的主要内容。国外学者Deshpande、Fleck13根据通过试验分析，建立了泡沫金属的自相似本构模型和微分强化本构模型，与试验结果吻合较好。Hanssen等14 强调对于荷载作用下材料的具体响应通过享有本构模型无法进行有效描述。国内学者主要从宏观层次上建立泡沫金属的本构模型来研究其力学行为。王二恒等15 利用现有的唯象本构模型 16 ,对泡沫铝的静态本构模型进行建立，分析得到泡沫铝在不同加载工况下的宏观应力-应变关系。王志华、敬霖等17提出一个多参数相关的非线性弹塑性唯象本构模型, 该模型可以系统地描述相对密度、应变率效应对其

7、动态压缩力学行为的影响。在试验研究方面，国外学者Banhart等18 通过泡沫铝的单轴压缩试验，指出相对密度是影响材料的应力-应变关系的主要因素。Mc Cullough等19 通对泡沫铝的压缩力学性能进行试验研究，指出泡沫铝材料孔洞分布的不均匀性、胞孔内裂纹的缺陷等导致了试验结果的离散性。在国内，王曦等20 对五种不同孔径的开孔泡沫铝材料的单向压缩性能进行了研究，发现相对密度不是确定材料力学性能的唯一参数，孔径大小对弹性模量和压缩塑性平台的大小都有一定的影响。柳敏、曹晓卿等21 研究了尺寸效应对泡沫铝静态压缩力学行为的影响，指出泡沫铝压缩影响因素当中的高径比影响最为明显。对于泡沫铝力学性能受到

8、应变率效的影响，国内外研究人员得到了不同的实验数据和结果，截至目前还没有一个准确的定论。国外研究过程中， Fleck和Deshpande 等22 研究了应变率效应对泡沫铝压缩曲线平台应力的影响，指出高应变率效应对泡沫铝材料影响较小，而Goe和Mondal等23指出应变率效应对泡沫铝材料的动态力学行为有着不同的影响，通过试验分析得到，不同应变速率下泡沫铝材料的变形机制存在较大差异。在国内，何德坪24 研究了泡沫纯铝、泡沫铝合金在不同应变率下的压缩力学行为，结果表明，在动态压缩试验条件下，泡沫纯铝对应变率效应较为敏感，得到泡沫铝纯铝压缩曲线的应变率增大，相应的也会增大平台应力，而应变率不会直接影响

9、到泡沫合金。时胜等25对泡沫铝的应变率变化进行试验研究，实验数据显示，泡沫铝的胞孔结构主要受到应变率效应的影响，与基体材料关系不大。凤仪等26 进行了泡沫铝的动态力学性能试验，对其试验结果分析得到，在一定的应变率范围内，泡沫铝的屈服强度对应变率不敏感。目前，国内外学者在泡沫铝的拉伸和剪切性能方面研究较少，H. Von Hagen, W. Bleck.27 通过试验研究了不同密度和厚度泡沫铝的拉伸、剪切性能，指出密度对拉伸、剪切的力学性能参数影响显著。Wang X Z等28 研究了泡沫铝的拉伸和剪切试验，确定了在准静态试验条件下，泡沫铝拉伸、剪切性能的关键指标参数和破坏失效机理。虞吉林等20通过

10、试验研究了不同孔径的开泡沫铝单向拉伸性能，揭示了不同孔径的开泡沫铝单向拉伸性能，揭示了其变形机理。韩春光29开展了在准静态加载条件下泡沫铝的拉伸力学性能试验，通过试验分析提出了一种简单的泡沫铝静态拉伸试验本构关系，进而推导了准静态拉伸下泡沫金属材料的多参数本构方程，并明确了泡沫铝金属材料拉伸的破坏机理。1.3.2 泡沫铝复合材料性能研究现状泡沫铝的应用主要体现在其力学性能和功能特性两方面，目前更偏向于对泡沫铝功能研究。正常过程中，需要在牺牲部分泡沫铝的力学性能才能对功能特性进行提升，相反也是同样的道理。所以，当前的研究多集中于泡沫铝的结构功能一体化研究，即在保证泡沫铝功能特性的情况下，其力学性

