樹(shù)脂-泡沫鋁復(fù)合材料制備及性能研究（三十六）

4.1 結(jié)論

泡沫鋁是一種新型的工程材料，具有諸多優(yōu)異性能，但自身強(qiáng)度較低限制了其在工程界的推廣使用，將高分子聚合物填充到泡沫鋁孔洞中形成復(fù)合材料是一種有效提高泡沫鋁強(qiáng)度的方法。本文將聚氨酯和聚脲進(jìn)行共混得到共混樹(shù)脂，以改善聚氨酯強(qiáng)度低而受力變形較大與聚脲受力易脆性斷裂失效的缺點(diǎn)，并將共混樹(shù)脂填充到開(kāi)孔泡沫鋁孔洞中制備成PU-PUR/Al Foam復(fù)合材料，對(duì)PU-PUR共混樹(shù)脂和PU-PUR/Al Foam復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本文的主要結(jié)論如下：

(1)PU-PUR 樹(shù)脂共混體系：

①對(duì)PU-PUR 樹(shù)脂共混體系的流變性能進(jìn)行了研究，分析了粘度-溫度曲線(xiàn)和粘度-時(shí)間曲線(xiàn)，與DSC曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，確定了PU-PUR樹(shù)脂共混體系的最佳固化溫度與時(shí)間。

②制備了PU-PUR樹(shù)脂共混體系的澆鑄體，進(jìn)行拉伸和壓縮力學(xué)性能測(cè)試并分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、彈性模量與強(qiáng)度、壓縮比吸能和拉伸斷裂伸長(zhǎng)率。在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中，M4和M5澆鑄體表現(xiàn)出明顯的屈服階段，結(jié)合斷裂伸長(zhǎng)率來(lái)看，M2、M3和M4三種樹(shù)脂共混體系的澆鑄體斷裂伸長(zhǎng)率分別為31.30%、25.15%和25.82%，其數(shù)值相近且高于M5聚脲樹(shù)脂澆鑄體，其獲得了更好的韌性。澆鑄體拉伸彈性模量與強(qiáng)度都與共混樹(shù)脂中聚脲含量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，在聚脲成分達(dá)到50%以上時(shí)增幅最大。綜合得到M4樹(shù)脂澆鑄體在拉伸測(cè)試中表現(xiàn)出的韌性和強(qiáng)度最高，具有最高的抗拉伸荷載性能。在壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中，M4和M5澆鑄體出現(xiàn)明顯的屈服階段，M1和M5兩種單一樹(shù)脂的澆鑄體在應(yīng)變達(dá)到0.39時(shí)均失效，失效形式分別為扭曲變形和脆性斷裂，而共混樹(shù)脂澆鑄體M2、M3和M4擁有更長(zhǎng)的平臺(tái)段并能承受更大的壓縮應(yīng)變而不失效，失效應(yīng)變分別為0.64、0.59和0.51。澆鑄體壓縮彈性模量、壓縮強(qiáng)度和壓縮比吸能都與共混樹(shù)脂中聚脲含量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，M4具有最高的壓縮強(qiáng)度，而M5則要略小，聚脲成分達(dá)到50%以上時(shí)聚脲含量增加對(duì)壓縮強(qiáng)度增加所起作用有限。綜合得到M4樹(shù)脂澆鑄體在壓縮測(cè)試中表現(xiàn)出的韌性和強(qiáng)度最高，在抵抗壓縮荷載時(shí)具有最好的性能。

③PU-PUR樹(shù)脂共混體系澆鑄體拉伸斷面的SEM顯示，拉伸斷面都表現(xiàn)得平整，沒(méi)有出現(xiàn)分相現(xiàn)象，說(shuō)明聚氨酯和聚脲兩種樹(shù)脂的相容性很好。

