引言

泡沫陶瓷是一种含有较多气孔并具有一定机械强度的无机非金属材料，具有孔隙率高、比表面积大、体积密度小、耐高温和耐腐蚀等特点，尤其是闭孔泡沫陶瓷，其具有良好的抗爆炸缓冲耗能性能和适应地下工程环境等特点，将其制成球壳构筑于抗爆结构夹层可大幅度提升结构的防护效能，因此闭孔泡沫陶瓷越来越受到防护工程界的重视。

目前，泡沫陶瓷已被广泛应用于高温隔热保温、气体/液体过滤、催化剂载体、无线电发射接收和生物材料等方面。由于所需具备的功能特点和应用环境不同，其原材料选择、造孔方式、孔结构、强度等参数也各不相同。选用SiC粉为主要原料，利用有机泡沫模板，通过℃烧结得到了SiC泡沫陶瓷，气孔率为77%，抗压强度达2.48MPa，主要用于过滤和作为催化剂载体；孙国梁等选用SiO2为原料，以碳酸钙和硫酸钙为原料，经球磨、造粒和压制成型后烧结制得了孔隙率为52%～63%，强度为4.56～6.90MPa的泡沫陶瓷；赵凯研究了一种黏土质泡沫陶瓷，密度为0.93g/cm3，孔隙率为45%，单轴压缩强度为6.05MPa，高应变率时可达到9.41MPa。研究认为，泡沫陶瓷是一种应变率敏感材料，具有优良的吸波耗能性能。

现有的泡沫陶瓷虽然种类较多，但大都存在强度低、造价高等问题，不能直接用于土木工程的抗爆结构中。为了充分发挥抗爆结构夹心层的缓冲耗能防护作用，笔者通过材料模型分析、原材料优选和造孔工艺优化，研制了一种孔径为0.6～2.0mm、孔隙率为50%、强度高达17.5MPa的闭孔泡沫陶瓷材料，并开展了力学性能研究，分析了其缓冲耗能特性。

1、准静态一维应力压缩

图7为孔隙率50%泡沫陶瓷材料(PC50)的准静态应力-应变曲线，每条曲线为3条试验曲线的平均结果。研究中进行了应变率为0./s的单轴压缩试验，最大应变到了0.，峰值应力达到17.5MPa，即时应变为0.，则其弹性模量MPa。

由图7可见，和大多数多孔材料类似，一开始泡沫陶瓷的应力-应变曲线呈线弹性上升。这表示在加载初期材料内部的骨架完好，胞体结构未遭破坏，刚度没有弱化。当应力到达峰值后，材料强度并没有立即丧失，而是下降一小段后维持在一定的应力水平上。这表示当应力到达峰值应力后，虽然孔穴被逐渐压实，胞体结构不断遭到破坏，但是材料强度损失并不大，只有当胞体结构大量损坏，孔穴压实累积至一定程度后，材料才会丧失承载能力，出现宏观裂纹。

试件在压缩过程中经历3个阶段:①加载初始段，即线弹性段，荷载在材料的破坏极限以内，柱体几乎不变形，表面无损伤产生;②随着加载的持续进行，柱体内部或表面形成与加载方向成30°～45°的裂纹，表面裂纹带首先被破坏，表现为试件表面有小碎片剥落;③当施加更大的荷载时，柱体储存较多能量，当施加的荷载足够大，达到材料断裂极限时，细柱将“失稳”向外膨胀，产生拉应力使之断裂成很多段，宏观上表现为整个陶瓷柱表面爆炸式剥裂。

图8给出了一维应力压缩下试件的破坏情况。可见试件沿着与加载轴线大致成45°的方向出现剪切带，并在剪切带的附近有部分剥落，表明此时试件的上下部分开始沿着剪切带发生滑移。由于材料的剪切屈服应力远远小于材料的压缩屈服应力，在轴向应力逐渐增大的过程中尚未达到压缩屈服应力时，试件中的剪切应力就已经达到了剪切屈服应力，所以试件首先在中部发生剪切破坏。加载初期试件内部的应力随着压缩应变的增大而线性增加，直到应变为0.3%时整个试件发生断裂。材料的破坏应变很小，说明泡沫陶瓷材料表现出明显的脆性材料特征。

2、准静态一维应变压缩

图9为PC50材料施加钢套筒后在应变率为0./s的应力-应变曲线。由图9可知，与准静态一维应力压缩试验情况相比，准静态一维应变下3种材料的屈服强度显著增加，材料屈服强度为24.1MPa。