11、能也能有不错的表现，从而实现材料性能对复杂工况的有效满足10 。基于上述思路，为了改进泡沫铝的性能，大多研究人员以通孔泡沫铝为基体，向其孔洞中填充高分子粘弹性材料，得到铝与高分子粘弹性材料的交织复合材料，在提高其力学性能的同时，其功能特性（阻尼性能）得到很好的改善，这也是目前泡沫铝基复合材料的主要研究方向9。已有研究中所采用的高分子粘弹性材料主要是硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等。程和法等30,31 以选择开孔泡沫铝作为研究对象，将高分子硅橡胶填充进孔洞内，从而得到一种新的复合材料，并且还进行了相应的动态和静态压缩实验。实验数据显示，复合材料相对于纯泡沫铝，其屈服强度和流动应力明显增加，表现出较好的

12、能量吸收性能。张立勇32 对泡沫铝-硅橡胶复合材料进行了压缩试验，研究了填充硅橡胶对泡沫铝力学性能的影响。实验数据显示，复合材料具有非常良好的吸收性能；静态压缩应变曲线和压缩应力存在两个应力段；而动态应变曲线和压缩应力只表现出弹性段和应力上升的塑性段，没有发现过于显著的密实段。王二恒，田杰等33在研究过程中发现了同上的结果。徐平等35 将环氧树脂通过浸渗法渗入到泡沫铝空隙当中，通过研究发现，复合材料在阻尼性、刚度和强度等方面较纯泡沫铝都有所提高。于英华36 在开孔泡沫铝中填充环氧树脂得到泡沫铝环氧树脂复合材料，同时对复合材料进行了压缩试验，通过对比纯泡沫铝，研究了泡沫铝的相对密度、孔径大小对复

13、合材料力学性能的影响。谢卫红、张勇等37,38 通过在通孔泡沫铝中填充聚氨酯泡沫制备出了泡沫铝/聚氨酯复合材料，同时研究了泡沫铝复合材料受到聚氨酯含量、应变率以及相对密度的力学影响，研究结果表明，在一定的密度和应变率情况下，复合材料相比泡沫铝的平台应力和屈服强度明显更高，吸能性能也得到较大改善。通过比较发现，硅橡胶具有柔韧性、低表面能、耐热、憎水等优点，但其力学性能较差，粘结力小，耐腐蚀性差等；环氧树脂具有良好的力学性能和粘结性能，但固化后呈脆性特征，易开裂，力学性能较差；而聚氨酯是一种超弹性的高分子材料，其粘结性能及阻尼性能较好，耐腐蚀性好。因此，此次研究过程中通过将聚酯氨材料向泡沫铝的孔洞

14、中进行填充的方法，得到一种兼具结构功能和力学性能，同时还有高阻尼性的复合材料。1.3.3 泡沫铝复合构件力学性能研究现状由于泡沫铝本身缺乏强度，所以在实际应用中受到一定的限制，因此在实际应用中经常使用致密金属和芯材制作复合构建进行使用，如泡沫铝填充钢（铝）管、钢（铝）-泡沫铝三明治板等。目前，国内外对泡沫铝复合结构已有广泛的研究。Bartsmith等39,40 对泡沫铝夹芯梁的力学性能进行研究，其存在压入破坏、芯层剪切、表面褶皱、表面屈服的变形模式，同时提出了泡沫铝夹芯梁构件的质量优化和失效模式设计准则。Hanssen等41 空心结构填充泡沫铝之后的轴向压缩变形展开具体研究，实验结果显示，在将

