曹云飛，趙艷君,b，李留洋，潘利文，唐鵬,b

泡沫鋁填充管的研究進(jìn)展

曹云飛a，趙艷君a,b，李留洋a，潘利文a，唐鵬a,b

（廣西大學(xué) a.資源環(huán)境與材料學(xué)院 b.廣西生態(tài)型鋁產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004）

泡沫鋁填充管是在一個或多個不同橫截面形狀的薄壁金屬管內(nèi)填充泡沫鋁而形成的一種結(jié)構(gòu)功能一體化材料。泡沫鋁的填充不僅提高了薄壁金屬管的軸向壓縮性能和抗彎曲性能，也避免了泡沫鋁本身強(qiáng)度不高的劣勢。從泡沫鋁填充管的制備、結(jié)構(gòu)及性能方面綜述了其研究現(xiàn)狀，從泡沫鋁單管、雙管與多管填充的角度分析了結(jié)構(gòu)對泡沫鋁填充管壓縮和彎曲性能的影響。單管填充泡沫鋁改變了薄壁管壓縮及彎曲的失效形式，提高了薄壁管的吸能性；雙管填充泡沫鋁的內(nèi)管多數(shù)以同心管形式排列，在管內(nèi)部所填充的泡沫鋁支撐的基礎(chǔ)上，內(nèi)管進(jìn)一步支撐起泡沫鋁填充管的承載和吸能作用，其壓縮及彎曲性能較單管填充更為突出；多管填充泡沫鋁在雙管基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，可以同心或并列排布，對薄壁管性能的提升各有不同，平行排列的多管結(jié)構(gòu)能量吸收效率高于泡沫鋁填充單管，但低于相應(yīng)的薄壁空管結(jié)構(gòu)。泡沫鋁填充管的制備技術(shù)通常是分別制取泡沫鋁和管材再進(jìn)行填充，盡管過于單一且工藝復(fù)雜，但由于其具有優(yōu)異的承載和吸能能力，仍然在交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

泡沫鋁填充管；單管填充；雙管填充；多管填充；吸能性

泡沫鋁是一種多孔金屬材料，因其應(yīng)力–應(yīng)變曲線在塑性變形階段保持恒定，可以將施加在泡沫鋁結(jié)構(gòu)件上的動能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能，所以其具有優(yōu)良的吸能特性及優(yōu)異的抗沖擊性[1-2]。薄壁金屬管廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的緩沖吸能構(gòu)件，如汽車、火車、飛機(jī)和船舶等交通運(yùn)輸工具的能量吸收耗散系統(tǒng)[3-4]。薄壁金屬管在軸向上以管壁作為支撐結(jié)構(gòu)，隨著載荷的增加，管壁會屈服并產(chǎn)生褶皺，使得沖擊載荷很好地穩(wěn)定于平均壓縮載荷附近，因此，薄壁金屬管在軸向上具有優(yōu)異的吸能性。Thomton等[5]研究表明，當(dāng)金屬圓柱管承受軸向沖擊載荷時，屈曲變形的發(fā)展和擴(kuò)大不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。但在非軸向載荷下，管壁容易發(fā)生坍陷并造成整體結(jié)構(gòu)失效，限制了薄壁管在復(fù)雜情況下的應(yīng)用。如在土木建筑中，尤其是主要承受軸向載荷力的桁架、網(wǎng)殼和鋼管柱等結(jié)構(gòu)中，金屬管材采用細(xì)長鋼管，提高非軸向吸能能力尤為重要。為了提高薄壁管的耐撞性，學(xué)者們開發(fā)了各種改性方法。其中，用不同的材料或結(jié)構(gòu)填充管子，包括金屬泡沫[6-7]、合成泡沫[8]、多管使用[9-11]和在管子上產(chǎn)生波紋/溝槽表面[8,12-13]對提高能量吸收能力和結(jié)構(gòu)安全性非常有效。

泡沫鋁填充管將泡沫鋁與一個或多個不同橫截面形狀的薄壁金屬管相結(jié)合，制備成泡沫鋁填充管結(jié)構(gòu)。作為能量耗散結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要元件，泡沫鋁填充管在汽車和高鐵安全設(shè)計[14-16]、航天器回收[17-19]、航空航天[20-21]等領(lǐng)域[22-23]顯示出廣闊的應(yīng)用前景，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。文中從單管、雙管與多管填充泡沫鋁的角度闡述了泡沫鋁填充管的制備、結(jié)構(gòu)及性能等方面的研究現(xiàn)狀，并展望了泡沫鋁填充管材承載和吸能能力方面的發(fā)展趨勢。

