1、第 1 页 共 33 页高 g 值环境下的缓冲材料特性研究摘要缓冲材料的选取直接的影响到缓冲结构的性能, 本文通过对指标缓冲效率的分析,采用弹载存储测试技术记录弹体高速侵彻硬目标过程中的加速度时间曲线，对泡沫铝的特性进行研究，并根据非线性缓冲理论，选取泡沫铝，沙子及橡胶作为缓冲材料，对高过载存储测试电路模块进行缓冲保护，并利用空气炮冲击考核泡沫铝对测试电路模块的缓冲效果。测试结果表明，泡沫铝和沙子的缓冲吸能效果是明显的。关键词：泡沫铝，沙子，橡胶，测试电路模块，缓冲效果，空气炮第 2 页 共 33 页The research of the characteristics of cushion
2、materials in high overload measurementABSTRACTCushion material selection direct influence to cushion structure performance, this article through to target cushion efficiency analysis, to use in the missile-mounted memory test technical notes shell body high speed penetration hard target process the
3、acceleration - time curve，and conducts the research to the froth aluminums characteristic, and according to the misalignment cushion theory, the selection froth aluminum, the sand and the rubber takes the cushion material, Carries on the cushion protection to the high overload memory test circuit mo
4、dule, and using air artillery impact inspection froth aluminum to test circuit module cushion effect。The test result indicated that the froth aluminum and the sand cushion attracts can the effect be obvious.。Key Words: Froth aluminum, sand, rubber, test circuit module, cushion effect, air artillery1
5、 引言1.1 本课题的研究背景和研究意义人们在生活中，很早就运用了缓冲技术。例如人们在包装运输物资时，往往在运输箱里填充一些木屑、碎纸、泡沫塑料等。或者在箱外缠裹一些草绳，以防在运输装卸过程发生冲击而损坏箱内物资。这是最简单的缓冲或减振措施。随后，缓冲技术被运用到了生活的各个方面，产品的缓冲包装，汽车保险杠的减震等等，并且都迅速发展起来。近几十年来，人们都将减振抗冲技术的研究作为改善设备性能和安全的重要研究内容。传统的隔振防冲设计理论对于兼顾隔振防冲的双重要求，特别是对于大冲击、强非线性系统的动力分析与设计表现出缺陷与不足。对于越来越恶劣的环境条件，以及为适应这些条件对工作设备提出的苛刻要求，
6、迫使材料理论和技术、设计理论和技术以及器材不断充实、发展和完善,动力学防护理论和技术也需第 3 页 共 33 页要随之发展与提高 .1,2。随着科学技术的发展，金属泡沫化的材料制备及性能研究已成为研究热点。泡沫金属在压缩过程中, 有高而宽的应力平台,在压缩过程中大量能量在近似恒应力下被吸收。这种特性使得泡沫金属具有很高的吸能效率。相对泡沫塑料，泡沫金属有很多的优点,如泡沫金属的强度更高,能实现高能量的吸收，同时具有高温稳定性。因此，对于如何评估泡沫铝的吸能特性以及如何选择合适密度的泡沫铝做缓冲器，已经成为人们很关注的问题。作为一种新型的工程结构材料，泡沫铝材料具有较低的相对密度(只有铝合金的