15、泡沫铝加入之后明显增加了褶皱数量并减少褶皱长度;在动态载荷过程中会发生整体弯曲和局部褶皱反应。Seizberger等42 进行了泡沫铝复合材料的静态压缩实验以及具体数值分析，同时还对截面的结构性能和截面形状进行分析，分析得知压缩试验中，环氧树脂-泡沫铝复合材料的吸能性、强度和刚度均得到显著提升。邵国鑫等43 通过实验研究泡沫铝复合钢管的阻尼性，并对钢管的填充材质变化和含钢率大小对阻尼性的变化影响进行讨论。张贵林等44对作为支撑钢架的泡沫铝复合材料的滞回性能进行研究，主要研究框架滞回性能受到泡沫铝填充支撑的具体影响，结果显示：将泡沫铝在支撑部分进行填充以后，明显提升了框架的承载能力，支撑的屈曲破

16、坏滞后甚至不出现，滞回曲线饱满，框架整体具有良好的滞回耗能能力。王瑞斌等45方钢构件在进行泡沫铝填充之后的滞回性能进行研究，研究发现：在对泡沫铝进行填充之后，和普通钢管相比滞回曲线变得更加饱满，抗震性能和滞回性能都得到明显改善和提升。辛亚军等46 通过对比传统夹芯板和符合材料夹芯板的力学性能，在静态压缩实验中发现，复合材料的夹芯板在吸能性、强度和刚度方面的性能都表现的更加显著。刘仁辉等47 对一种新的符合结构进行尝试，来实现对爆炸载荷对框架支柱的破坏程度进行降低，对泡沫铝钢板复合材料的结构保护和抗暴机理进行研究分析，研究发现复合材料的减震吸能效果更加显著。1.4当前研究存在的问题从上述国内外研

17、究现状可以看出，目前的研究还存在以下不完善的地方：(1) 国内外现阶段从力学方面对于泡沫铝及其复合材料的研究只局限于压缩性能、拉伸性能等，对其拉压循环力学性能方面研究不足；土木工程结构在遭受地震作用时，材料不可避免地往复荷载的作用，在获得单调荷载作用下的力学变形特性的过程中，还要对泡沫铝复合材料的循环力学性能进行研究，以满足工程设计的需要。(2) 泡沫铝及其复合材料，尤其是泡沫铝复合材料，主要是利用其良好的吸能能力，将其应用于需要缓冲吸能的场合，目前在结构振动控制领域的应用相对较少，并且几乎没有泡沫铝复合材料制成的复合结构。所以，对于泡沫铝复合材料制作的复合结构构件的力学性能研究，明确其破坏机

18、制，分析泡沫铝复合结构应用于减振控制的可行性及有效性，进而实现从新方法和新思路上进行结构振动控制研究。1.5此次研究的技术路线和研究内容 此次研究过程中通过将高分子粘弹性材料聚氨酯加入到通孔泡沫铝中，从而得到一种具有良好力学性能及高阻尼的结构功能一体化材料，分析研究其力学性能；在此基础上，将钢管与高阻尼复合材料复合制成一种新型钢管复合耗能柱：钢管-泡沫铝/聚氨酯复合柱，实验研究复合柱的抗震性能，对复合材料在振动控制领域的实际应用进行探讨。此次研究的主要内容包括：(1) 根据之前的研究结论，泡沫铝基体选择球形通孔泡沫铝，填充材料选择聚氨酯。结合生产聚酯氨的方式和泡沫铝的结构特点，在进行聚酯氨/泡

19、沫铝复合材料制作的时候进行合理的工艺选择。(2) 泡沫铝的力学性能研究。通过对泡沫铝复合材料的单调压缩试验和拉压循环试验，考察其在单调压缩及往复加载下的力学性能，分析研究其减振机理。(3) 钢管-泡沫铝/聚氨酯复合柱的力学性能试验研究。通过拟静力试验，研究钢管柱、钢管-泡沫铝复合柱、钢管-泡沫铝/聚氨酯复合柱的刚度、承载力、耗能能力、延性系数以及绝对耗能等的变化规律，探究将其应用于结构减振领域的可行性。2.2.2 泡沫铝的制备概述 1948年，Sosnick48使用一定温度的液态汞在铝熔体中气化制备了闭孔泡沫铝，但此制备方法存在发泡工艺和胞孔尺寸难以控制的问题；Elliott49年用可热分解气

