CN102765227B - 一种开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，将波纹夹层材料与线切割的蜂窝（六边形蜂窝和方孔蜂窝）通过钎焊技术复合获得开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料。本发明实现波纹夹层结构材料和蜂窝复合结构的制备。这种波纹-蜂窝复合夹层结构，在交通运输、机械制造、军事领域具有广泛应用前景，它可以有效减轻结构重量，开孔结构还可以提供主动冷却,尤其在机械制造行业中，更可以发挥其高强度、高刚度和主动散热性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种波纹-蜂窝复合夹层材料及其制备方法，具体涉及一种开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料及其制备方法。
背景技术
超轻多孔金属材料是近些年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖多功能材料。其芯体具有高孔隙率，其微结构按规则程度可分为无序和有序两大类，前者包括闭孔泡沫铝材料，而后者包括二维点阵材料（如波纹结构,蜂窝结构）与三维桁架结构（如金字塔结构、四面体结构）。
目前，通常的多孔金属夹层板多为蜂窝铝或波纹等单一结构，蜂窝铝芯具有较高结构效率，另外由于其高的比表面积，兼具主动冷却的功能，在航空航天、能源、交通等领域得到了广泛应用。而波纹结构制造工艺相对简单、成本低。将两种结构复合，结构更紧凑，不仅可以保持蜂窝的结构、传热性能优势，而且由于蜂窝的支撑作用，极大提高波纹结构性能，使得最终可以大幅度提高复合材料的性能，其具有更多的市场前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料，通过复合的方式实现蜂窝面内力学性能增强，同时保持结构散热性能的开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的制备方法如下：包括两板金属面板以及设置在两块金属面板之间的金属波纹芯体，在金属波纹芯体的孔内填充有与金属波纹芯体的孔相匹配的六边形蜂窝材料或方形蜂窝材料。
所述的金属波纹芯体为具有平台结构的梯形结构。
本发明的制备方法包括以下步骤：
1）将平整过的金属板材制成具有平台结构即梯形结构的金属波纹芯体，然后对金属波纹芯体和平整过的金属面板清洗去除油污和锈迹后烘干；
2）采用线切割技术将板状六边形或者方孔蜂窝芯切割成与金属波纹芯体的孔相匹配的六边形蜂窝材料或方形蜂窝材料，并对切割后的材料进行清洗去除油污和锈迹、烘干；
3）将六边形蜂窝材料或方形蜂窝材料插入金属波纹芯体的孔中，依次将金属波纹芯体的孔结构全部插满得复合芯体，并将金属面板加载在复合芯体上、下表面，然后将市售的钎焊膏或混合浆料均匀涂覆在六边形蜂窝材料或方形蜂窝材料胞壁与金属波纹结构芯体的接触处、金属波纹芯体和金属面板的接触处，使复合芯体相对密度增加0.2-0.3%，在30℃～80℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，对于铝及其合金，真空度控制在10-3～10-4Pa；以1～10℃/min速度自室温均匀升温至300℃～500℃范围保温10min～1h；对于不锈钢材料，真空度控制在10-2～10-3Pa范围，然后通1-20Pa氩气分压烧结，以1～10℃/min速度自室温升温至800℃～1100℃保温10min～2h，缓冷至室温出炉即可；
所述的混合浆料的配置如下：配置质量浓度为1%～10%的聚乙烯醇或甲基纤维素黏结剂，然后按质量百分比将5%～10%的黏结剂、45%～75%的200目～400目的钎焊粉料或镍铬磷粉末和20%～50%去离子水混合均匀制成混合浆料。
所述的梯形结构的金属波纹芯体采用模压或者折叠技术制备。
所述的清洗采用金属清洗剂清洗。
所述的金属板材和蜂窝材质为不锈钢板、纯铝或铝合金板。
所述的金属面板厚度0.5-5mm，波纹面板厚度0.3-3mm。
所述的装配后六边形蜂窝材料或方形蜂窝材料孔方向和金属波纹芯体的孔的方向平行。
