树脂-泡沫铝复合材料制备及性能研究（三十六）

4.1 结论

泡沫铝是一种新型的工程材料，具有诸多优异性能，但自身强度较低限制了其在工程界的推广使用，将高分子聚合物填充到泡沫铝孔洞中形成复合材料是一种有效提高泡沫铝强度的方法。本文将聚氨酯和聚脲进行共混得到共混树脂，以改善聚氨酯强度低而受力变形较大与聚脲受力易脆性断裂失效的缺点，并将共混树脂填充到开孔泡沫铝孔洞中制备成PU-PUR/Al Foam复合材料，对PU-PUR共混树脂和PU-PUR/Al Foam复合材料进行了系统研究。本文的主要结论如下：

(1)PU-PUR 树脂共混体系：

①对PU-PUR 树脂共混体系的流变性能进行了研究，分析了粘度-温度曲线和粘度-时间曲线，与DSC曲线进行对比，确定了PU-PUR树脂共混体系的最佳固化温度与时间。

②制备了PU-PUR树脂共混体系的浇铸体，进行拉伸和压缩力学性能测试并分析应力-应变曲线、弹性模量与强度、压缩比吸能和拉伸断裂伸长率。在拉伸应力-应变曲线中，M4和M5浇铸体表现出明显的屈服阶段，结合断裂伸长率来看，M2、M3和M4三种树脂共混体系的浇铸体断裂伸长率分别为31.30%、25.15%和25.82%，其数值相近且高于M5聚脲树脂浇铸体，其获得了更好的韧性。浇铸体拉伸弹性模量与强度都与共混树脂中聚脲含量呈现正相关趋势，在聚脲成分达到50%以上时增幅最大。综合得到M4树脂浇铸体在拉伸测试中表现出的韧性和强度最高，具有最高的抗拉伸荷载性能。在压缩应力-应变曲线中，M4和M5浇铸体出现明显的屈服阶段，M1和M5两种单一树脂的浇铸体在应变达到0.39时均失效，失效形式分别为扭曲变形和脆性断裂，而共混树脂浇铸体M2、M3和M4拥有更长的平台段并能承受更大的压缩应变而不失效，失效应变分别为0.64、0.59和0.51。浇铸体压缩弹性模量、压缩强度和压缩比吸能都与共混树脂中聚脲含量呈现正相关趋势，M4具有最高的压缩强度，而M5则要略小，聚脲成分达到50%以上时聚脲含量增加对压缩强度增加所起作用有限。综合得到M4树脂浇铸体在压缩测试中表现出的韧性和强度最高，在抵抗压缩荷载时具有最好的性能。

③PU-PUR树脂共混体系浇铸体拉伸断面的SEM显示，拉伸断面都表现得平整，没有出现分相现象，说明聚氨酯和聚脲两种树脂的相容性很好。

(2)Al Foam和PU-PUR/Al Foam复合材料：

①进行了Al Foam及PU-PUR/Al Foam复合材料的落锤冲击测试并分析了结果。从Al Foam的破坏形貌可知，在50J的冲击能量下，Al Foam板的变形程度、中心空洞和背凸现象相较于30J和40J更加严重，Al Foam 板的击穿能量为50J。从 Al Foam的载荷-时间曲线，载荷-位移曲线，能量-时间曲线得到Al Foam在落锤冲击时响应速度快且吸能比极高，证明Al Foam是综合抗落锤冲击性能极好的材料。从PU-PUR/Al Foam的破坏形貌可知，M4/Al  Foam和M5/Al  Foam两 种 复合材料在受到50J 的落锤冲击能量后的变形程度和背凸更小，但聚脲树脂的脆性断裂 现象造成M5/Al Foam背面的裂缝数目更多而延伸范围广，可以从泡沫铝孔洞中间延伸，导致M5/Al  Foam在受到冲击荷载作用时更容易脆断失效。而M4/Al Foam其树脂中的30%聚氨酯增强了树脂韧性，受到冲击后裂缝延伸受阻，增强了M4/Al Foam的抗冲击能力。从PU-PUR/Al Foam的载荷-时间曲线，载荷-位移曲线，能量-时间曲线分析得到M4/Al Foam和M5/Al Foam冲击响应速度很快，分别在1.92ms、1.86ms内就能达到峰值载荷8196N、8668N与峰值能量48.518J、48.476J, 且其冲击持续时间为7.53 ms、7.37ms, 总位移较低为6.93mm、6.25mm，吸能比较高均为93.71%,可知两种复合材料上述性能的数值都很接近。综合上述分析得到M4/Al Foam是抵抗落锤冲击载荷性能最佳的PU-PUR/Al Foam复合材料。

②Al Foam及PU-PUR/Al Foam复合材料的压缩试验的结果分析表明：在压缩应力-应变曲线上Al Foam和PU-PUR/Al Foam都出现线弹性阶段、屈服阶段和压实阶段，PU-PUR/Al Foam随着聚脲占树脂成分的增大而表现出更明显的塑性特征且平台段长度也逐渐降低。M1/Al Foam和M5/Al Foam复合材料可承担的应变分别比对应的PU和PUR树脂浇铸体高0.27和0.08，说明泡沫铝骨架的存在改善了两种树脂在压缩应变较大时的扭曲变形和脆断失效问题。PU-PUR/Al Foam的压缩弹性模量、压缩强度和比吸能则随着树脂中聚脲含量的增加而增大，且都高于对应的树脂浇铸体。M5/Al Foam的压缩弹性模量和强度为851.95MPa和107.32 MPa，压缩比吸能26925.15mJ/g，均高于其他类型的复合材料。综合分析得到M5/Al Foam是抵抗压缩载荷时性能最佳的复合材料。

③Al Foam及PU-PUR/Al Foam复合材料的简支梁冲击试验的结果分析表明：PU-PUR/Al Foam在树脂中聚脲含量达50%以上时冲击韧性增加显著，M4/Al Foam和M5/Al Foam的冲击韧性最高且数值接近，分别为46.15 kJ/m² 和44.98 kJ/m²，说明M4/Al Foam和M5/Al Foam均为抵抗简支梁冲击荷载时性能最佳的复合材料。