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坦克装甲和人体防护装备的轻量化快速发展,要求抗冲击防护材料及其结构具备轻质和高吸能性能。本文以军事防爆与交通运输领域抗撞击防护为背景,设计制备了以1100Al、Al-3Mg和Al-6Mg为基体的玻璃空心微珠/Al多孔复合材料,系统研究了基体合金元素Mg含量和空心微珠壁厚/半径比(t/R比)对多孔复合材料准静态压缩性能、压缩损伤演变行为和动态压缩性能的影响机制,并探讨了空心微珠/Al多孔复合材料为芯层的“三明治”结构应力波传播特性。通过设计铝基体合金元素Mg含量,空心微珠壁与基体发生界面反应,生成MgAl2O4界面层,提高了空心微珠抗压承载能力。基于界面层强化和基体合金强塑性性能,选择Al-3Mg和Al-6Mg合金作为基体制备多孔复合材料进行研究,1100Al基体作对比研究。微观组织观察表明:1100Al基多孔复合材料界面干净;Al-3Mg基多孔复合材料界面反应生成MgAl2O4界面层和Si,Mg完全消耗,基体组织为Al和Si;Al-6Mg基多孔复合材料界面反应后剩余的Mg与Si反应生成Mg2Si,此时基体组织为Al、Si和Mg2Si。多孔复合材料中空心微珠均匀分布,孔结构完整。二维图像技术和μ-CT三维图像分析表明,二维和三维孔隙率量化结果与密度法计算结果相当。随空心微珠t/R比的增大,基体Mg含量的增加,空心微珠/Al多孔复合材料准静态压缩性能提高。微珠抗压承载能力随t/R比的增大而增强,多孔复合材料压缩性能提高。合金元素Mg对多孔复合材料压缩性能的强化机制包括:高强MgAl2O4界面层形成提高微珠承载能力;界面反应后基体生成的Si和Mg2Si强化基体。Al-3Mg基多孔复合材料界面形成高强界面层,基体塑性良好,吸能性能优异。其中微珠t/R比为0.064的Al-3Mg基多孔复合材料比吸能能力达到50J·g-1。建立了铝基多孔复合材料压缩峰值应力预测模型,预测模型与试验结果吻合。采用数字图像相关技术(DIC技术)揭示空心微珠/Al多孔复合材料准静态压缩损伤演变行为。研究结果表明:从弹性变形阶段后期到峰值应力附近,近45°切向方向的应变集中区形成,随后形成剪切带。剪切带中,空心微珠的失效行为为裂纹萌生与扩展,微珠壁屈曲与褶皱,最终坍塌。在应力平台区,变形区不断扩大,直至致密化。空心微珠/Al多孔复合材料压缩损伤行为与基体特性相关。随基体Mg含量增多,多孔复合材料在峰值应力附近的变形状态从鼓状变形逐渐发展为脆性剪切,剪切带形成时的横向应变减小,应力平台起伏增大。空心微珠/Al多孔复合材料动态压缩性能与应变率敏感性研究结果显示:随荷载应变率增大,多孔复合材料压缩应力提高;应变率敏感性随基体Mg含量的增加而降低。Al-3Mg基多孔复合材料的动态损伤行为研究结果表明,当撞击速度较低时,多孔材料芯部和边角区首先变形,形成细小剪切带;当撞击速度较大时,多孔材料整体基本同时变形,空心微珠剪切坍塌,多孔材料横向延展,最终完全压实为“扁饼状”。基于硬/软/硬“三明治”结构设计原理,本文设计了以Al-3Mg基多孔复合材料为芯层,金属为面背板的“三明治”结构,并研究其应力波传播特性。试验及数值模拟结果表明,空心微珠/Al多孔复合材料通过大塑性变形衰减应力波强度;当撞击速度为11m/s时,27Si Mn/多孔复合材料/2024Al“三明治”结构的应力波衰减率为0.86,是双层结构的3.4倍,高于AZ31/多孔复合材料/2024Al“三明治”结构,27Si Mn/多孔复合材料/2024Al背板应力更小且稳定。