所述的六边形蜂窝材料或方形蜂窝材料的孔隙率为90-98%。
所述步骤2）的线切割使丝线与蜂窝孔方向平行。
本发明在金属波纹芯体中全部填充满六边形蜂窝和方形蜂窝，并与金属面板复合，通过钎焊制成开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料。本发明应用波纹低成本以及蜂窝的结构和高比表面积等各自性能的优势，将两种结构复合可以结合两者的优点，结构紧凑，实现整体力学性能大幅提高，获得综合性能更加优异的结构功能一体化材料。
附图说明
图1波纹结构夹层板以及六边形蜂窝梯形棱柱的结构示意图；
图2波纹结构夹层板以及方形蜂窝梯形棱柱的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：1）将平整过的厚度为0.3mm的金属板材即不锈钢板采用模压或者折叠技术制成具有平台结构6即梯形结构的金属波纹芯体2，然后对金属波纹芯体2和平整过的厚度为厚度2.5mm的金属面板1即不锈钢板采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后烘干；
2）采用线切割技术使丝线与蜂窝孔方向平行将孔隙率为90-98%的板状六边形蜂窝芯切割成与金属波纹芯体2的孔3相匹配的六边形蜂窝材料4，并对切割后的材料采用金属清洗剂进行清洗去除油污和锈迹、烘干；
3）将六边形蜂窝材料4插入金属波纹芯体2的孔3中，依次将金属波纹芯体2的孔3结构全部插满得复合芯体，装配后六边形蜂窝材料4孔方向和金属波纹芯体的孔3的方向平行，并将金属面板1加载在复合芯体上、下表面，然后将市售的钎焊膏均匀涂覆在六边形蜂窝材料4胞壁与金属波纹结构芯体2的接触处、金属波纹芯体2和金属面板1的接触处，使复合芯体相对密度增加0.2%，在30℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，真空度控制在10-2～10-3Pa范围，然后通1-20Pa氩气分压烧结，以1℃/min速度自室温升温至800℃保温2hmin，缓冷至室温出炉即可（参见图1）。
实施例2：1）将平整过的厚度为1mm的金属板材即纯铝板采用模压或者折叠技术制成具有平台结构6即梯形结构的金属波纹芯体2，然后对金属波纹芯体2和平整过的厚度为厚度0.5mm的金属面板1即纯铝板采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后烘干；
2）采用线切割技术使丝线与蜂窝孔方向平行将孔隙率为90-98%的板状六边形蜂窝芯切割成与金属波纹芯体2的孔3相匹配的六边形蜂窝材料4，并对切割后的材料采用金属清洗剂进行清洗去除油污和锈迹、烘干；
3）将六边形蜂窝材料4插入金属波纹芯体2的孔3中，依次将金属波纹芯体2的孔3结构全部插满得复合芯体，装配后六边形蜂窝材料4孔方向和金属波纹芯体的孔3的方向平行，并将金属面板1加载在复合芯体上、下表面，然后将市售的钎焊膏均匀涂覆在六边形蜂窝材料4胞壁与金属波纹结构芯体2的接触处、金属波纹芯体2和金属面板1的接触处，使复合芯体相对密度增加0.3%，在45℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，真空度控制在10-3～10-4Pa；以1℃/min速度自室温均匀升温至300℃范围保温1hmin。缓冷至室温出炉即可。
实施例3：1）将平整过的厚度为1.5mm的金属板材即铝合金板采用模压或者折叠技术制成具有平台结构6即梯形结构的金属波纹芯体2，然后对金属波纹芯体2和平整过的厚度为厚度5mm的金属面板1即铝合金板采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后烘干；
2）采用线切割技术使丝线与蜂窝孔方向平行将孔隙率为90-98%的板状六边形蜂窝芯切割成与金属波纹芯体2的孔3相匹配的六边形蜂窝材料4，并对切割后的材料采用金属清洗剂进行清洗去除油污和锈迹、烘干；