1 泡沫鋁填充管的制備現(xiàn)狀

泡沫鋁填充管“分體化”制備技術(shù)是分別制取泡沫鋁和管材，之后加工成合適的形狀將泡沫鋁填充到管材中。在借助鑄造工藝制備泡沫鋁的方法中，以熔體發(fā)泡法最受關(guān)注。熔體發(fā)泡法根據(jù)氣泡產(chǎn)生方式的不同分為注氣發(fā)泡法和發(fā)泡劑發(fā)泡法。注氣發(fā)泡法采用旋轉(zhuǎn)漿或振動噴嘴將發(fā)泡氣體（氧氣、氮?dú)夂涂諝獾龋┲苯油ㄈ脘X熔體中，利用旋轉(zhuǎn)漿或噴嘴在熔體中產(chǎn)生足夠多的優(yōu)良?xì)馀莶⑹顾鼈兎植季鶆騕24]。發(fā)泡劑發(fā)泡法是在鋁液中加入增黏劑（常用Ca）來提高鋁熔體的黏度，增黏后再加入一定量的發(fā)泡劑，發(fā)泡劑受熱分解釋放氣體，凝固后得到泡沫鋁[25]。用某種泡沫鋁的制備工藝（如上述的熔體發(fā)泡法、加壓滲流法、粉體發(fā)泡法等）制備出較大塊的泡沫鋁，然后用某種機(jī)加工方法（如常用的線切割、機(jī)械切割等）切割成一定尺寸（見圖1），如文獻(xiàn)[26]中把泡沫鋁切割成橫截面為40 mm×40 mm的正方形，再把這些切割出來的小規(guī)格泡沫鋁填充到預(yù)先準(zhǔn)備好的相應(yīng)尺寸的空心管（如鋁管、不銹鋼管）中。上述“分體化”制備技術(shù)受填充工藝和泡沫鋁填充塊尺寸的影響，所制備的泡沫填充管的長度和直徑受到限制，阻礙其作為能量耗散結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的應(yīng)用。

泡沫鋁填充管“一體化”制備技術(shù)越來越受到重視。Hangai等[27]用摩擦焊接法制備填充有鋁合金泡沫的鋁管，通過摩擦焊接將ADC12發(fā)泡前驅(qū)體與A1050管牢固地結(jié)合，然后將結(jié)合后的結(jié)構(gòu)發(fā)泡，發(fā)泡溫度為948 K，發(fā)泡時間為8.5 min，獲得了孔結(jié)構(gòu)均勻的泡沫鋁填充鋁管，且管的厚度沒有變化（見圖2）。Hangai等[28]又將此方法應(yīng)用于泡沫鋁填充不銹鋼管的生產(chǎn)中，并命名為摩擦攪拌反擠壓法（Friction Stir Back Extrusion，F(xiàn)SBE）。該方法將鋁和發(fā)泡劑粉末的混合物通過FSBE過程中產(chǎn)生的塑料流涂覆在鋼管的內(nèi)表面。通過對前驅(qū)體涂層鋼管的熱處理，可以制造出充滿泡沫鋁的鋼管。泡沫鋁被充分填充在鋼管中，并且在整個樣品內(nèi)孔隙率均勻分布。在樣品的壓縮試驗中，由鋁毛刺制造的鋁泡沫填充鋼管與由普通鋁前驅(qū)體制造的鋁泡沫填充鋼管表現(xiàn)出相似的壓縮性能。Taherishargh等[29]使用原位鑄造法制備了泡沫鋁填充管（見圖3），將熔融的鋁滲入提前填充了多孔膨脹珍珠巖顆粒的不銹鋼管中，發(fā)泡后得到孔隙率均勻的泡沫鋁填充管；并對泡沫鋁、空不銹鋼管和泡沫鋁填充不銹鋼管進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁填充管在壓縮和彎曲載荷下的能量吸收能力分別比空管提高了2.23倍和3.9倍。

圖1 分體法制備泡沫鋁填充管示意圖

圖2 通過摩擦焊接工藝制備泡沫鋁填充管（ADC12–泡沫填充到A1050管）的示意圖[27]

