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樹脂-泡沫鋁復合材料制備及性能研究（三十六）

4.1 結論

泡沫鋁是一種新型的工程材料，具有諸多優異性能，但自身強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合材料是一種有效提高泡沫鋁強度的方法。本文將聚氨酯和聚脲進行共混得到共混樹脂，以改善聚氨酯強度低而受力變形較大與聚脲受力易脆性斷裂失效的缺點，并將共混樹脂填充到開孔泡沫鋁孔洞中制備成PU-PUR/Al Foam復合材料，對PU-PUR共混樹脂和PU-PUR/Al Foam復合材料進行了系統研究。本文的主要結論如下：

(1)PU-PUR 樹脂共混體系：

①對PU-PUR 樹脂共混體系的流變性能進行了研究，分析了粘度-溫度曲線和粘度-時間曲線，與DSC曲線進行對比，確定了PU-PUR樹脂共混體系的最佳固化溫度與時間。

②制備了PU-PUR樹脂共混體系的澆鑄體，進行拉伸和壓縮力學性能測試并分析應力-應變曲線、彈性模量與強度、壓縮比吸能和拉伸斷裂伸長率。在拉伸應力-應變曲線中，M4和M5澆鑄體表現出明顯的屈服階段，結合斷裂伸長率來看，M2、M3和M4三種樹脂共混體系的澆鑄體斷裂伸長率分別為31.30%、25.15%和25.82%，其數值相近且高于M5聚脲樹脂澆鑄體，其獲得了更好的韌性。澆鑄體拉伸彈性模量與強度都與共混樹脂中聚脲含量呈現正相關趨勢，在聚脲成分達到50%以上時增幅最大。綜合得到M4樹脂澆鑄體在拉伸測試中表現出的韌性和強度最高，具有最高的抗拉伸荷載性能。在壓縮應力-應變曲線中，M4和M5澆鑄體出現明顯的屈服階段，M1和M5兩種單一樹脂的澆鑄體在應變達到0.39時均失效，失效形式分別為扭曲變形和脆性斷裂，而共混樹脂澆鑄體M2、M3和M4擁有更長的平臺段并能承受更大的壓縮應變而不失效，失效應變分別為0.64、0.59和0.51。澆鑄體壓縮彈性模量、壓縮強度和壓縮比吸能都與共混樹脂中聚脲含量呈現正相關趨勢，M4具有最高的壓縮強度，而M5則要略小，聚脲成分達到50%以上時聚脲含量增加對壓縮強度增加所起作用有限。綜合得到M4樹脂澆鑄體在壓縮測試中表現出的韌性和強度最高，在抵抗壓縮荷載時具有最好的性能。

③PU-PUR樹脂共混體系澆鑄體拉伸斷面的SEM顯示，拉伸斷面都表現得平整，沒有出現分相現象，說明聚氨酯和聚脲兩種樹脂的相容性很好。

(2)Al Foam和PU-PUR/Al Foam復合材料：

①進行了Al Foam及PU-PUR/Al Foam復合材料的落錘沖擊測試并分析了結果。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、中心空洞和背凸現象相較于30J和40J更加嚴重，Al Foam 板的擊穿能量為50J。從 Al Foam的載荷-時間曲線，載荷-位移曲線，能量-時間曲線得到Al Foam在落錘沖擊時響應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，但聚脲樹脂的脆性斷裂 現象造成M5/Al Foam背面的裂縫數目更多而延伸范圍廣，可以從泡沫鋁孔洞中間延伸，導致M5/Al  Foam在受到沖擊荷載作用時更容易脆斷失效。而M4/Al Foam其樹脂中的30%聚氨酯增強了樹脂韌性，受到沖擊后裂縫延伸受阻，增強了M4/Al Foam的抗沖擊能力。從PU-PUR/Al Foam的載荷-時間曲線，載荷-位移曲線，能量-時間曲線分析得到M4/Al Foam和M5/Al Foam沖擊響應速度很快，分別在1.92ms、1.86ms內就能達到峰值載荷8196N、8668N與峰值能量48.518J、48.476J, 且其沖擊持續時間為7.53 ms、7.37ms, 總位移較低為6.93mm、6.25mm，吸能比較高均為93.71%,可知兩種復合材料上述性能的數值都很接近。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復合材料。

②Al Foam及PU-PUR/Al Foam復合材料的壓縮試驗的結果分析表明：在壓縮應力-應變曲線上Al Foam和PU-PUR/Al Foam都出現線彈性階段、屈服階段和壓實階段，PU-PUR/Al Foam隨著聚脲占樹脂成分的增大而表現出更明顯的塑性特征且平臺段長度也逐漸降低。M1/Al Foam和M5/Al Foam復合材料可承擔的應變分別比對應的PU和PUR樹脂澆鑄體高0.27和0.08，說明泡沫鋁骨架的存在改善了兩種樹脂在壓縮應變較大時的扭曲變形和脆斷失效問題。PU-PUR/Al Foam的壓縮彈性模量、壓縮強度和比吸能則隨著樹脂中聚脲含量的增加而增大，且都高于對應的樹脂澆鑄體。M5/Al Foam的壓縮彈性模量和強度為851.95MPa和107.32 MPa，壓縮比吸能26925.15mJ/g，均高于其他類型的復合材料。綜合分析得到M5/Al Foam是抵抗壓縮載荷時性能最佳的復合材料。

③Al Foam及PU-PUR/Al Foam復合材料的簡支梁沖擊試驗的結果分析表明：PU-PUR/Al Foam在樹脂中聚脲含量達50%以上時沖擊韌性增加顯著，M4/Al Foam和M5/Al Foam的沖擊韌性最高且數值接近，分別為46.15 kJ/m2 和44.98 kJ/m2，說明M4/Al Foam和M5/Al Foam均為抵抗簡支梁沖擊荷載時性能最佳的復合材料。