另外，图9也显示出闭孔泡沫陶瓷材料一维应变压缩试验应力-应变曲线具有明显的“三阶段”特征，即线弹性段、孔隙压实平台段和致密段。在受压初期，材料中的胞体会产生可恢复的弹性变形，此时应力保持线性增长;当应力到达弹性极限后，由于受钢套筒侧向约束，材料的胞体发生了不可恢复的塑性变形，导致材料强度不会丧失，而是进入孔穴压实平台段，内部的胞体被逐层挤压(见图10)，邻近的胞壁相互接触而使应力被逐渐传递到下一层的胞体，在此过程中完整的泡沫陶瓷材料开始逐渐压实，应力随应变的增大而缓慢增加;当孔穴大部分都被压实后，体现的就是基体材料的力学性能，应力开始转入非线性迅速上升段。试件在进入平台段后，胞体的孔棱和孔壁开始断裂，在套筒约束下已发生断裂破坏胞体相互挤压的内摩擦力和未发生破坏的胞体孔壁、孔棱的抗弯性能同时对平台应力的维持做出贡献，到达致密段后原试样中的胞体结构大部分已被破坏，主要靠内摩擦力来抵抗夹头的荷载。

在进行一维应变准静态压缩试验时，对试验后的碎块进行了筛分，试验照片如图11所示，并根据筛分结果给出了碎块的质量粒度分布表(见表3)。

另一方面，也可以从比表面能来分析泡沫陶瓷材料在压缩过程中的耗能。一般来讲，产生单位表面积所需的能量称之为比表面能，这是固体表面的一种重要性质。通常情况下，比表面能是指在一定的温度和压力下，外力将大块固体物体转化为小颗粒所做的功。因此，粉体的表面能与外部做功密切相关，碎块的粒度越细，则新生比表面积越大，能耗也就越高。

3、动态一维应力压缩

图12为泡沫陶瓷材料动态应力-应变曲线，每条曲线为3条试验曲线的平均结果。试验应变率为70/s、/s、/s，峰值应力分别为28.9MPa、36.1MPa、41.6MPa，即时应变分别为0.、0.、0.7。

与准静态一维应力试验类似，泡沫陶瓷材料在冲击加载下的应力-应变曲线并未像金属泡沫材料和聚合物泡沫材料那样的显示出“三阶段”特征，即线弹性段、孔隙压实平台段和致密段，而是在弹性变形阶段表现出明显的应变硬化效应，即在应变很小的情况下，应力就达到了峰值，而后曲线则表现出明显的损伤软化效应，随后进入应力值相对较低的屈服平台段，整个曲线没有致密段。这主要是由于泡沫陶瓷材料本身特殊的性质所致。泡沫陶瓷兼具泡沫材料和陶瓷材料的双重特性:一方面，由于材料骨架是脆性陶瓷，在初始加载阶段，材料的变形并不是泡沫孔洞的坍塌和破坏，而是陶瓷骨架本身的扭曲和变形，随着试件应力的持续增加，其值超过试件内部骨架的断裂强度，微观上材料内部的微孔洞和微缝隙会很快扩展，宏观上会形成比较大的裂纹并继而形成通裂纹，此时材料整体发生脆性破坏。而且由于应力的集中，在裂纹形成处一部分材料会向外脱落或飞溅。另一方面，试件的应力在材料发生脆性破坏之后并没有像混凝土或陶瓷材料那样一直下降，而是随着应变的增加，出现了一个应力值相对较低的平台段。在这个阶段陶瓷材料显示了泡沫材料的性质。试件整体发生脆性破坏以后，随着加载的持续，试件内部的各种微孔会因受压而发生坍塌，从破坏强度较低的薄层被压实开始，应力逐渐被传递到其他薄层，压实范围逐渐扩大。同时由于微孔的破坏应力要远远小于陶瓷骨架的断裂强度，平台段应力在有小幅波动的情况下维持在一个较低的水平。从表4可看出，应变率对碎块粒度分布有明显影响，但不呈单调上升趋势，而是在低应变率时大块较少，为40%左右，随着应变率升高大块变多，为60%～70%，当应变率增大为/s时，大块又减少为30%左右。这说明材料的气孔率和加载速度都影响着材料的破坏形式和吸能效率。

表5对3种泡沫陶瓷材料的基本力学性能进行汇总。

4、结论

(1)以高强度、低成本和不易塌孔的莫来石和高岭土为原料，通过采用造孔剂法，研制了一种静态压缩强度为17.5MPa的硅铝质闭孔泡沫陶瓷材料。

(2)研制的泡沫陶瓷材料兼具泡沫材料和陶瓷材料的双重特性，其准静态一维应力压缩试验应力-应变曲线分为线弹性段和软化段两阶段，这与金属泡沫材料和聚合物泡沫材料的三阶段曲线具有明显的不同;其准静态一维应变压缩试验应力-应变曲线则为3段:第一段为线弹性段，第二段为孔隙压实平台段，第三段为致密段;其动态单轴压缩试验应力-应变曲线也为3段:第一段为线弹性段，第二段为软化段，第三段为应力平台段，但没有致密段。

(3)研制泡沫陶瓷材料属于应变率敏感材料，随着应变率的提高，压缩强度成倍提高，准静态时强度为17.5MPa，高应变率时强度可达41.6MPa。

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