圖3 原位鑄造法制備泡沫鋁填充管示意圖[29]

就泡沫鋁填充管而言，制備技術(shù)的不足是制約其應(yīng)用的主要因素。如何優(yōu)化現(xiàn)有的泡沫鋁填充技術(shù)，做到泡沫鋁與管材良好結(jié)合，或開發(fā)新的泡沫鋁填充管“一體化”成型技術(shù)是泡沫鋁填充管研究的重中之重。

2 泡沫鋁填充管結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

泡沫鋁填充管是由薄壁金屬管和泡沫鋁復(fù)合而成的功能結(jié)構(gòu)一體化材料，不僅具有薄壁金屬管一樣的緩沖結(jié)構(gòu)特性，也具有泡沫鋁材料優(yōu)異的吸能特性。薄壁管與填充其中的泡沫鋁分別在泡沫鋁填充管中發(fā)揮著支撐和緩沖作用，作用機(jī)制比較復(fù)雜。泡沫鋁填充料因其制備工藝的不同而有很大的性能差別。Rajak等[24]通過注氣發(fā)泡法制備的泡沫鋁孔隙率為80%以上，密度為0.069～0.54 g/cm3，孔徑為3～25 mm；Shinko Wire公司生產(chǎn)的“Alporas”泡沫鋁規(guī)格為2 050 mm×650 mm×450 mm，密度為0.27 g/cm3，平均孔徑為2～10 mm[25]；Taherishargh等[29]通過反重力滲透法制取的復(fù)合金屬泡沫孔隙率為61%，平均密度為1.05 g/cm3，孔徑為3～4 nm。文中對填充料泡沫鋁的制備及性能差異不作過多闡述，由于泡沫鋁填充管以薄壁管作為主要的承載結(jié)構(gòu)，因此，以薄壁承載管的數(shù)量為分類依據(jù)，從單管填充、雙管填充和多管填充來闡述泡沫鋁填充管的結(jié)構(gòu)特征。

2.1 單管填充泡沫鋁

單方管和單圓管是最常見的泡沫鋁用填充管。20世紀(jì)80年代，Abramowicz等[30]研究了單方形和圓形泡沫鋁填充管的軸向動態(tài)破碎性能，分析了不同壁厚與剖面高度之比對壓縮性能的影響。Toksoy等[31]通過改變壁厚和泡沫鋁密度，在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗下確定了部分鋁泡沫填充方管的破碎反應(yīng)。結(jié)果表明，增大壁厚和泡沫的相對密度會導(dǎo)致破碎力和平均力的增大，即部分填充的管子有更高的比能量吸收值。Rogala等[26]試驗和模擬了不同泡沫鋁填充長度對方形薄壁管壓縮性能的影響，用于填充的泡沫鋁為40 mm×40 mm×200 mm的立方體，薄壁管壁厚為1.2 mm（圖4a）。研究表明，泡沫鋁填充長度在80～ 120 mm之間時泡沫鋁填充管的性能較好，特別是具有圖4a所示的凹形引發(fā)器的結(jié)構(gòu)性能更好，因為泡沫填充物在破碎的最后階段吸收了最大的能量。

Goel[6]研究了空管和泡沫填充的單圓管和方管的能量吸收情況（見圖4b），結(jié)果表明，在相同的試驗條件下，圓管的能量吸收比方管高。Ge等[32]模擬了橢圓泡沫填充管的軸向壓縮性能，對于在軸向沖擊載荷下的橢圓泡沫鋁填充管，平均壓碎力與長寬比有弱的正相關(guān)關(guān)系。Guden等[33]對填充和部分填充泡沫鋁的鋁管進(jìn)行了軸向壓縮，并與空管壓縮進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)部分填充泡沫鋁時，金屬管在壓縮過程中褶皺長度變小，平均壓潰載荷變大，證實了填充泡沫鋁的金屬管與泡沫鋁之間具有相互作用，并在填充管承載試驗中發(fā)揮著重要作用。

