镍涂层碳纤维增强的铝基合成泡沫的能源吸收能力和压缩性能得到提升

《Composites Communications》：Enhanced energy absorption and compressive behavior of aluminum matrix syntactic foams reinforced by nickel-coated carbon fibers

镍涂层碳纤维增强铝玻璃微球 syntactic泡沫通过真空热压法制备，系统研究烧结压力（10-20MPa）、温度（580-620°C）和体积分数（0-0.5 vol%）对微观结构和压缩性能的影响。600°C/15MPa及0.3 vol% Ni-CFs时实现最佳综合性能：密度96.5%、峰值应力124.5 MPa、平台应力116.5 MPa、压缩应变47.1%，能量吸收率达55.8 MJ/m3，较传统材料提升107%。研究揭示了Ni涂层对界面冶金结合的强化作用及抑制Al?C?生成的机理，为轻量化吸能结构开发提供理论支撑。

　　

Xianzhang Meng|Liying Sun|Kangfei Duan|Haitao Wang|Zhiyi Liu|Oleg Tolochko|Jun Yan|Puguang Ji|Fuxing Yin

材料科学与工程学院，高性能轧制材料与复合成形国家重点实验室，“一带一路”先进材料国际联合研究中心，河北工业大学，天津，300130，中国

摘要

具有优异能量吸收能力的轻质结构材料在汽车、航空航天及其他工程应用中越来越受到关注。本研究通过真空热压法制备了镀镍碳纤维增强铝玻璃微球嵌段泡沫（Ni-CFs/Al-GCs SFs）。系统研究了烧结压力（10-20 MPa）、温度（580-620 °C）和Ni-CF体积分数（0-0.5 vol%）对微观结构和压缩性能的影响。过高的烧结参数会导致Al玻璃微球和Ni-CFs的损伤，而参数不足则会导致基体孔隙率和界面脱粘。在600 °C和15 MPa的条件下，整体结构完整性得到了良好保持。同时，Ni-CF体积分数显著影响了能量吸收能力。当Ni-CF体积分数为0.3 vol%时，达到了最佳性能：峰值应力为124.5 ± 2.5 MPa，平台应力为116.5 ± 2.3 MPa，致密化应变率为47.1 ± 1.0%，能量吸收能力为55.8 ± 2.1 MJ m^?3。Ni涂层促进了界面冶金结合，并抑制了Al₄C₃的形成，使得能量吸收能力比Al-GCs SFs提高了约107%，比CFs/Al-GCs SFs提高了约84%。所制备的泡沫具有较高的比能量吸收率（41 J g^?1）和比平台强度（85 MPa g^?1 cm^?3），显示出在轻质能量吸收结构方面的巨大潜力。