7、40%左右)，较大的可调节孔径(0.35.5mm), 较高的孔隙率。正是由于质轻和疏松的孔洞结构，泡沫铝具有良好缓冲吸能等性能。文 3-5研究表明,开孔泡沫铝具有良好的冲击衰减性能。由上述可知，压缩吸能是泡沫铝的重要应用，利用它可以保护弹载电子设备在侵彻过程的高冲击过载下不被破坏，使电子设备所承受的冲击加速度降低到其许可加速度范围之内。1.2 泡沫金属的发展现状在传统的工程材料中，孔洞常被认为是一种结构上的缺陷,因为它们往往是裂纹形成和扩展的中心，对材料力学性能产生不利影响。但是,当材料中的孔洞的数量增加到一定的程度且有规律地分布时，就会因为这些孔洞的存在而具有一些特殊的性能,从而形成一个新的
8、材料门类，这就是所谓的多孔或泡沫材料 6 。目前的人造多孔材料包括多孔塑料、多孔陶瓷、多孔金属等 7。一般认为当多孔材料的孔隙率在40 % - 98 %时，可称之为泡沫材料,但多数学者都将多孔材料和泡沫材料视为等同的概念,并不以孔隙率所区别 8 。泡沫金属的历史不长,在其发展历程中，研制和开发大都以轻金属铝为主要对象，这是由于铝及其合金具有熔点低、铸造性能好等特点 9 。早在20 世纪40 年代后期,美国就首先对泡沫铝进行了研究。最初是由Sonik 提出利用汞在铝中气化而制取泡沫铝的想法,随后Elliot 于1951 年成功生产出泡沫铝,这标志着泡沫金属研制的开始。随着材料科学的进步,到上世纪
9、80 年代后期已开发出一些有价值的泡沫金属生产工艺。目前,日本与德国在研究、生产与应用泡沫铝以及其它金属泡沫材料方面居于世界领先地位。我国对泡沫铝的研究始于第 4 页 共 33 页20 世纪80 年代后期,并已取得了一系列的研究成果 10 。多孔泡沫金属是近20 年来迅速发展的新型结构功能材料, 其中泡沫铝就是一种集各种特殊性能与轻质、较高刚度和强度于一体的材料, 因这种材料具有独特的力学行为而受到各国研究人员的广泛关注。泡沫铝是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料。它兼有连续金属相和分散空气相的特点。是集多种优良性能(高比强度、高比表面积、阻尼、冲击能量吸收、隔声
10、、隔热和电磁屏蔽等)于一身的新型结构功能泡沫材料。它是世界上目前研究最为成熟的一种泡沫金属材料，具有特殊的多孑L结构、优良性能以及广泛的应用前景，从而成为21世纪前沿热点材料之一。我国的泡沫铝试验研究工作起步较晚。国内一些研究机构从80年代才开始系统地研究泡沫铝。泡沫铝是我国“863”计划的新型轻质多功能材料的主导产品之一，由东北大学研究成功。经过多年来的探索和努力工作，东南大学、贵州科学院、大连理工大学、西南铝加工厂、上海众汇厂等一些研究单位已初步掌握了泡沫铝的生产方法及发泡技术。目前东南大学、贵州科学院分别用精密铸造法和直接发泡法成功地制取了泡沫铝样品。取得了可喜的成绩。2 高 g 值冲击
11、加速度实验模拟装置在弹体硬目标侵彻试验中，弹上的电子装置将承受几万甚至十万个 g 以上的加速度，这可能导致电子装置的失效，造成不可挽回的损失。采用弹载存储装置测取弹体侵彻过程的高 g 值加速度时，由于诸多原因（电路模块、电池损坏，传感器、电源导线断裂等） ，使测试数据丢失。为了尽量减小损失，最大限度地降低现场试验的风险，在实弹现场射击之前，利用高 g 值冲击加速度实验模拟装置在对芯片、电路模块、测试装置进行高 g 值冲击考核，使可能存在的问题尽早暴露，并采取措施加以解决,从而提高弹载电子装置的可靠性和恶劣环境中的存活性。另外，要确定加速度传感器灵敏度系数，及其在所一定的频率和幅度范围内如何变化
12、（即频率响应、幅值线性等） ；研究实际使用加速度传感器的环境特性，即在可能遇到的各种条件下灵敏度如何变化（例如压电加速度计在高 g 值加速度冲击时通常发生零漂或灵敏度改变，但其原因目前尚不完全清楚） ，都需要在实验第 5 页 共 33 页室对加速度传感器进行振动、冲击校准，这里不仅是幅值校准，还应包括波形（相位）校准。国内目前能够实现火炮发射冲击载荷主要有:火炮、空气炮和药模拟炮 11- 13 L 利用真实的火炮进行高过载试验, 载荷环境最准确, 但需要到靶场动用火炮, 试验费用高、试验周期长、费时费力, 而且试件随炮弹飞出, 不易回收, 获取试验数据比较困难;空气炮是一种利用高压空气突然释放