圖4 試樣模型

波紋管由于其較低的壓碎應(yīng)力，也被用作泡沫鋁用填充管。Chen等[34]研究了波紋圓管在軸向載荷下的破碎行為，短波紋長度和高波紋振幅的管子呈現(xiàn)漸進(jìn)式折疊，具有較低的壓碎應(yīng)力，而低波紋長度和低振幅導(dǎo)致同時折疊并增大了壓碎應(yīng)力。Eyvazian等[35]研究了具有不同波紋長度和波紋方向的圓形波紋管的破碎行為，波紋表面導(dǎo)致力–位移曲線更平滑和具有更低的初始峰值力。Mahbod等[36]運(yùn)用有限元研究了波紋對能量吸收特性的影響，并進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)軸向和斜向加載研究。管子上生成波紋表面時，在軸向和斜向擠壓中都能顯著提高擠壓力的效率。對管材幾何波紋參數(shù)進(jìn)行的參數(shù)化研究表明，這些結(jié)構(gòu)的能量吸收在很大程度上取決于波紋參數(shù)。

將自然界存在的生物結(jié)構(gòu)應(yīng)用到泡沫鋁填充管上，仿生結(jié)構(gòu)也是一個重要的研究方向。Song等[37]以泡沫鋁模擬自然界植物秸稈填充到單管中，制備了仿生泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)，其仿生設(shè)計如圖5所示。4種仿生類型中有3種表現(xiàn)出比相應(yīng)的完全填充泡沫樣品更大的比能量吸收（Specific Energy Absorption，SEA）。仿生設(shè)計的結(jié)構(gòu)和材料不同，效果也不同。仿生中心孔（CH）特征對仿生填充管有負(fù)面作用，不僅降低了其能量吸收能力，也限制了破碎力的發(fā)揮；仿生方孔（SH4）和雙子錐孔（TH4）可以明顯提高仿生填充管的能量吸收能力，對破碎力效率（CFE）也有正面作用。然而，同樣的結(jié)構(gòu)也會降低同形狀鋁管的能量吸收能力；仿生節(jié)點（N2）因素對3種類型的管子都有積極作用。整體性能最好的是仿生方孔（SH4）、錐孔（TH4）設(shè)計及節(jié)點（N2）。SEA計算如式（1）所示。

式中：為質(zhì)量；為總能量吸收；為泡沫鋁填充管受力。

2.2 雙管填充泡沫鋁

泡沫鋁填充單管從機(jī)理上改變了薄壁金屬管在承壓時的失效形式，有效提高了管結(jié)構(gòu)的承載和吸能性能，但在失效形式上，泡沫鋁填充單管依舊局限于泡沫鋁填充管的單一組元。為了進(jìn)一步發(fā)揮泡沫金屬的作用，Seitzberger等[38]提出了一種泡沫夾芯雙管結(jié)構(gòu)，如圖6所示。在這種結(jié)構(gòu)中，填充于芯部的泡沫鋁與管壁之間的相互作用得到進(jìn)一步體現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的平均壓碎力大大提高，比質(zhì)量能量吸收效率高于單管填充結(jié)構(gòu)。

Li等[39]對泡沫鋁填充雙管的方管和圓管進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮試驗，同時與泡沫鋁填充的單方管及單圓管做了對比。結(jié)果顯示，薄壁結(jié)構(gòu)的能量吸收行為不僅受結(jié)構(gòu)的幾何形狀（橫截面形狀）影響，而且還受結(jié)構(gòu)部件尺寸的影響。圓形管的平均破碎荷載、比能量吸收、每行程能量吸收和吸能有效系數(shù)一般都高于方形管。通過內(nèi)管和外管的適當(dāng)組合，泡沫填充的雙管能量吸收效率可以大大提高。Li等[40]研究了填充泡沫鋁的雙管和單管在不同破碎角的軸向和斜向載荷下的能量吸收，受到斜向荷載的管子呈現(xiàn)出不規(guī)則的“協(xié)奏曲”或菱形的變形模式，泡沫填充的雙管能量吸收比泡沫填充的單管和空管高。K?l??aslan[41]對填充泡沫鋁的波紋雙管和單管的動態(tài)軸向壓碎響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，波紋導(dǎo)致波紋管變形可控，降低了初始峰值力及平均力。但由于增加了管與泡沫鋁基體的摩擦長度，從而提高了填充管的比能量吸收（SEA）值。而在雙管結(jié)構(gòu)中，內(nèi)管增加波紋會降低填充管的平均力及SEA值。同時，泡沫填充雙管的比能量吸收（SEA）值隨著內(nèi)管半徑和壁厚的增大而增大，而破碎力效率（CFE）呈先升后降的趨勢。