3）将六边形蜂窝材料4插入金属波纹芯体2的孔3中，依次将金属波纹芯体2的孔3结构全部插满得复合芯体，装配后六边形蜂窝材料4孔方向和金属波纹芯体的孔3的方向平行，并将金属面板1加载在复合芯体上、下表面，然后将市售的钎焊膏均匀涂覆在六边形蜂窝材料4胞壁与金属波纹结构芯体2的接触处、金属波纹芯体2和金属面板1的接触处，使复合芯体相对密度增加0.3%，在65℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，真空度控制在10-3～10-4Pa；以5℃/min速度自室温均匀升温至400℃范围保温30min；缓冷至室温出炉即可。
实施例4：1）将平整过的厚度为3mm的金属板材即不锈钢板采用模压或者折叠技术制成具有平台结构6即梯形结构的金属波纹芯体2，然后对金属波纹芯体2和平整过的厚度为厚度5mm的金属面板1即不锈钢板采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后烘干；
2）采用线切割技术使丝线与蜂窝孔方向平行将孔隙率为90-98%的板状方孔蜂窝芯切割成与金属波纹芯体2的孔3相匹配的方形蜂窝材料5，并对切割后的材料采用金属清洗剂进行清洗去除油污和锈迹、烘干；
3）将方形蜂窝材料5插入金属波纹芯体2的孔3中，依次将金属波纹芯体2的孔3结构全部插满得复合芯体，装配后方形蜂窝材料5孔方向和金属波纹芯体的孔3的方向平行，并将金属面板1加载在复合芯体上、下表面，然后将混合浆料均匀涂覆在方形蜂窝材料5胞壁与金属波纹结构芯体2的接触处、金属波纹芯体2和金属面板1的接触处，使复合芯体相对密度增加0.28%，在80℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，真空度控制在10-2～10-3Pa范围，然后通1-20Pa氩气分压烧结，以5℃/min速度自室温升温至950℃保温1hmin，缓冷至室温出炉即可（参见图2）；
所述的混合浆料的配置如下：配置质量浓度为1%的聚乙烯醇或甲基纤维素黏结剂，然后按质量百分比将5%的黏结剂、75%的200目～400目的钎焊粉料或镍铬磷粉末和20%去离子水混合均匀制成混合浆料。
实施例5：1）将平整过的厚度为2mm的金属板材即纯铝板采用模压或者折叠技术制成具有平台结构6即梯形结构的金属波纹芯体2，然后对金属波纹芯体2和平整过的厚度为厚度1mm的金属面板1即纯铝板采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后烘干；
2）采用线切割技术使丝线与蜂窝孔方向平行将孔隙率为90-98%的板状方孔蜂窝芯切割成与金属波纹芯体2的孔3相匹配的方形蜂窝材料5，并对切割后的材料采用金属清洗剂进行清洗去除油污和锈迹、烘干；
3）将方形蜂窝材料5插入金属波纹芯体2的孔3中，依次将金属波纹芯体2的孔3结构全部插满得复合芯体，装配后方形蜂窝材料5孔方向和金属波纹芯体的孔3的方向平行，并将金属面板1加载在复合芯体上、下表面，然后将混合浆料均匀涂覆在方形蜂窝材料5胞壁与金属波纹结构芯体2的接触处、金属波纹芯体2和金属面板1的接触处，使复合芯体相对密度增加0.23%，在70℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，真空度控制在10-3～10-4Pa；以10℃/min速度自室温均匀升温至500℃范围保温10min；缓冷至室温出炉即可；
所述的混合浆料的配置如下：配置质量浓度为5%的聚乙烯醇或甲基纤维素黏结剂，然后按质量百分比将10%的黏结剂、60%的200目～400目的钎焊粉料或镍铬磷粉末和30%去离子水混合均匀制成混合浆料。
实施例6：1）将平整过的厚度为2.5mm的金属板材即不锈钢板采用模压或者折叠技术制成具有平台结构6即梯形结构的金属波纹芯体2，然后对金属波纹芯体2和平整过的厚度为厚度3mm的金属面板1即不锈钢板采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后烘干；
2）采用线切割技术使丝线与蜂窝孔方向平行将孔隙率为90-98%的板状方孔蜂窝芯切割成与金属波纹芯体2的孔3相匹配的方形蜂窝材料5，并对切割后的材料采用金属清洗剂进行清洗去除油污和锈迹、烘干；
