闭孔铝-聚氨酯-凯夫拉混合夹层结构在弯曲和压缩载荷下的界面协同与混合模式失效

　　将各自在不同力学角色中表现优异的材料组合在一起，长期以来一直是结构工程中的策略，但在单一层状架构中闭孔金属泡沫与聚合物泡沫的具体配对仍鲜有探索。在本工作中，研究人员通过交替放置闭孔Al6061泡沫（CCAF）作为外层和中心层，以及原位发泡聚氨酯（PF）作为中间

　　将各自在不同力学角色中表现优异的材料组合在一起，长期以来一直是结构工程中的策略，但在单一层状架构中闭孔金属泡沫与聚合物泡沫的具体配对仍鲜有探索。在本工作中，研究人员通过交替放置闭孔Al6061泡沫（CCAF）作为外层和中心层，以及原位发泡聚氨酯（PF）作为中间层，利用两种泡沫互补的刚度和阻尼特性，开发了一种五层夹层板。随后，将凯夫拉纤维（KF）/环氧树脂复合材料面板粘合到该混合芯层上，形成APKC构型。通过将四种结构变体——裸CCAF、裸PF、混合CCAF-PF板（APC）和APKC——进行面内和面外方向的单轴压缩以及三点弯曲试验，评估了力学性能。一个显著的结果是，APC结构表现出约1.76 MPa的压缩平台应力，几乎是混合法则（考虑组分材料比例）估计值（约0.60 MPa）的三倍。这一提升主要源于与牢固的Al-PU界面结合、界面处局部胞元细化以及金属与聚合物泡沫层之间增强的应力传递相关的界面协同作用，而非仅仅由几何或密度影响所致。在加入凯夫拉面板后，APKC板的压缩强度和弯曲强度分别达到2.74 MPa和7.41 MPa，其能量吸收能力约为APC的两倍，且超过单独任何一种组成泡沫的五倍以上。所有结构中的弯曲断裂均以混合失效模式进行，压痕、面屈服和芯剪切的相对贡献随面板构型系统变化。研究人员开发了一个包含模式特定权重因子的修正理论框架，发现该框架与实测弯曲强度高度吻合。综合来看，这些结果为多层Al-PU-Kevlar夹层板作为汽车、航空航天和防护工程领域中实用的、重量效率高的吸能结构组件提供了量化依据。

　　**论文解读：混合闭孔铝-聚氨酯-凯夫拉夹层结构在弯曲与压缩载荷下的界面协同与混合模式失效**

　　在交通运输、航空航天及防护工程领域，对轻质、高强且高效吸能材料的需求日益迫切。夹层结构因其高比刚度、优异的承载能力及多功能特性而备受关注。闭孔铝泡沫（CCAF）具有低密度、高比刚度及卓越的冲击吸能能力，但阻尼性能有限且脆性变形明显；聚氨酯泡沫（PF）则以超低密度、优异的振动阻尼及隔热隔声性能著称，但刚度和强度较低。尽管单一泡沫材料的研究已较为深入，然而将金属泡沫与聚合物泡沫集成于多层混合架构中的研究仍十分有限，尤其对界面协同作用、变形机制及混合模式失效行为的定量理解尚属空白。为此，本研究旨在探索闭孔铝泡沫与聚氨酯泡沫在多层混合结构中的协同效应，并评估凯夫拉纤维（KF）/环氧复合材料面板对力学性能的增强作用，相关成果发表于《Next Materials》。

　　研究人员成功制备了五种结构的五层混合夹层板：裸CCAF、裸PF、混合CCAF-PF板（APC）及凯夫拉增强型CCAF-PF板（APKC）。通过面内和面外单轴压缩及三点弯曲测试，系统评估了其力学性能。结果表明，APC结构的平台应力（约1.76 MPa）是混合法则预测值（约0.60 MPa）的三倍，这一提升主要源于界面协同作用，包括Al-PU的牢固结合、界面处胞元细化及应力传递增强。APKC结构在压缩和弯曲下的强度分别达到2.74 MPa和7.41 MPa，能量吸收能力约为APC的两倍，是单独泡沫的五倍以上。所有结构的弯曲断裂均表现为混合模式，其中APKC以压痕和芯剪切为主导，而其他结构则主要受面屈服控制。研究人员构建的修正理论模型通过引入权重因子，成功再现了实测弯曲强度，阐明了混合模式失效的定量机制。