圖5 仿生泡沫鋁填充管原型及模型三維視圖（單位：mm）

圖6 雙管夾芯結(jié)構(gòu)[38]

2.3 多管填充泡沫鋁

Güden等[42]研究了純鋁空管、泡沫鋁填充鋁管和四邊形或六邊形排列的泡沫鋁填充多圓管的軸向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮行為。泡沫鋁填充多管排布比泡沫鋁填充單管效率更高，但低于相應(yīng)的空管結(jié)構(gòu)（見圖7）。Goel[6]比較了泡沫鋁填充的雙管和三管結(jié)構(gòu)與空管和泡沫填充的單圓管和方管的能量吸收情況，通過同心排列管子，可以大大改變變形和能量吸收，且通過填充泡沫可以改善所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。此外，泡沫填充的單管在動態(tài)載荷的情況下能量吸收較低，而雙管和三管的結(jié)構(gòu)顯示出對兩種類型管即方形和圓形的能量吸收的改善。Mohammadiha[43]運(yùn)用模擬手段對功能梯度泡沫（Functionally Gradient Foam，F(xiàn)GF）填充的不同排列的多管的壓碎行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)FGF填充的多管能量吸收高于其等效的均勻泡沫填充的多管。

泡沫鋁填充單管通過填加泡沫鋁結(jié)構(gòu)，改變了薄壁管受力時的變形方式，機(jī)理為：一是填加的泡沫鋁表現(xiàn)出其自身的吸能作用；二是填加泡沫鋁之后，泡沫鋁填充管在承壓及彎曲過程中，泡沫鋁與金屬管壁之間產(chǎn)生相互作用，提高了泡沫鋁填充管的綜合性能。泡沫鋁填充雙管一般為同心管結(jié)構(gòu)，即在兩同心管之間填充泡沫鋁。泡沫鋁填充雙管的綜合性能不僅取決于整體結(jié)構(gòu)，還取決于內(nèi)管和外管的尺寸變化，雙管填充泡沫鋁填充管比單管填充具有更好的承重和吸能性能。泡沫鋁填充管的多管結(jié)構(gòu)分為平行和同心2種，平行排列的多管結(jié)構(gòu)的比質(zhì)量能量吸收效率高于泡沫鋁填充單管，但低于相應(yīng)的空管結(jié)構(gòu)。

3 泡沫鋁填充管的性能

3.1 壓縮性能

Ge等[32]模擬了橢圓泡沫鋁填充管的軸向壓縮性能，并給出了圓管的壓潰力公式，見式（2）。

式中：pm,f為壓潰力；pm為平均破碎力，pm= 5.9σ0C0.5t1.5k0.05，其中C為橢圓截面的周長，t為薄壁管壁厚，k為橢圓截面的短軸與長軸的比率；S為管截面積，S=πnm，其中m為橢圓截面的長半軸，n為橢圓截面的短半軸；σp為高原區(qū)初始應(yīng)力；σ0為初始屈服應(yīng)力；Cavg為泡沫鋁與管壁相互作用參數(shù)，由試驗測定；r=。該研究理論模型準(zhǔn)確，理論和數(shù)值預(yù)測的平均破碎力（MCF）之間的誤差小于5%。

Liu等[44]對空心圓管和金屬泡沫填充圓管的橫向破碎進(jìn)行了試驗和理論研究，并給出了泡沫鋁填充管橫向壓縮的平均側(cè)向載荷公式，見式（3）。

結(jié)果顯示，空管和填充了泡沫的管子側(cè)向載荷均與管長度成正比，金屬泡沫填充增大了泡沫填充管的側(cè)向荷載和能量吸收，且隨著泡沫密度的增大而增大。

Xu等[45]研究了碳納米管增強(qiáng)泡沫鋁（CNT/Al）復(fù)合泡沫填充金屬薄壁管的壓縮性能，證明了復(fù)合泡沫的壓縮性能較純泡沫鋁有顯著提高。復(fù)合泡沫填充結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力和平臺應(yīng)力分別是薄壁合金管材的1.8倍和3.7倍，分別高于純泡沫填充結(jié)構(gòu)的1.4倍和1.7倍。填充泡沫與管壁之間的相互作用包括復(fù)合泡沫對變形合金管壁的支撐作用和對合金管形成的褶皺的填充作用。