13、推动试件前进, 从而模拟火炮发射过载的试验装置 L 利用空气炮模拟火炮发射, 空气炮是以突然释放的压缩气体对试验弹产生的压力模拟膛压的一种试验设施，根据气体压力、隔板厚度的变化以及气体炮的口径不同可以获得不同的发射过载值。若在炮口外设置不同材质及厚度的靶板，可以获得不同的过载值。通常发射过载值较小，达不到 50 000 g，而撞击过载值可以达到 50 000 g，但作用力的持续时间也在微秒级，且用该方法每打一发试验弹，需耗费一块靶板,试验费用较高，试验过程较复杂， 具有安全、费用低、试验时间短、试件易回收等优点, 但产生的过载曲线与实际火炮有差别, 对试验件的质量要求较严;火药模拟炮具有以上两
14、者的优点, 其发射采用类似火炮的火药装药, 回收采用类似空气炮的气体缓冲回收, 具有产生的载荷曲线准确、试验件回收容易、费用低、准备时间短及可使用质量较大试验件等优点。炮膛内高速运动试件的试验数据采集方法通常有 3 种 14,15可供选择: 有线法, 该方法是在炮膛外对其进行采集存储; 无线电遥测法, 该方法是在试件内加装无线电收发设备, 通过无线电将采集的信号传出炮膛, 经过炮膛外的无线电接收装置进行采集存储; 弹上存储法, 该方法是在弹上加装数据采集存储设备L。而实验室常用的高 g 值冲击加速度模拟实验和校准装置有以下几种：跌落（气动）冲击试验机、马歇特锤、空气炮、Hopkinson 杆等
15、。其中跌落冲击试验机是将试件安装在刚性的试验台面上，提升台面到一定高度 h，然后突然释放，使试件和试验台一起自由跌落在弹性或塑性体（波形发生器）上，在碰撞过程中，台面及被试设备受到一个近似半正弦加速度脉冲作用。可以产生脉冲的峰值加速度为 103g 的量级、持续时间为毫秒级 11,22 ；马歇特锤是通过不同速度的锤头与第 6 页 共 33 页刚性面碰撞，能产生的加速度脉冲幅值可以达到 23 万 g，但此时脉冲宽度只有几十微秒，能量并不高，主要用于对加速度计、集成电路等轻质量物体进行高 g值冲击考核。3 泡沫铝的结构性能及其应用3.1 泡沫铝的结构泡沫铝(foam Aluminum)的铝基体中分散
16、着无数气泡，因此它是一种超轻型的多孔性金属材料。按孔结构划分。泡沫铝通常可分为泡状铝(闭孔泡沫铝)和多孔铝(通孔泡沫铝)两类。前者孔隙率在80以上，孔径一般为 25mm，各孔互不相通；后者的孔隙率在6075，孔径一般为 082mm，各孔相互连通。前者是采用直接发泡法制造。即向铝液中直接加发泡剂进行发泡，气孔互不连通相对独立。泡沫体为闭孔结构。采用直接发泡生产泡沫铝，尽管气泡尺寸难以均匀，但该法生产成本低廉，已经成为当前生产泡沫铝的主要方法。后者采用加压渗流法制造，气孔相互连通，泡沫体为通孔结构。但是，在大多数的泡沫铝金属中，通常同时存在开孔结构和通孔结构。图1为开孔泡沫铝的微观结构和闭孔泡沫铝
17、的微观结构。第 7 页 共 33 页开孔泡沫铝 闭孔泡沫铝图1 泡沫铝微观结构3.2 泡沫铝的性能右图为泡沫铝样片表向图. 泡沫铝是由少量铝金属骨架及大量气泡组成因其特殊的疏松孔洞结构，质轻而具有许多独特的性能，如:通孔泡沫铝具有大的表面积，具有很好的散热能力，可用于热交换，而闭孔的泡沫铝导热系数很低，又可作绝热材料，当声波进入泡沫铝孔洞时会发生漫反射，进入孔洞的声波会使基体铝骨架振动，释放能量而消耗声能，因而又是一种优异的吸声材料，可制作各种消声器.同时十以可用千制作高颁率电磁波的电磁屏蔽材料。气泡所造成的宏观对称破缺(macroscopic broken sym-metry)是其轻质和多功
