[论文解读] Compression properties of polymeric syntactic foam composites under cyclic loading

Zeshan Yousaf, M. J. A. Smith+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2019

Cellular and Composite Structures参考文献 45被引用 5

一句话总结

本研究调查了通过将不同尺寸和壁厚的空心聚合物微球嵌入聚氨酯基体中制成的聚合物回音泡沫复合材料在循环压缩载荷下的行为。这些材料在重复加载下表现出高弹性恢复、显著的能量耗散以及增强的损伤容差，扫描电镜分析证实微球增强可减轻基体损伤。

ABSTRACT

Syntactic foams are composite materials frequently used in applications requiring the properties of low density and high damage tolerance. In the present work, polymer-based syntactic foams were studied under cyclic compression in order to investigate their compressibility, recoverability, energy dissipation and damage tolerance. These syntactic foams were manufactured by adding hollow polymer microspheres of various sizes and wall thicknesses into a polyurethane matrix. The associated loading and unloading curves during cyclic testing were recorded, revealing the viscoelastic nature of the materials. SEM images of the samples were obtained in order to study potential damage mechanisms during compression. It was observed that these syntactic foams exhibit high elastic recovery and energy dissipation over a wide range of compressional strains and the addition of polymer microspheres mitigate the damage under compressional loading.

研究动机与目标

• 评估聚合物基回音泡沫在重复循环载荷下的压缩响应。
• 评估不同尺寸和壁厚的空心聚合物微球在提升机械性能方面的作用。
• 研究循环压缩过程中损伤机制与能量耗散特性。
• 通过加载-卸载曲线量化复合材料的可恢复性与粘弹性行为。
• 利用扫描电镜分析，建立微观结构特征与宏观机械性能之间的关联。

提出的方法

• 通过将空心聚合物微球分散到聚氨酯基体中制备聚合物回音泡沫。
• 进行循环压缩测试，记录加载与卸载的应力-应变曲线。
• 通过加载-卸载曲线获得的滞后回线分析粘弹性行为。
• 采用扫描电子显微镜（SEM）观察断口表面并识别损伤机制。
• 改变微球参数（尺寸与壁厚）以评估其对机械响应的影响。
• 将微观结构观察结果与机械数据相关联，以理解损伤缓解机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 空心聚合物微球在循环载荷下如何影响聚合物回音泡沫的可压缩性与可恢复性？
• RQ2 在重复压缩循环中，回音泡沫的能量耗散程度如何？
• RQ3 微观结构（微球尺寸与壁厚）如何影响损伤容差与失效机制？
• RQ4 在循环载荷后，回音泡沫中观察到的主要损伤机制是什么？
• RQ5 加载-卸载曲线在多大程度上反映了复合材料的粘弹性特性？

主要发现

• 回音泡沫表现出高弹性恢复，在多次加载循环后残余变形极小。
• 在广泛的压缩应变范围内观察到显著的能量耗散，表明具有优异的阻尼能力。
• SEM分析证实，添加空心聚合物微球有效减轻了基体损伤。
• 加载-卸载曲线清晰表现出粘弹性行为，滞后回线表明每周期均有能量损失。
• 具有优化壁厚与尺寸分布的微球有助于提升损伤容差与机械稳定性。
• 损伤机制主要集中在微球-基体界面区域，而在分散良好的复合材料中基体裂纹极少。