3.2 彎曲性能

Guo等[46]研究了泡沫鋁填充單方管和雙方管的準(zhǔn)靜態(tài)彎曲性能。泡沫填充單管較空管可以減少壓痕，提高承載，但單管易開裂，雙管結(jié)構(gòu)彎曲位移遠(yuǎn)大于單管，能夠獲得更大的承載。泡沫鋁填充雙方管在能量吸收上也是高于單管的。同時，Guo等[47]研究表明，雙管結(jié)構(gòu)比單管結(jié)構(gòu)擁有更強(qiáng)的抗彎和承載能力，并分析了雙圓管的彎曲性能，雙圓管在失效機(jī)制上與單管不同，其失效機(jī)制是從泡沫鋁內(nèi)部產(chǎn)生裂紋擴(kuò)散至管壁。

Shojaeifard等[48]對不同截面（圓形、方形和橢圓形）空心和泡沫填充鋁管在彎曲載荷作用下的吸能機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值研究，得出了泡沫鋁填充截面的彎矩公式，見式（4）。

Duarte等[49]研究了填充有泡沫鋁的薄壁鋁管的動態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)彎曲行為，發(fā)現(xiàn)泡沫填充物改變了薄壁管的破碎模式。泡沫的加入能防止由于塑料鉸鏈線的形成而導(dǎo)致的承載能力下降，引起了有限的截面擠壓，從而提高了其抗彎曲性能。Liu等[50]通過試驗和數(shù)值模擬研究了內(nèi)部填充有鋁蜂窩的碳纖維增強(qiáng)塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）管的橫向平面擠壓和三點彎曲響應(yīng)。鋁蜂窩填充物能有效提高CFRP中空管的失效穩(wěn)定性，與CFRP空心管相比，蜂窩狀填充CFRP管的峰值載荷、和SEA分別增加了17%、32%和0.9%。

3.3 其他性能

Li等[51]研究了泡沫鋁填充管的抗彎性能和吸能性能，得出了能量吸收效率因子，將其定義為系統(tǒng)總吸收能量與相同體積材料拉伸樣的最大破壞能量之比，如式（5）所示。

Li等[39]提出，閉孔泡沫鋁由于其獨(dú)特的泡沫結(jié)構(gòu)，可以在大應(yīng)變系統(tǒng)中吸收和消散機(jī)械能，這種作用能夠作為保護(hù)裝置為機(jī)床或直升機(jī)等提供保護(hù)。其模擬了一些工作循環(huán)，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁填充管的阻尼相對空管明顯提高。

泡沫鋁填充管不僅綜合了薄壁管的高承載及泡沫鋁的高吸能性，泡沫鋁與薄壁管之間的交互作用也提高了泡沫鋁填充管整體的性能。在壓縮過程中，泡沫鋁填充管受到薄壁管壓縮平臺應(yīng)力、泡沫鋁壓縮應(yīng)力和泡沫鋁與薄壁管的交互作用力，交互作用是泡沫鋁對薄壁管的支撐和填充作用。泡沫鋁填充雙管在結(jié)構(gòu)上減少了泡沫鋁的填充，但增加了薄壁管平臺應(yīng)力和與泡沫鋁之間的交互作用，因此，泡沫鋁填充雙管結(jié)構(gòu)在性能上優(yōu)于泡沫鋁填充單管，泡沫鋁填充多管的壓縮和彎曲性能優(yōu)于泡沫鋁填充單管，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜及泡沫鋁填充形式的多樣性，其性能表現(xiàn)依舊有待研究。

4 結(jié)語

比較了單管、雙管及多管的不同分布、填充管的形狀尺寸，以及泡沫鋁的填充方式對填充管力學(xué)性能的作用，綜述了如何提高泡沫鋁填充管的整體性能，得到以下主要結(jié)論。

1）泡沫鋁填充圓管的壓縮及彎曲性能高于其他形狀的填充管，在圓管中改變填充泡沫鋁的形狀（由完全填充到“空心”填充再到“偏生方孔”填充）對泡沫鋁填充管整體性能有正面影響。當(dāng)不改變填充管形狀時，管壁設(shè)置波紋能適當(dāng)?shù)靥岣呦鄳?yīng)形狀泡沫鋁填充管的抗壓縮性能。

