CN102909907A - 一种多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板及其制备方法，将开槽后的金属板条通过拼装工艺得到多层菱形点阵芯体，并通过钎焊工艺实现多层菱形点阵芯体与金属面板连接获得多层菱形点阵金属夹层板，将与菱形芯体孔形状相对应的切割泡沫铝插入菱形芯体孔,并胶接复合获得多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构。本发明实现一种多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板的制备。这种新型的多层菱形点阵-泡沫铝复合夹层板在交通运输、安全防护及军事等领域具有广泛的应用前景。它能有效的减轻重量，改善冲击变形，尤其在人员及设备的安全防护中，具有优异的缓冲吸能效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板及其制备方法，具体涉及一种多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板及其制备方法。
背景技术
多层菱形点阵金属结构作为一种二维周期性多孔结构，在国外已经有所研究。虽然其面外压缩性能方面的比刚度和比强度较无序型泡沫结构（典型如泡沫铝材料）具有明显的优势，但由于菱形点阵结构达到峰值强度后发生结构失稳后，随应变增加出现明显的大幅度应力软化现象，而不如泡沫材料那样具有较长的应力平台区，不便于用作能量吸收。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合多层菱形点阵金属夹层板和泡沫铝各自优势，通过复合的方式实现承载和吸能等多功能融合于一身的多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的制备方法如下：
1）首先，用剪板机将厚度为0.5～5mm金属板剪切成矩形金属板条，然后在采用线切割在矩形金属板条的宽度方向上开设若干条插槽，其中插槽深度为矩形金属板条宽度的一半，插槽宽度大于金属板厚度的0.005～0.02mm；
2）其次，将步骤1）得到的开设有插槽的金属板条拼装成多层菱形结构形成多层菱形点阵结构芯体，将多层菱形点阵结构芯体和面板组装到一起，在多层菱形点阵结构芯体的拼插处和面板的结合位置处均匀涂抹NiCr25P10混合浆料或市售的钎焊膏；在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到多层菱形点阵金属夹层板；
3）然后，根据多层菱形点阵结构芯体中孔的空间形状和尺寸，采用线切割方法切割出相应的长方体和三角棱柱体闭孔泡沫铝；
4）最后，在长方体和三角棱柱泡沫铝与多层菱形点阵结构芯体及金属面板接触面上均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，然后将长方体和三角棱柱体泡沫铝插入多层菱形点阵金属夹层板的孔中进行填充，室温静置或于40～60℃烘箱中固化，最终得到多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板。
所述的金属板和面板采用碳钢钢板、不锈钢板、铝或铝合金板；
所述钎焊：铝或铝合金板，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℃～610℃保温10min～1h；对于不锈钢板或碳钢钢板，真空度控制在10-2～10-3Pa，以1～10℃/min速度自室温升温至800℃～1100℃保温10min～2h。
所述的多层菱形点阵结构芯体的金属板与水平方向的夹角θ=30°～75°,多层菱形点阵结构芯体的孔隙率为70～95%。
所述的闭孔泡沫铝的密度为0.1～0.67g/cm3,孔隙率为70～95%。
所述的拼装前将所有切割好的金属板条和面板用金属清洗剂进行清洗，去除其表面油垢和锈迹，然后在40～50℃烘箱中烘干。
所述的混合浆料由质量百分比5%～10%的黏结剂、45%～75%的200目～400目的钎焊粉料和20%～50%去离子水混合均匀制成，其中黏结剂为质量浓度1%～10%的聚乙烯醇或甲基纤维素黏结剂。
按本发明的制备方法制成的多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板包括：该复合结构夹层板由面板以及焊接在面板内的多层菱形点阵结构芯体构成，且在多层菱形点阵结构芯体的孔中填充有长方体或三角棱柱体形状的泡沫铝。
本发明为进一步提高多层菱形点阵金属夹层板的刚度、强度及能量吸收能力，在其二维间隙中填充能量吸收能力较好的闭孔泡沫铝，使复合后结构材料结构更紧凑，发挥不同结构材料间的相互耦合特性(压缩强度获得大幅提升),充分发挥结构材料的承载、吸能、隔振等多功能优势。实验测得，芯体相对密度为0.044的单层不锈钢菱形点阵（压缩峰值强度8.8MPa）与孔隙率0.76的闭孔泡沫铝（压缩平台应力13.0MPa）复合后压缩峰值强度（32.1MPa）几乎是复合前两种结构各自压缩强度之和的1.5倍，单位体积能量吸收（名义压缩应变达到0.5）是复合前两种结构各自单位体积能量吸收之和的近乎3倍。显而易见，复合后的效果远大于复合前各自结构效果之和。