3）将方形蜂窝材料5插入金属波纹芯体2的孔3中，依次将金属波纹芯体2的孔3结构全部插满得复合芯体，装配后方形蜂窝材料5孔方向和金属波纹芯体的孔3的方向平行，并将金属面板1加载在复合芯体上、下表面，然后将混合浆料均匀涂覆在方形蜂窝材料5胞壁与金属波纹结构芯体2的接触处、金属波纹芯体2和金属面板1的接触处，使复合芯体相对密度增加0.26%，在50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，真空度控制在10-2～10-3Pa范围，然后通1-20Pa氩气分压烧结，以10℃/min速度自室温升温至1100℃保温10min，缓冷至室温出炉即可；
所述的混合浆料的配置如下：配置质量浓度为10%的聚乙烯醇或甲基纤维素黏结剂，然后按质量百分比将5%的黏结剂、45%的200目～400目的钎焊粉料或镍铬磷粉末和50%去离子水混合均匀制成混合浆料。
Claims (8)
1.一种开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，其特征在于：
1)将平整过的金属板材制成具有平台结构即梯形结构的金属波纹芯体(2)，然后对金属波纹芯体(2)和平整过的金属面板(1)清洗去除油污和锈迹后烘干；
2)采用线切割技术将板状六边形或者方孔蜂窝芯切割成与金属波纹芯体(2)的孔(3)相匹配的六边形蜂窝材料(4)或方形蜂窝材料(5)，并对切割后的材料进行清洗去除油污和锈迹、烘干；
3)将六边形蜂窝材料(4)或方形蜂窝材料(5)插入金属波纹芯体(2)的孔(3)中，依次将金属波纹芯体(2)的孔(3)结构全部插满得复合芯体，并将金属面板(1)加载在复合芯体上、下表面，然后将市售的钎焊膏或混合浆料均匀涂覆在六边形蜂窝材料(4)或方形蜂窝材料(5)胞壁与金属波纹芯体(2)的接触处、金属波纹芯体(2)和金属面板(1)的接触处，使复合芯体相对密度增加0.2-0.3％，在30℃～80℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，对于铝及其合金，真空度控制在10-3～10-4Pa；以1～10℃/min速度自室温均匀升温至300℃～500℃范围保温10min～1h；对于不锈钢材料，真空度控制在10-2～10-3Pa范围，然后通1-20Pa氩气分压烧结，以1～10℃/min速度自室温升温至800℃～1100℃保温10min～2h，缓冷至室温出炉即可；
所述的混合浆料的配置如下：配置质量浓度为1％～10％的聚乙烯醇或甲基纤维素黏结剂，然后按质量百分比将5％～10％的黏结剂、45％～75％的200目～400目的钎焊粉料或镍铬磷粉末和20％～50％去离子水混合均匀制成混合浆料。
2.根据权利要求1所述的开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，其特征在于：所述的梯形结构的金属波纹芯体(2)采用模压或者折叠技术制备。
3.根据权利要求1所述的开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，其特征在于：所述的清洗采用金属清洗剂清洗。
4.根据权利要求1所述的开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，其特征在于：所述的金属板材和蜂窝材质为不锈钢、纯铝或铝合金。
5.根据权利要求1所述开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，其特征在于：所述的金属面板厚度0.5-5mm，金属板材厚度0.3-3mm。
6.根据权利要求1所述开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，其特征在于：所述的装配后六边形蜂窝材料(4)或方形蜂窝材料(5)孔方向和金属波纹芯体的孔(3)的方向平行。
7.根据权利要求1所述开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，其特征在于：所述的六边形蜂窝材料(4)或方形蜂窝材料(5)的孔隙率为90-98％。
8.根据权利要求1所述开孔结构的波纹-蜂窝复合夹层材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)的线切割使丝线与蜂窝孔方向平行。
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