CN103357980A - 金属蜂窝吸能芯材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属蜂窝吸能芯材的制备方法，包括：在表面预处理后的板材上施加钎料；将所述板材制备为数量为多个、端面为多边形的条状的瓦楞板；所述多边形的任意相邻两边弯折呈一定的夹角；所述端面形成弯曲的形状；将两个条状的瓦楞板镜像放置，采用钎焊设备冶金结合，形成筒状芯材；将多个筒状的芯材按照多行多列排列，将接触面采用钎焊设备冶金结合，制作成所述金属蜂窝吸能芯材。采用本发明的方法制备的金属蜂窝吸能芯材的各连接部位采用焊接结构结合，使其结构不受环境影响，其力学性能兼顾了结构及连接形态两方面的优势。
Description
技术领域
本发明涉及蜂窝芯材领域，具体地说，涉及一种金属蜂窝吸能芯材的制备方法。
背景技术
蜂窝结构之所以成为自然界中最有效合理的结构，就是因为其正六边形的几何形状。这种形状很好地分散了所受的外力，并相互支撑，使其成为一种完美的力学结构，具有重量轻、比强度高、刚性大、可回收等优点，尤其是在垂向上抗冲击性能极佳。所以蜂窝结构的芯材作为单方向的吸能材料具有良好的优越性。
目前常见的蜂窝芯材均是胶粘方式，连接方式为物理结合，其强度、使用寿命以及允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂性能制约，导致在使用过程中，所承受载荷远远未达到所使用材料的屈服极限而失效，力学性能较低。采用热压复合后拉伸得到蜂窝芯材，当超过一定高度时，材料结构产生撕裂，因此常见的蜂窝芯材一般不超过200mm。此外，现有工艺一般采用环氧胶胶粘，其耐受温度仅为200度。解决金属蜂窝芯之间的结合方式，是提高金属蜂窝板力学性能的关键，但仅通过胶粘剂性能的改进和提高来取得蜂窝芯材在性能上的飞跃是很有局限的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有金属蜂窝吸能芯材的制备方法，使该金属蜂窝吸能芯材各连接部位的结构易受环境影响。
本发明的技术方案如下：
一种金属蜂窝吸能芯材的制备方法，包括：在表面预处理后的板材上施加钎料；将所述板材制备为数量为多个、端面为多边形的条状的瓦楞板；所述多边形的任意相邻两边弯折呈一定的夹角；所述端面形成弯曲的形状；将两个条状的瓦楞板镜像放置，采用钎焊设备冶金结合，形成筒状芯材；将多个筒状的芯材按照多行多列排列，将接触面采用钎焊设备冶金结合，制作成所述金属蜂窝吸能芯材。
进一步：所述筒状芯材的单元的横截面形状为正六边形。
进一步，所述表面预处理包括：采用质量浓度为5～10%的碱性水溶液浸泡5～10分钟后，清水冲洗以去除所述板材表面的油污和氧化膜；采用静电喷涂，使助焊剂均匀涂覆于所述板材表面。
进一步：还包括热处理工艺，所述热处理工艺为将所述金属蜂窝吸能芯材淬火后进行人工时效。
进一步：所述淬火为将金属蜂窝吸能芯材加热到500～530℃后，放入冷水中冷却，然后在180℃温度下保温12小时；所述人工时效为将所述金属蜂窝吸能芯材从T4状态提高到T6状态。
进一步：还包括表面处理工艺，所述表面处理工艺为在所述金属蜂窝吸能芯材表面包裹外层硫化橡胶。
进一步：所述板材的厚度为0.1～2mm。
进一步：所述钎料为无机物类钎料；所述钎料的形状为板状、带状或膏状；所述钎料涂覆在瓦楞板的接触面上，所述钎料的加热温度为150℃～1050℃。
进一步：所述钎焊设备为热复合机。
进一步：所述正六边形的边长为2～30mm。
本发明的技术效果如下：
采用本发明的方法制备的金属蜂窝吸能芯材的各连接部位采用焊接结构结合，使其结构不受环境影响，其力学性能兼顾了结构及连接形态两方面的优势。
附图说明
图1为本发明的制备方法的流程图；
图2为本发明的实施例1的金属蜂窝吸能芯材的示意图。
具体实施方式
下面参考附图和优选实施例对本发明技术方案作详细描述。
如图1所示，是本发明的制备方法的流程图。
步骤S1：对板材进行表面预处理。
本发明选用厚度为0.1～2mm的板材。该板材一般为铝合金板材或者不锈钢板材。采用质量浓度为5～10%的碱性水溶液浸泡5～10分钟后，清水冲洗以去除该板材表面的油污和氧化膜。通过静电喷涂，使助焊剂均匀涂覆于板材表面，以有效去除氧化膜，避免钎焊时产生虚焊。静电喷涂的喷枪的工艺参数为：输入电压为11V，输入频率为18KHz，输入电流为0.75A，输出电压为100KV，输出电流最大为0.15mA。
步骤S2：在表面预处理后的板材上施加钎料。