(2)Al Foam和PU-PUR/Al Foam復(fù)合材料：

①進(jìn)行了Al Foam及PU-PUR/Al Foam復(fù)合材料的落錘沖擊測(cè)試并分析了結(jié)果。從Al Foam的破壞形貌可知，在50J的沖擊能量下，Al Foam板的變形程度、中心空洞和背凸現(xiàn)象相較于30J和40J更加嚴(yán)重，Al Foam 板的擊穿能量為50J。從 Al Foam的載荷-時(shí)間曲線(xiàn)，載荷-位移曲線(xiàn)，能量-時(shí)間曲線(xiàn)得到Al Foam在落錘沖擊時(shí)響應(yīng)速度快且吸能比極高，證明Al Foam是綜合抗落錘沖擊性能極好的材料。從PU-PUR/Al Foam的破壞形貌可知，M4/Al  Foam和M5/Al  Foam兩 種 復(fù)合材料在受到50J 的落錘沖擊能量后的變形程度和背凸更小，但聚脲樹(shù)脂的脆性斷裂 現(xiàn)象造成M5/Al Foam背面的裂縫數(shù)目更多而延伸范圍廣，可以從泡沫鋁孔洞中間延伸，導(dǎo)致M5/Al  Foam在受到?jīng)_擊荷載作用時(shí)更容易脆斷失效。而M4/Al Foam其樹(shù)脂中的30%聚氨酯增強(qiáng)了樹(shù)脂韌性，受到?jīng)_擊后裂縫延伸受阻，增強(qiáng)了M4/Al Foam的抗沖擊能力。從PU-PUR/Al Foam的載荷-時(shí)間曲線(xiàn)，載荷-位移曲線(xiàn)，能量-時(shí)間曲線(xiàn)分析得到M4/Al Foam和M5/Al Foam沖擊響應(yīng)速度很快，分別在1.92ms、1.86ms內(nèi)就能達(dá)到峰值載荷8196N、8668N與峰值能量48.518J、48.476J, 且其沖擊持續(xù)時(shí)間為7.53 ms、7.37ms, 總位移較低為6.93mm、6.25mm，吸能比較高均為93.71%,可知兩種復(fù)合材料上述性能的數(shù)值都很接近。綜合上述分析得到M4/Al Foam是抵抗落錘沖擊載荷性能最佳的PU-PUR/Al Foam復(fù)合材料。

②Al Foam及PU-PUR/Al Foam復(fù)合材料的壓縮試驗(yàn)的結(jié)果分析表明：在壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上Al Foam和PU-PUR/Al Foam都出現(xiàn)線(xiàn)彈性階段、屈服階段和壓實(shí)階段，PU-PUR/Al Foam隨著聚脲占樹(shù)脂成分的增大而表現(xiàn)出更明顯的塑性特征且平臺(tái)段長(zhǎng)度也逐漸降低。M1/Al Foam和M5/Al Foam復(fù)合材料可承擔(dān)的應(yīng)變分別比對(duì)應(yīng)的PU和PUR樹(shù)脂澆鑄體高0.27和0.08，說(shuō)明泡沫鋁骨架的存在改善了兩種樹(shù)脂在壓縮應(yīng)變較大時(shí)的扭曲變形和脆斷失效問(wèn)題。PU-PUR/Al Foam的壓縮彈性模量、壓縮強(qiáng)度和比吸能則隨著樹(shù)脂中聚脲含量的增加而增大，且都高于對(duì)應(yīng)的樹(shù)脂澆鑄體。M5/Al Foam的壓縮彈性模量和強(qiáng)度為851.95MPa和107.32 MPa，壓縮比吸能26925.15mJ/g，均高于其他類(lèi)型的復(fù)合材料。綜合分析得到M5/Al Foam是抵抗壓縮載荷時(shí)性能最佳的復(fù)合材料。

③Al Foam及PU-PUR/Al Foam復(fù)合材料的簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)的結(jié)果分析表明：PU-PUR/Al Foam在樹(shù)脂中聚脲含量達(dá)50%以上時(shí)沖擊韌性增加顯著，M4/Al Foam和M5/Al Foam的沖擊韌性最高且數(shù)值接近，分別為46.15 kJ/m2 和44.98 kJ/m2，說(shuō)明M4/Al Foam和M5/Al Foam均為抵抗簡(jiǎn)支梁沖擊荷載時(shí)性能最佳的復(fù)合材料。