20、体的发泡剂代替汞，制备出了更高质量并可用于实际生产的泡沫铝，此后，国外如美国50、日本51、欧洲1,52,53等发达国家逐对泡沫铝开展了深入的研究；上个世纪八十年代以来，国内的一些高校及科研机构如东南大学54,55、哈尔滨工业大学56、东北大学57、昆明理工大学58、中国科学院固体研究所59,60等从事与泡沫铝相关的研究。目前，泡沫铝的制备方法可以根据其结构特征（通孔和闭孔）进行分类61：通孔型主要包括，烧结法、电沉积法、熔模铸造法和渗流铸造法等；闭孔型主要包括，主要有熔体发泡法、注气发泡法、粉末冶金法、固-气共晶凝固法、阴极溅镀沉积法等。本课题选用的是泡沫铝类型为球形通孔泡沫铝（渗流铸造法制

21、备）。因此下文主要介绍渗流铸造法制备工艺，其他制备方法本文不做详细介绍。在铸模当中将被处理过的填料颗粒进行填装并进行成坯压制，然后对填充粒子和模具进行预热，在坯颗粒间隙将金属液进行压力渗入，再用相关溶液或者水将填料粒子溶除，从而得到通孔泡沫金属材料的方法就是渗流铸造法62。采用此方法时，必须选择具有可溶解且熔点高的填充粒子。为了避免发生粒子和金属熔体热交换导致的材料压入时出现凝固，必须预热填料粒子层。因为金属液的表面张力往往较大，因此单纯的依靠重力难以在填料缝隙当中渗入金属液，必须对金属液施加一定的压力才能保证其能够进入填料的空隙中。我们根据具体施压方式可以划分为负压法和正压法这两种渗流法：(

22、1)图1-a行业1-b展示的就是正压法，这种方法是又分成气压法和固压法。在模具中将填充颗粒进行松散的或者压成坯的装入预热模具，之后从上方交入铝熔液，并在压力作用下使压头推进，从施加压力给金属液对颗粒间隙进行填充的方法就是固压法。这种方法在使用过程中容易发生飞溅、泄露和难以控制的缺点；同时也很难对压头的预热问题进行处理。固压法和气压法有相似之处，不同的地方就是气压法的渗流压力主要来自于气体；气压法使用过程中压力可以实现无级增减，并且便于控制，同时还能够对压头的预热进行免除。通孔泡沫铝在工业生产过程中最常应用的方法就是渗流铸造法，这种工艺方法的优点显著，分别有：a) 可以对不同孔径的开孔泡沫铝进行

23、制备，同时能够保证很好的孔洞连通；b) 可以对孔均匀性、孔径和孔隙率等参数进行严格控制，方便机械加工的进行；c) 稳定可靠的制备工艺，制备泡沫铝具有较好重复性的工艺参数；d) 便于操作，生产快捷，可以对复杂构件和大尺寸构件进行工业化生产。不过，因为填充料粒子的实际影响，采用这种方法进行制作的泡沫铝存在密度变化较小，空隙较小等问题；同时，因为受到压力以及温度等因素的影响，经常会发生渗流不均、渗流过度以及渗流不足导致的孔隙不均的问题。为克服这些缺点，中南大学根据自然重力作用原理，对渗流装置做了改进，可以保证铝熔体在渗流时分布均匀化，其装置示意如图1-d所示63。(2) 负压法是通过抽真空的方式是模

24、具内形成负压，从而在大气压力的作用下使金属液渗入颗粒间隙中。在此基础上，控制铝熔体浇注量，选择预定的渗流参数，是铝熔体均匀分布于颗粒间隙中，从而获得高孔隙率泡沫铝。其装置示意如图1-c所示。2.3 泡沫铝/聚氨酯复合材料的制备流程泡沫铝/聚氨酯复合材料是以球形通孔泡沫铝为基体，将粘弹性材料聚氨酯填充入泡沫铝的孔隙中。复合材料制备前，需要制作尺寸稍大于泡沫铝试件尺寸的浇注模具，保证聚氨酯可以多方向渗入泡沫铝孔隙中。首先将泡沫铝试件放入模具中定位并进行固定，然后利用图2-2 (a)所示聚氨酯浇注机将具有自然流动性的液态聚氨酯浇入模具内，为了达到最佳填充效果，需要进行多次浇注。浇注完成后，放入如图2