由于点阵金属夹层结构优异的力学性能以及泡沫铝吸能、减震的各自优势，实现力学性能的耦合(压缩强度获得大幅提升)，因而这种新型复合结构具有较大的结构和能量吸收应用潜力。
附图说明
图1多层菱形点阵芯体组装示意图
图2多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板示意图
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
1）首先，用剪板机将厚度为0.5mm的不锈钢板剪切成矩形金属板条1，然后采用线切割在矩形金属板条的宽度方向上开设若干条插槽，其中插槽深度为矩形金属板条宽度的一半，插槽宽度大于金属板厚度的0.005～0.02mm，余量是为了便于拼装且不影响结构构型的精度和稳定性；
2）其次，将所有切割好的金属板条1和面板3用金属清洗剂进行清洗，去除其表面油垢和锈迹，然后在40～50℃烘箱中烘干，将烘干后的开设有插槽的金属板条1按照图1的方式拼装成1～5层菱形结构形成多层菱形点阵结构芯体2，多层菱形点阵结构芯体2的金属板条1与水平方向的夹角θ=30°,多层菱形点阵结构芯体2的孔隙率为90～95%，然后再按图2结构将多层菱形点阵结构芯体2和面板3组装到一起，在多层菱形点阵结构芯体2的拼插处和面板3的结合位置处均匀涂抹NiCr25P10市售的钎焊膏，在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到多层菱形点阵金属夹层板5；
所述钎焊：真空度控制在10-2Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min；
3）然后，根据多层菱形点阵结构芯体2中孔的空间形状和尺寸，采用线切割方法切割出相应的长方体和三角棱柱体闭孔泡沫铝6；闭孔泡沫铝6的密度为0.1～0.67g/cm3,孔隙率为70～95%
4）最后，在长方体和三角棱柱泡沫铝6与多层菱形点阵结构芯体2及金属面板3接触面上均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，然后将长方体和三角棱柱体泡沫铝6插入多层菱形点阵金属夹层板5的孔4中进行填充，室温静置或于40～60℃烘箱中固化，最终得到多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板。
实施例2：
1）首先，用剪板机将厚度为2mm的碳钢钢板剪切成矩形金属板条1，然后采用线切割在矩形金属板条的宽度方向上开设若干条插槽，其中插槽深度为矩形金属板条宽度的一半，插槽宽度大于金属板厚度的0.005～0.02mm，余量是为了便于拼装且不影响结构构型的精度和稳定性；
2）其次，将所有切割好的金属板条1和面板3用金属清洗剂进行清洗，去除其表面油垢和锈迹，然后在40～50℃烘箱中烘干，将烘干后的开设有插槽的金属板条1按照图1的方式拼装成1～5层菱形结构形成多层菱形点阵结构芯体2，多层菱形点阵结构芯体2的金属板条1与水平方向的夹角θ=60°,多层菱形点阵结构芯体2的孔隙率为85～90%，然后再按图2结构将多层菱形点阵结构芯体2和面板3组装到一起，在多层菱形点阵结构芯体2的拼插处和面板3的结合位置处均匀涂抹焊剂NiCr25P10混合浆料；在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到多层菱形点阵金属夹层板5；
所述的混合浆料由质量百分比5%的黏结剂、75%的200目～400目的钎焊粉料和20%去离子水混合均匀制成，其中黏结剂为质量浓度1%的聚乙烯醇或甲基纤维素黏结剂。
所述钎焊：真空度控制在10-3Pa，以5℃/min速度自室温升温至950℃保温10min～2h；
3）然后，根据多层菱形点阵结构芯体2中孔的空间形状和尺寸，采用线切割方法切割出相应的长方体和三角棱柱体闭孔泡沫铝6；闭孔泡沫铝6的密度为0.1～0.67g/cm3,孔隙率为70～95%
4）最后，在长方体和三角棱柱泡沫铝6与多层菱形点阵结构芯体2及金属面板3接触面上均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，然后将长方体和三角棱柱体泡沫铝6插入多层菱形点阵金属夹层板5的孔4中进行填充，室温静置或于40～60℃烘箱中固化，最终得到多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板。
实施例3：
1）首先，用剪板机将厚度为4mm的不锈钢板剪切成矩形金属板条1，然后采用线切割在矩形金属板条的宽度方向上开设若干条插槽，其中插槽深度为矩形金属板条宽度的一半，插槽宽度大于金属板厚度的0.005～0.02mm，余量是为了便于拼装且不影响结构构型的精度和稳定性；
2）其次，将所有切割好的金属板条1和面板3用金属清洗剂进行清洗，去除其表面油垢和锈迹，然后在40～50℃烘箱中烘干，将烘干后的开设有插槽的金属板条1按照图1的方式拼装成1～5层菱形结构形成多层菱形点阵结构芯体2，多层菱形点阵结构芯体2的金属板条1与水平方向的夹角θ=50°,多层菱形点阵结构芯体2的孔隙率为70～80%，然后再按图2结构将多层菱形点阵结构芯体2和面板3组装到一起，在多层菱形点阵结构芯体2的拼插处和面板3的结合位置处均匀涂抹NiCr25P10市售的钎焊膏；在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到多层菱形点阵金属夹层板5；