18、能兼容性的根源所在。泡沫铝不但具有金属的特性：强度、韧性、钢性、耐热性、传热性、可加工性、金属光泽。而且还具有气泡的一系列特性：重量轻、吸音、吸收冲击波、减震耗能、绝热等。3.2.1 物理性能轻质，密度约为金属铝的0104倍；泡沫铝的比重范围在0205gcm3，其平均值只有铝比重的110；比表面积大。3.2.2 阻尼性能高阻尼抗震性能及冲击能量吸收第 8 页 共 33 页率阻尼性能为金属铝的5l0倍。譬如孔隙率为84的泡沫铝发生50的变形时，可吸收25MJ/m 3以上的能量。泡沫铝不象蜂窝材料那样具有方向性，也不象高分子泡沫材料具有反弹作用，它是很好的吸音减震材料。图2为泡沫铝的压缩应力与压缩
19、率的关系图。在压缩应力一压缩率曲线上有一个很长的平稳段，即应变强烈 图2 压缩应力与压率滞后于应力，因而泡沫铝是一种具有高能量吸收特征的轻质高阻尼材料。3.2.3 力学性能高刚度，其抗弯刚度为钢的15倍：但其抗拉强度较低。3.2.4 耐热性能泡沫铝具有很高的耐热性能，即使达到基体合金的熔点也不熔解。一般铝合金的熔解温度范围在560700 0C，但泡沫铝即使加热到1 400 0C也不熔解 16而且还具有不燃等特点，可作为阻燃材料使用。3.2.5 其他性能泡沫铝的电阻率约为铝的100倍，热导率为铝的1400，除此之外还具有良好的电磁屏蔽效应、耐腐蚀性、过滤性、气敏性、催化性等。3.3 泡沫铝的应用
20、基于泡沫铝的上述多种优点，它一直被期望作为一种优良材料加以开发利用。在建筑工业中，它可以用作为屏蔽墙、天花板、地板之类的隔音材料以及建筑物内外装饰性材料；在交通运输中，它可以用作船舶、汽车、铁路车辆与航空航天飞机的缓冲部件和各种包装箱，特别是空运包装箱：此外还可用于家庭设施、公告牌、路标、高速公路的护栏、抛物面天线、音响器材、热交换器、多孔电极、医用植体、半导体气体扩散盘、过滤器、塑料成型模等。另外，泡沫铝对冲击能量具有优良的吸收性能，是制造抗冲击部件的良好材料，可用于汽车防冲档、刹车器、加紧装置、机械装置的保护外壳，飞机外壳夹层(冲缓爆炸冲击波)和太空飞行器的防护层(可捕捉太空碎片)，航空航
21、天设备中的保护封套和缓冲器以及军事防护工程。泡沫铝还具有优良的减震性能，其阻尼性的大小与气孑L孑L径的大小有关，可用于升降机和传送器的安全垫、高速磨床防护装置的减震吸能内衬、高精密机床的底座等。它还可充当计算机房抗电磁波干扰的屏蔽材料 16-17。第 9 页 共 33 页4 缓冲材料吸能评估及其特性缓冲材料缓冲性能的好坏，主要取决于其缓冲效率的高低.缓冲效率高,意味着在相同的条件下使用较少的缓冲材料，就能达到同样的缓冲目的。当材料的应力-应变曲线与横座标之间的面积越大，则其积蓄或吸收的能量就越大，缓冲效率也就越高 18。图 1 阴影部分的面积就相当于全部缓冲材料所积蓄的能量 E，它是材料面积
22、A；厚度 h 和单位体积的能量 U0 之积。即 （1） 第 10 页 共 33 页经调查研究发现泡沫铝及其合金、泡沫塑料等新兴材料由于其特殊的结构而表现出特有的非线性缓冲特性。有关泡沫铝材料的静态和动态力学性能、应变率对各力学性能指标和吸能效率的影响以及泡沫铝结构的微观机理等问题，已经有了多方面的研究。文献 19-20 主要集中在对泡沫铝材料缓冲吸能特性的评估方法的研究，明确了吸能效率曲线和理想吸能效率曲线的应用范围，为缓冲器的选材和设计提供了依据。文献 21-23研究了泡沫铝在准静态和动态加载条件下的压缩行为和能量吸收机理问题,并取得了初步研究成果。文献 23-25研究了孔经、孔隙率等因素对
23、泡沫铝材料的弹性模量，屈服应力，能量吸收率的影响及泡沫铝的动态力学性能。此外，大量文献研究了泡沫铝的静态和动态力学性能，研究结果表明，压缩吸能是泡沫铝的重要特性，即在吸收大量的冲击能后，传递给受保护物的应力应小于其破坏应力，从而使受保护物免受破坏。从泡沫铝的应力应变曲线（图 2）可以看出，泡沫铝在压缩过程中有高而宽的应力平台，即应变强烈滞后于应力，在压缩过程中大量能量在近似恒应力下被吸收。这种特性使得泡沫铝具有很高的吸能效率。4.1 吸能评估泡沫金属在压缩过程中, 有高而宽的应力平台(如右图),在压缩过程中大量能量在近似恒应力下被吸收 17。这种特性使得泡沫金属具有很高的吸能效率。相对泡沫塑料,泡沫金属有很 图3多的优点,如泡沫金属的强度更高,能实现高能量的吸收,同时具有高温稳定性。因