25、-2 (b)所示恒温烘箱内，使聚氨酯交联固化。图2-2 (c)为泡沫铝/聚氨酯复合材料制备现场。对复合材料以及泡沫铝试件的重量在填充前后进行分别称量，从而对聚氨酯填充情况进行计算，以此筛选有较好填充效果的泡沫铝/聚氨酯复合材料试件（填充率在80%以上）。泡沫铝/聚氨酯制备流程总结如图2-3所示。2.3.2.2 纯泡沫铝的压缩力学性能本试验中三种孔径纯泡沫铝试件的试验现象基本相近，在此以孔径(d)为78mm、孔隙率(P)为64.9%的纯泡沫铝试件为例，对试验现象及结果展开描述分析，其试验全过程曲线和关键现象如图2-8所示。从图中可以看出，在不断增加外力的情况下，泡沫铝发生明显的胞壁弯曲，当外力达

26、到泡沫铝的屈服强度后，材料发生屈服，在胞壁中形成塑性铰，胞孔坍塌密实，直至全部压实，相互接触。在整个压缩过程中，试件整体表现为致密压实破坏。从压缩应力应变曲线可以看出：1) 在应变相对较小时(00.04)，应力应变曲线呈现出明显的弹性特性，此阶段材料的受力主要由泡沫铝孔壁承担，反映出球形通孔泡沫铝胞孔结构的强度特性。2) 随着应变的增大(0.040.43)，部分薄弱区域孔壁进入屈服，泡沫铝构件应力应变曲线进入塑性屈服阶段（A点），随后压缩应力应变曲线达到峰值(应力约为7MPa)，曲线渐趋于平稳，整体进入塑性阶段，在这一阶段曲线提升随着应力变大而趋于缓慢。这个时候是泡沫铝孔壁坍塌的一个变化过程，

27、反映了球形通孔泡沫铝的塑性变形能力。3) 当塑形屈服阶段结束，即达到密实化点(B点，相应应变约0.43）后，泡沫铝孔壁完全坍塌，胞孔逐渐受压密实，应力急剧增加，在应变达到0.62时，泡沫铝已基本完全密实 (C点)。泡沫铝/聚氨酯复合材料和纯泡沫铝材料的压缩应力-应变曲线对比如图2-11所示，其中复合材料的基体泡沫铝的结构参数(d=78mm,P=64.0%)与纯泡沫铝(d=78mm,P=64.9%)相近。通过压缩曲线能够发现，在压缩泡沫铝复合材料的时候一个典型的表现就是低应力水平下的显著塑性变形。相比纯泡沫铝而言，复合材料的压缩曲线存在密实、塑型平台和弹性这三个阶段。图2-11所示在弹性阶段纯泡

28、沫铝的应变曲线和泡沫铝/聚氨酯复合材料的应变曲线大致一样，表示在弹性模量方面两者在这一阶段相同，具有同样的受力机制和变形机制。泡沫铝/聚氨酯复合材料在弹性阶段呈现出泡沫铝的弹性模量，主要是因为聚氨酯属于弹性体，其刚度远小于基体泡沫铝，基本不参与受力。屈服点是此阶段的终点，y是此时的屈服应力，y是此时的屈服应变。当压缩曲线达到屈服点之后，随应变的增加，应力增加缓慢，曲线呈现所谓的塑性平台。在此阶段内，泡沫铝/聚氨酯复合材料的应力水平明显高于纯泡沫铝的压缩曲线，这是因为聚氨酯弹性材料不可压缩的体积特征，造成压缩泡沫铝/聚氨酯复合材料的过程中聚氨酯与复合材料基体相互作用，说明聚氨酯的存在明显增加了复