所述钎焊：真空度控制在10-2Pa，以10℃/min速度自室温升温至1100℃保温10min～2h；
3）然后，根据多层菱形点阵结构芯体2中孔的空间形状和尺寸，采用线切割方法切割出相应的长方体和三角棱柱体闭孔泡沫铝6；闭孔泡沫铝6的密度为0.1～0.67g/cm3,孔隙率为70～95%
4）最后，在长方体和三角棱柱泡沫铝6与多层菱形点阵结构芯体2及金属面板3接触面上均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，然后将长方体和三角棱柱体泡沫铝6插入多层菱形点阵金属夹层板5的孔4中进行填充，室温静置或于40～60℃烘箱中固化，最终得到多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板。
实施例4：
1）首先，用剪板机将厚度为3.5mm的1060纯铝板剪切成矩形金属板条1，然后采用线切割在矩形金属板条的宽度方向上开设若干条插槽，其中插槽深度为矩形金属板条宽度的一半，插槽宽度大于金属板厚度的0.005～0.02mm，余量是为了便于拼装且不影响结构构型的精度和稳定性；
2）其次，将所有切割好的金属板条1和面板3用金属清洗剂进行清洗，去除其表面油垢和锈迹，然后在40～50℃烘箱中烘干，将烘干后的开设有插槽的金属板条1按照图1的方式拼装成1～5层菱形结构形成多层菱形点阵结构芯体2，多层菱形点阵结构芯体2的金属板条1与水平方向的夹角θ=40°,多层菱形点阵结构芯体2的孔隙率为75～80%，然后再按图2结构将多层菱形点阵结构芯体2和面板3组装到一起，在多层菱形点阵结构芯体2的拼插处和面板3的结合位置处均匀涂抹市售的铝钎焊膏；在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到多层菱形点阵金属夹层板5；
所述钎焊，真空度控制在10-3Pa，以5℃/min速度自室温均匀升温至580～610℃保温10min～1h；
3）然后，根据多层菱形点阵结构芯体2中孔的空间形状和尺寸，采用线切割方法切割出相应的长方体和三角棱柱体闭孔泡沫铝6；闭孔泡沫铝6的密度为0.1～0.67g/cm3,孔隙率为70～95%
4）最后，在长方体和三角棱柱泡沫铝6与多层菱形点阵结构芯体2及金属面板3接触面上均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，然后将长方体和三角棱柱体泡沫铝6插入多层菱形点阵金属夹层板5的孔4中进行填充，室温静置或于40～60℃烘箱中固化，最终得到多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板。
实施例5：
1）首先，用剪板机将厚度为5mm的6061铝合金板剪切成矩形金属板条1，然后采用线切割在矩形金属板条的宽度方向上开设若干条插槽，其中插槽深度为矩形金属板条宽度的一半，插槽宽度大于金属板厚度的0.005～0.02mm，余量是为了便于拼装且不影响结构构型的精度和稳定性；
2）其次，将所有切割好的金属板条1和面板3用金属清洗剂进行清洗，去除其表面油垢和锈迹，然后在40～50℃烘箱中烘干，将烘干后的开设有插槽的金属板条1按照图1的方式拼装成1～5层菱形结构形成多层菱形点阵结构芯体2，多层菱形点阵结构芯体2的金属板条1与水平方向的夹角θ=70°,多层菱形点阵结构芯体2的孔隙率为70～85%，然后再按图2结构将多层菱形点阵结构芯体2和面板3组装到一起，在多层菱形点阵结构芯体2的拼插处和面板3的结合位置处均匀涂抹市售的铝钎焊膏；在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到多层菱形点阵金属夹层板5；
所述钎焊：真空度控制在10-4Pa，以10℃/min速度自室温均匀升温至550～600℃保温10min～20min；
3）然后，根据多层菱形点阵结构芯体2中孔的空间形状和尺寸，采用线切割方法切割出相应的长方体和三角棱柱体闭孔泡沫铝6；闭孔泡沫铝6的密度为0.1～0.67g/cm3,孔隙率为70～95%
4）最后，在长方体和三角棱柱泡沫铝6与多层菱形点阵结构芯体2及金属面板3接触面上均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，然后将长方体和三角棱柱体泡沫铝6插入多层菱形点阵金属夹层板5的孔4中进行填充，室温静置或于40～60℃烘箱中固化，最终得到多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板。
实施例6：
1）首先，用剪板机将厚度为1mm的1060纯铝板剪切成矩形金属板条1，然后采用线切割在矩形金属板条的宽度方向上开设若干条插槽，其中插槽深度为矩形金属板条宽度的一半，插槽宽度大于金属板厚度的0.005～0.02mm，余量是为了便于拼装且不影响结构构型的精度和稳定性；