引言

在汽车、航空航天和弹道防护领域，对具有高能量吸收能力的轻质结构材料的需求正在增加[[1], [2], [3], [4]]。铝基复合材料（AMCs）因其低密度、高比强度和优异的能量吸收能力而受到广泛关注[[5], [6], [7]]。其中，铝基嵌段泡沫（AMSFs）通过将微球引入铝基体中形成可控的多孔结构。这些微球也可以作为颗粒增强金属基复合材料中的增强相[[8], [9], [10], [11], [12]]，赋予材料轻质、高比强度和高比刚度的优点[[13], [14], [15], [16]]。因此，这些材料被广泛应用于能量吸收装置、抗爆和防弹装甲以及汽车和船舶外壳中，在碰撞过程中能够显著吸收冲击能量[[17], [18], [19], [20]]。Thiyagarajan等人通过搅拌铸造法制备了含有10-35 vol%玻璃微球（GCs）的AMSFs，发现GC体积分数从10 vol%增加到35 vol%可显著降低密度，同时平台应力和能量吸收能力分别提高了约17%和26%[21]。然而，Vogiatzis等人观察到，在较高的微球体积分数下，复合材料的整体强度往往难以进一步提高平台应力和峰值应力[22]。 为了提高GCs增强AMSFs的强度和能量吸收性能，Kai Sun等人提出了使用直径较小的微球作为增强剂的策略；但这种方法通常会导致复合材料密度增加[23]。相比之下，引入高模量和高强度的碳纤维是一种更优的策略[24]。然而，碳纤维与铝基体之间的润湿性较差是一个持续存在的挑战，这通常会导致在高温处理过程中形成脆性的Al₄C₃相[25]。这些反应产物不仅会削弱界面结合，还可能成为裂纹的起始点，导致材料过早失效。研究表明，在碳纤维上涂覆Ni可以有效改善润湿性并抑制有害的界面反应[26]。Zhong等人的研究指出，用镀镍碳纤维（Ni-CFs）增强的AMCs的弯曲强度和层间剪切强度分别提高了约81%和86%，优于未涂镍的碳纤维[27]。已有研究表明，适当的纤维添加可以显著提高夹层复合材料的韧性和能量吸收能力[28]。因此，引入Ni-CFs可以实现与GCs协同的多阶段能量耗散。在该复合系统中，GCs的逐步破碎促进了初级能量吸收，而Ni-CFs通过拔出和断裂等机制抑制了裂纹扩展并进一步耗散能量。然而，优化碳纤维体积分数至关重要，因为过高的Ni-CF体积分数可能导致应力集中，从而引发局部脆性失效[29]。 在制备过程中，传统的压力渗透法常因高温铝熔体与GCs之间的严重界面反应而受到影响，导致GCs破裂[30]。相比之下，热压法可以在较低温度下进行制备，显著减少GCs的破碎和界面反应；但需要精确控制加工参数。过高的烧结压力可能导致GCs破裂[31]，而过高的烧结温度会加速铝基体与GCs壁之间的反应，形成脆性的Al₂O₃相并导致GCs壁塌陷[32]。因此，优化烧结参数（即压力和温度）至关重要，以确保Ni-CFs与AMSFs之间形成致密的界面结合，同时防止GCs失效和有害界面产物的形成[33]。 基于此，本研究重点研究了通过热压法制备Ni-CFs增强的AMSFs。通过改变Ni-CF体积分数（0.1%至0.5%）以及烧结压力（10、15和20 MPa）和温度（580、600和620 °C），合成了一系列样品。本研究旨在阐明加工参数和Ni-CF体积分数对微观结构演变、界面完整性、相对密度以及关键机械性能（包括能量吸收能力、峰值应力、平台应力和致密化应变）的影响。此外，还严格分析了Ni-CFs和GCs在压缩过程中的失效机制。最终，本研究旨在确定实现显著能量吸收性能所需的最佳Ni-CF体积分数和烧结参数。

材料

本研究选择纯铝粉和Al玻璃微球（GCs）作为基体材料，体积比为1:1，Ni-CFs作为增强剂。高纯度铝粉（纯度≥99.9%，平均粒径1-2 μm）由河南源阳粉末技术有限公司提供，其形态如图1a所示。Al玻璃微球（GCs）由中钢马鞍山矿业研究院新材料技术有限公司提供，主要由SiO₂组成。

微观结构表征

图2展示了在不同烧结温度、压力和Ni-CF体积分数下Ni-CFs/Al-GCs SFs的微观结构。此外，还通过EDS线扫描研究了元素扩散情况。

图2a–c展示了不同烧结温度下复合材料的微观结构演变。在580 °C时（图2a），GCs与铝基体之间的界面脱粘现象普遍存在。尽管抛光过程可能导致GCs的脱粘或断裂

结论

本研究成功通过热压法制备了Ni-CFs/Al-GCs SFs。系统分析了烧结温度、烧结压力和Ni-CF体积分数对准静态压缩性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  最佳烧结条件为600 °C和15 MPa，Ni-CF体积分数为0.3 vol%。在此条件下，相对密度达到0.965 ± 0.003。复合材料表现出

CRediT作者贡献声明

Xianzhang Meng：撰写 – 原始草稿，方法学，数据管理。 Liying Sun：可视化，撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。 Kangfei Duan：验证，研究。 Haitao Wang：方法学，研究。 Zhiyi Liu：数据管理，研究。 Oleg Tolochko：正式分析，资金获取。 Jun Yan：项目管理。 Puguang Ji：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，资金获取，概念化。 Fuxing Yin：资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了河北省科技计划（编号：25361001D）和天津国家重点实验室重大专项（编号：25ZXZSSS00140）的财政支持。