29、合材料的刚度，所以相比于纯泡沫铝而言其具有更快的应力提升速度。通过对图2-11的具体观察我们发现，和纯泡沫铝平台段相比复合材料的具有更长的长度，这表示复合材料的塑性变形能力要强于纯泡沫铝。这是由于在此阶段由于聚氨酯的体积不可压缩性抑制了基体泡沫铝的压缩变形，使得复合材料延缓进入密实化阶段致密，密实点就是该阶段的终点，此时的密实应力为p，密实应变为p。随着增加变形的过程中，突破密实应变，复合材料随应变发生快速应力上升，这说明已经完全压实了泡沫铝部分。这个时候，当达到一定程度的应变大小之后，相同状态下的纯泡沫铝的应力要大于泡沫铝/聚氨酯复合材料的应力大小。观察图2-11中两个曲线的比较还可看出，与

30、纯泡沫铝相比，泡沫铝/聚氨酯复合材料的压缩曲线大约在进入密实化阶段后，会有抖动现象在曲线当中发生。这是因为聚酯氨存在于弹粘弹性材料当中的原因，在压缩复合材料的过程中，因为聚酯氨的不可压缩性导致，会有很大的横向作用作用于泡沫铝胞壁当中，这部分压力可能导致薄弱胞壁发生破坏，另外用于聚酯氨的压力得到释放，相应的减轻了材料的承载力，此时应力曲线发生略微降低；如果持续加载，在下一个薄弱胞壁被破坏之前，应力曲线会继续上升一个过程。这样反复下去，复合材料就会呈现出抖动状态的盈利变化曲线。而在压缩纯泡沫铝的过程中，不会有横向力对胞壁进行压力作用，再加上铝本身具有较好的延性，屈服后的胞壁受到竖向压力的情况下依然

31、能够保持完好的胞壁，同时具备较大的变形性。因为未屈服胞壁的作用，整体上材料应力呈现出的趋势为增加状态，直到形成一个密实的试件。所以，整体呈现出一个较为光滑的圧缩曲线。图2-12、图2-13 为单调压缩下，复合材料和纯泡沫铝的变形过程。作为泡沫铝的一个关键参数，孔径可以通过截面孔隙直径的平均值来表示。由于目前的泡沫铝的生产工艺还不成熟，对于孔径对泡沫铝力学性能的影响，目前的研究报道尚无统一的结论。穆建春等65、曹晓卿等 66认为孔径对泡沫铝力学性能有显著影响，泡沫铝的泡孔孔径越大，弹性模量越小，屈服强度越小。但同时穆建春认为当孔径小于或等于1mm时，孔径对材料屈服极限的影响不明显。另外，Nieh

32、等 67研究了泡孔尺寸对泡沫铝屈服强度、杨氏模量的影响，也认为其影响很小。然而，还有部分研究人员认为孔径与开孔泡沫铝的压缩性能正相关，即随孔径的增大，泡沫铝的压缩性能提高，具体表现在屈服强度随之增大。程和法等 68,69、黄建峰等 70、张斌等 71得到了类似结论。基于上述结果的不同，田杰等 72分析认为泡沫铝的材料特征直接决定着力学性能受到孔径大小的具体影响，具有显著影响的是韧性基体材料，影响不大的是脆性基体材料。泡沫铝空隙率也会制约泡孔孔径的实际影响情况，孔隙率越大，孔径的影响就越明显。2.4.2 不同孔径球形通孔泡沫铝力学稳定性的分析为了考察孔径对球形通孔泡沫铝及其复合材料力学性能稳定性

33、的影响，图2-14图2-19比较了三种不同孔径球形通孔泡沫铝及其复合材料的压缩力学性能随孔隙率变化结果。可以看出，孔径78mm球形通孔泡沫铝及其复合材料的压缩应力应变曲线基本符合既有研究中泡沫铝随孔隙率变化的结论，而本试验中孔径56mm和910mm球形通孔泡沫铝及其复合材料的压缩曲线离散性较大，上述图中圈示曲线存在明显异常。产生此现象的可能原因是：现有球形通孔泡沫铝的制备工艺对胞孔质量的控制存在短板，制备出的试件差异较大(比如相同孔径、相同尺寸的试件，其孔隙率差异明显)，导致了压缩试验结果的离散性。基于课题组前期研究的积累，球形通孔泡沫铝与泡沫铝/聚氨酯复合材料的压缩曲线对比的结果应与图2-1