2）泡沫鋁填充雙管在單管的基礎(chǔ)上設(shè)置了一個內(nèi)管，提高了泡沫鋁與金屬管的相互作用和金屬管的壓縮性能，從而提高了泡沫鋁填充管的承載和吸能能力。填充的內(nèi)外管的形狀尺寸及泡沫鋁的填充形式（由完全填充到部分填充）均對泡沫鋁填充雙管性能有影響。泡沫鋁填充橢圓雙管比圓管和方管有更優(yōu)異的承載和吸能能力。

3）泡沫鋁填充多管分為并列和同心兩種結(jié)構(gòu)，并列結(jié)構(gòu)的泡沫鋁填充多管比單管有更優(yōu)的吸能能力，但比質(zhì)量能量吸收較差；同心結(jié)構(gòu)較泡沫鋁填充單管性能更為優(yōu)異，開發(fā)空間廣闊。

泡沫鋁填充管在薄壁管性能基礎(chǔ)上增加了泡沫鋁優(yōu)異的吸能性，同時薄壁管與填充在其中的泡沫鋁的相互作用避免了薄壁金屬管彎曲時由于材料斷裂引起的應(yīng)力下降，提高了薄壁金屬管的性能。泡沫鋁填充管由于其優(yōu)異的承載和吸能能力，在交通運(yùn)輸及航空航天能量吸收器、阻尼器方面有廣闊的應(yīng)用前景。但泡沫鋁填充管在結(jié)構(gòu)和性能上比較復(fù)雜，有許多問題需要解決，泡沫鋁填充管的制備技術(shù)，特別是連續(xù)制備技術(shù)更是研發(fā)的重點。

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Research Progress of Aluminum Foam Filled Tube

CAO Yun-feia, ZHAO Yan-juna,b, LI Liu-yanga, PAN Li-wena, TANG Penga,b

(a.School of Resources, Environment and Materials, b. Guangxi Ecological Aluminum Industry Collaborative Innovation Center, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Aluminum foam filled tube is a structure-functional integrated material formed by filling aluminum foam inside one or more thin-walled metal tubes with different cross-sectional shapes. The filling of aluminum foam not only improves the axial compression performance and bending resistance of thin-walled metal tubes, but also avoids the disadvantage of the low strength of aluminum foam itself. In this work, the current research status of aluminum foam-filled tubes was reviewed in terms of their preparation, structure and performance, and the effects of structure on the compression and bending performance of aluminum foam-filled tubes were analyzed from the perspective of aluminum foam single-tube, double-tube and multi-tube filling. Single-tube filled aluminum foam changed the failure form of compression and bending of thin-walled tubes and improved the energy absorption of thin-walled tubes; the inner tubes of double-tube filled aluminum foam were mostly arranged in the form of concentric tubes, which further supported the bearing and energy absorption property of aluminum foam filled tubes on the basis of the aluminum foam filled inside the tubes, and the performance in compression and bending was more outstanding than that of single-tube filled aluminum foam; multi-tube filled aluminum foam was expanded on the basis of double tubes, which can be arranged concentrically or side by side, with different performance enhancement for thin-walled tubes. The energy absorption property of parallel multi-tube structure was higher than that of foam-filled single tube, but lower than that of thin-walled empty tube structure. Aluminum foam-filled tubes are usually prepared by making aluminum foam and tubes separately and then filling them, which is too single and complicated, but still has great potential for applications in transportation, aerospace and other fields due to its excellent load-bearing and energy-absorbing capability.

aluminum foam filled tube; single-tube filling; double-tube filling; multiple-tube filling; energy absorptionproperty

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.02.003

TB31

A

1674-6457(2023)02-0019-10

2022–05–22

2022-05-22

南寧市科技開發(fā)項目（20201045）；廣西自然科學(xué)基金（2018GXNSFAA050048）

Nanning Science and Technology Development Project (20201045); Guangxi Natural Science Foundation (2018GXNSFAA050048)

曹云飛（1996—），男，碩士生，主要研究方向為鋁合金加工。

CAO Yun-fei (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: aluminum alloy processing.

趙艷君（1971—），女，博士，副教授，主要研究方向為先進(jìn)金屬材料。

ZHAO Yan-jun (1971-), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: advanced metal materials.

曹云飛, 趙艷君, 李留洋, 等. 泡沫鋁填充管的研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2023, 15(2): 19-28.

CAO Yun-fei, ZHAO Yan-jun, LI Liu-yang, et al. Research Progress of Aluminum Foam Filled Tube[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(2): 19-28.