　　本研究采用以下关键技术方法：（1）搅拌铸造法制备闭孔Al6061泡沫（CCAF）；（2）原位发泡工艺制备聚氨酯泡沫（PF），使用聚醇-异氰酸酯体系（重量比1:1.2）；（3）凯夫拉编织布（Bidirectional Kevlar woven fabric，来源：BHOR Industries, India）浸渍环氧树脂（LY-956）与固化剂（HY-951，来源：Huntsman International, India）形成复合材料面板；（4）利用Instron 8801万能试验机进行准静态单轴压缩（应变率0.01 s-1）和三点弯曲试验（跨距90 mm，应变率0.01 s-1）；（5）采用JEOL扫描电镜（JCM 6000）和Leica光学显微镜（DM2700-M）进行微观结构表征；（6）基于混合模式失效权重因子的理论模型计算。

　　通过光学显微镜和SEM观察，CCAF呈现闭孔结构，平均胞元尺寸5.5 ± 0.6 mm，壁厚400 ± 10 μm；PF平均孔径450 ± 10 μm，分布均匀。APKC夹层板截面显示多层构型成功制备，无宏观缺陷。CCAF-PF界面处，原位发泡的PU与铝泡沫紧密接触，未发现间隙或分离。高倍SEM显示，界面附近PU的胞元尺寸显著减小至约106 ± 10 μm（平均减少76%），表明金属基底诱导了局部异质成核和受限胞元生长，增强了机械互锁和应力传递。CCAF-凯夫拉界面处，环氧树脂连续浸润纤维并牢固附着于铝泡沫表面，无脱粘或孔洞。压缩后的APC试样中，CCAF-PU界面仍保持完整，无脱粘迹象，证实了界面力学鲁棒性。

　　压缩应力-应变曲线显示三个典型阶段：弹性区、平台区和致密化区。面内压缩下，APKC屈服强度最高（2.74 MPa），APC次之（1.08 MPa），裸CCAF和PF分别约0.65 MPa和0.44 MPa。APC的平台应力（1.76 MPa）是混合法则预测值（0.6 MPa）的三倍，表明界面协同效应。面外压缩下，所有结构强度略降，但APKC仍最高（1.76 MPa）。比强度（σy/ρ）比较：APKC（8470.99 N·m/kg）>

　　APC（5769.43 N·m/kg）>

　　PF（7554.19 N·m/kg）>

　　裸CCAF（2234.51 N·m/kg）。能量吸收（EA）方面，APKC最高，约为APC的两倍，是裸CCAF和PF的五倍以上，归因于凯夫拉面板的约束、界面结合及芯层协同变形。三点弯曲测试中，APKC弯曲强度（7.41 MPa）显著高于APC（1.75 MPa）、裸PF（1.54 MPa）和裸CCAF（1.74 MPa）。弯曲刚度（EI）同样以APKC为最高（3.03 N·m2），其次为裸CCAF（2.29 N·m2）、APC（1.84 N·m2）和裸PF（0.85 N·m2）。通过引入权重因子（A、B、C分别对应面屈服、压痕和芯剪切），修正的理论模型计算出的弯曲强度与实验值高度吻合（见表2）。APKC中面屈服贡献几乎为零（A=0），压痕（B=0.89）和芯剪切（C=0.80）主导；而裸CCAF和裸PF中面屈服占主导（A≈0.9），压痕和芯剪切贡献极小；APC也以面屈服为主（A=0.93），但压痕略有增加（B=0.32）。这一转变说明凯夫拉面板彻底改变了失效模式，将薄弱环节从面板转移至芯层，提升了整体吸能能力。

　　本研究成功构建了多层CCAF-PF-KF混合夹层板，揭示了界面协同效应和混合模式失效机制。修正的理论模型通过权重因子精准描述了弯曲失效行为。研究结论如下：

　　- APKC结构实现了最高的压缩强度（2.74 MPa）和弯曲强度（7.41 MPa），同时具备优异的能量吸收和刚度。

　　- Al-PU和Kevlar-Al界面间牢固的结合确保了高效的应力传递并延缓了失效。

　　- 金属与聚合物泡沫之间的协同作用使轻质面板能够承受远高于简单混合法则预测的载荷。

　　- 面板失效以混合模式发生：APKC中压痕和芯剪切为主导失效机制，而未加凯夫拉面板时，压痕和面屈服为主导。

　　- 该修正断裂应力模型很好地表征了所研究混合夹层结构的混合模式弯曲特性，其权重因子基于实验观察的失效形态并通过迭代对比确定。