34、1所示结果一致，即球形通孔泡沫铝和泡沫铝/聚氨酯复合材料的泡沫铝基体孔隙率相同时，它们的压缩曲线对比后的规律为：弹性阶段近似吻合；在塑性平台阶段，相同应变状态下泡沫铝/聚氨酯复合材料的应力水平高于纯泡沫铝；进入密实化阶段后，随着应变的增加，当应变达到某个特殊值后，泡沫铝/聚氨酯复合材料的应力值会小于相同应变状态下纯泡沫铝的应力。而孔径56mm、78mm及910mm球形通孔泡沫铝与泡沫铝/聚氨酯复合材料的压缩曲线对比都与上述结果一致，见图2-20图2-22。鉴于上述材料试验的结果，孔径为78mm球形通孔泡沫铝及其复合材料的压缩力学性能随孔隙率变化的结果符合既有研究的结论，比较稳定。为避免材料由于

35、内部缺陷造成的离散性影响，后续试验将只采用孔径78mm的球形通孔泡沫铝材料进行研究。4.3.2 骨架曲线和滞回曲线试件抗震性能的一个重要体现就是滞回曲线在水平荷载下的变化情况72,73，反映了试件的强度、刚度、耗能及延性等抗震性能。图 4-14 具体展示了此次研究当中水平荷载下各试件的滞回曲线，即𝑃 𝛥曲线。在载荷实验当中，对滞回曲线进行峰点连接的包络线就是骨架曲线。滞回曲线和骨架曲线一起被叫做恢复力曲线，该曲线主要用于对非弹性地震反应的研究。对试件和结构的延性、变形以及承载能力都可以通过骨架曲线进行反映。图4-15对三个试件的骨架曲线进行具体展示。采用延性系数

36、对结构和构件的延性进行表示，延性越好相应的具有越大的延性系数，延性越差的则延性系数越小。转交延性、曲率延性和位移延性都属于延性系数，这些均为表征屈服后变形能力大小的主要参数。本文主要采用位移延性系数来分析钢管柱的变形能力。延性系数的定义为：(4-1)位移极限为u，屈服位移为y。结合上式，我们如果想要对延性系数进行确定，必须知道极限位移u和屈服位移y的大小。1) 位移角为y的屈服位移y因为钢管构建的弹塑性不够，对于屈服点位置无法使用骨架曲线进行判断，因此难以预测屈服位移和屈服载荷。对于结构试验试件屈服点的判断，通常确定的方法有：几何作图法、等能量法、R.PARK 法，如图4-16、4-17、4-

37、18所示。图4-16 几何作图法图4-17 等能量法图4-18 R.PARK 法2) 未移角为u极限位移u当骨架曲线中载荷下降到极限载荷的位移就是极限位移u。通常情况下，将极限状态定义为下降至峰值水平力 85%的状态，如果下降水平没有达到85，则我们将极限状态取为试验结束时的状态。4.3.4 刚度我们将等效刚度Ki定义为循环往复过程中最大位移的割线刚度，具体计算公式为：(4-2)式中，Pi为第 i 次循环峰值点水平力，i为第 i 次循环峰值点水平位移。正号代表正向加载，负号代表反向加载。4.3.5 耗能能力如果发生超出弹性极限的构件或者结构变形时，构件或者结构在卸载负荷后无法恢复原状，也就是会损失和发生参与变形，这属于弹塑性耗能。构件滞回曲线包围的面积反映了试件加载过程中的耗能值，其包围的面积越大，代表施加绝对耗能能力越好。根据相关技术标准74，在试件的相对能耗采用能量耗散系数 E 进行计算。图4-22当中的三角形面积和阴影面积的比就是能量耗散系数 E，计算方式按(4-3)进行