2）其次，将所有切割好的金属板条1和面板3用金属清洗剂进行清洗，去除其表面油垢和锈迹，然后在40～50℃烘箱中烘干，将烘干后的开设有插槽的金属板条1按照图1的方式拼装成1～5层菱形结构形成多层菱形点阵结构芯体2，多层菱形点阵结构芯体2的金属板条1与水平方向的夹角θ=75°,多层菱形点阵结构芯体2的孔隙率为90～95%，然后再按图2结构将多层菱形点阵结构芯体2和面板3组装到一起，在多层菱形点阵结构芯体2的拼插处和面板3的结合位置处均匀涂抹市售的铝钎焊膏；在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到多层菱形点阵金属夹层板5；
所述钎焊：真空度控制在10-3Pa，以1℃/min速度自室温均匀升温至300～400℃保温10min～1h；
3）然后，根据多层菱形点阵结构芯体2中孔的空间形状和尺寸，采用线切割方法切割出相应的长方体和三角棱柱体闭孔泡沫铝6；闭孔泡沫铝6的密度为0.1～0.67g/cm3,孔隙率为70～95%
4）最后，在长方体和三角棱柱泡沫铝6与多层菱形点阵结构芯体2及金属面板3接触面上均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，然后将长方体和三角棱柱体泡沫铝6插入多层菱形点阵金属夹层板5的孔4中进行填充，室温静置或于40～60℃烘箱中固化，最终得到多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板。
Claims (7)
1.一种多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板的制备方法，其特征在于：
1）首先，用剪板机将厚度为0.5～5mm金属板剪切成矩形金属板条（1），然后在采用线切割在矩形金属板条的宽度方向上开设若干条插槽，其中插槽深度为矩形金属板条宽度的一半，插槽宽度大于金属板厚度的0.005～0.02mm；
2）其次，将步骤1）得到的开设有插槽的金属板条（1）拼装成多层菱形结构形成多层菱形点阵结构芯体（2），将多层菱形点阵结构芯体（2）和面板（3）组装到一起，在多层菱形点阵结构芯体（2）的拼插处和面板（3）的结合位置处均匀涂抹NiCr25P10混合浆料或市售的钎焊膏；在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到多层菱形点阵金属夹层板（5）；
3）然后，根据多层菱形点阵结构芯体（2）中孔的空间形状和尺寸，采用线切割方法切割出相应的长方体和三角棱柱体闭孔泡沫铝（6）；
4）最后，在长方体和三角棱柱泡沫铝（6）与多层菱形点阵结构芯体（2）及金属面板（3）接触面上均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，然后将长方体和三角棱柱体泡沫铝（6）插入多层菱形点阵金属夹层板（5）的孔（4）中进行填充，室温静置或于40～60℃烘箱中固化，最终得到多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板。
2.根据权利要求1所述的多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板的制备方法，其特征在于：所述的金属板和面板采用碳钢钢板、不锈钢板、铝或铝合金板；
所述钎焊：铝或铝合金板，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℃～610℃保温10min～1h；对于不锈钢板或碳钢钢板，真空度控制在10-2～10-3Pa，以1～10℃/min速度自室温升温至800℃～1100℃保温10min～2h。
3.根据权利要求1所述多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板的制备方法，其特征在于：所述的多层菱形点阵结构芯体（2）的金属板与水平方向的夹角θ=30°～75°,多层菱形点阵结构芯体（2）的孔隙率为70～95%。
4.根据权利要求1所述多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板的制备方法，其特征在于：所述的闭孔泡沫铝的密度为0.1～0.67g/cm3,孔隙率为70～95%。
5.根据权利要求1所述多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板的制备方法，其特征在于：所述的拼装前将所有切割好的金属板条（1）和面板（3）用金属清洗剂进行清洗，去除其表面油垢和锈迹，然后在40～50℃烘箱中烘干。
6.根据权利要求1所述多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板的制备方法，其特征在于：所述的混合浆料由质量百分比5%～10%的黏结剂、45%～75%的200目～400目的钎焊粉料和20%～50%去离子水混合均匀制成，其中黏结剂为质量浓度1%～10%的聚乙烯醇或甲基纤维素黏结剂。
7.一种如权利要求1所述的多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板的制备方法制备的多层菱形点阵金属-泡沫铝复合结构夹层板，其特征在于：该复合结构夹层板由面板（3）以及焊接在面板（3）内的多层菱形点阵结构芯体（2）构成，且在多层菱形点阵结构芯体（2）的孔（4）中填充有长方体或三角棱柱体形状的泡沫铝（6）。
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