将板材放入涂钎料机涂钎料或放入轧制机轧制钎料。钎料为板状、带状或膏状。对铝合金钎焊钎料采用铝硅钎料一般选用4系钎料，例如Al-Si4045或Al-Si4047，以减小钎焊过程中钎料的流动性。该钎料涂覆于瓦楞板接触面，该瓦楞板结合部位可完全冶金结合，又不会因为钎料用量过多而影响芯材的性能。
步骤S3：将板材滚轧为端面为多边形的条状瓦楞板。
先用滚轧设备将板材制备为数量为多个、多个端面为多边形的瓦楞板。多边形的任意相邻两边弯折呈一定的夹角，端面形成弯曲的形状。该夹角为90°～180°，优选为120°。然后使用压型模具将该瓦楞板整形得到多个端面为具有规则的多边形的条状瓦楞板。
步骤S4：将两个条状瓦楞板镜像放置，采用钎焊设备冶金结合，形成筒状芯材。
优选的，筒状芯材的横截面的形状为正六边形。
步骤S5：将多个筒状的芯材按照多行多列排列，将接触面采用钎焊设备冶金结合，制作成金属蜂窝吸能芯材。
使用真空或气氛保护炉对吸能芯材进行钎焊。钎料的加热温度为150℃～1050℃
步骤S6：将冶金结合后的瓦楞板冷却至400℃以下，然后从炉内取出自然冷却、卸压和裁制边角。
优选地，经过这一步的处理，该筒状芯材的正六边形横截面边长为2～30mm。
步骤S7：对吸能芯材进行热处理。
为了使得到的金属蜂窝吸能芯材的性能更好，对于以铝合金板材生产的吸能芯材需要进行热处理。
热处理工艺为淬火。将金属蜂窝吸能芯材加热到500～530℃后，迅速放入冷水中快速冷却，然后在180℃保温12小时后进行人工时效，将金属蜂窝吸能芯材从T4状态提高到T6状态。T4状态为固溶热处理后自然时效至基本稳定的状态，T6状态为固溶热处理后人工时效的状态。通过淬火和人工时效可以达到材料的最好力学状态。
步骤S8：对吸能芯材进行表面处理。
对于某些应用于特殊领域，比如轨道领域的吸能芯材，还可以对其进行表面处理以适用于特殊的领域。
表面处理包括：为了防止该材料使用过程中，外界环境对材料产生影响，瓦楞板表面外层包裹硫化橡胶，可缓冲石子等硬质材料飞溅造成的破坏，保证了材料的使用寿命。
本发明的方法制备的蜂窝吸能芯材的优点包括：采用该工艺制备的金属蜂窝吸能芯材高度可达1000mm，其耐高温可达600℃，各连接部位采用焊接结构结合，结构不受环境影响，使用寿命为胶粘结构的三倍，其力学性能兼顾了结构及连接形态两方面的优势，是航天及轨道交通行业被动防护的一种新型吸能材料。
实施例1制备6系铝合金蜂窝吸能材料
选用的铝合金板为6系。由于6系铝合金板含铝量高，铝容易挥发，污染气氛，因此，在其两面复合3系铝合金板。采用质量浓度为5～10%的碱性水溶液浸泡5～10分钟后，清水冲洗以去除该板材表面的油污和氧化膜。静电喷涂助焊剂，使助焊剂均匀涂覆于板材表面，以有效去除氧化膜，避免钎焊时产生虚焊。静电喷涂的喷枪的工艺参数为：输入电压为11V，输入频率为18KHz，输入电流为0.75A，输出电压为100KV，输出电流最大为0.15mA。将板材放入涂钎料机涂4系复合钎料。钎料为板状，厚度为0.1mm。该钎料涂覆于铝合金板接触面，该材料结合部位可完全冶金结合，又不会因为钎料用量过多而影响芯材的性能。用滚轧设备将铝合金板在常温下轧制为边长4.5mm的半正六边形的瓦楞板。然后使用压型模具将该瓦楞板整形得到具有规则的半正六边形的瓦楞板。按照要求，将合格的瓦楞板多层叠加、码置，形成蜂窝状结构。然后将瓦楞板放入夹具中施加一定压力，置入钎焊设备中，加热至590～620℃，使瓦楞板的接触面冶金结合。气氛保护冷却至400℃后，从炉内取出瓦楞板自然冷却，并卸压和裁制边角，得到以铝合金板为基础板材的金属蜂窝吸能芯材。经过这一步的处理，该蜂窝状结构的正六边形边长约为4.5mm。
为了使该金属蜂窝吸能芯材的性能更好，对该金属蜂窝吸能芯材进行热处理。将该金属蜂窝吸能芯材加热到500～530℃后，迅速放入冷水中快速冷却。然后在180℃保温12小时后进行人工时效，将金属蜂窝吸能芯材从T4状态提高到T6状态，以提高机械性能。
芯材表面涂覆硫化助剂，包覆橡胶生料，在模具中150℃下进行硫化，硫化温时间为15～20分钟，可缓冲石子等硬质材料飞溅造成的破坏，保证了材料的使用寿命。
如图2所示，为本发明的实施例1的金属蜂窝吸能芯材的示意图。
该金属蜂窝吸能芯材在冲击试验中，平压强度可达8～12Mpa，压溃层叠平稳，受力一致，吸能量可达8～12兆焦/立方米，可以有效吸收轨道车辆高速运行中碰撞能量，保障人车安全。
实施例2：
选用304不锈钢板，其厚度为0.1mm。采用质量浓度为5～10%的碱性水溶液浸泡5～10分钟后，清水冲洗以去除该板材表面的油污和氧化膜。静电喷涂助焊剂，使助焊剂均匀涂覆于板材表面，以有效去除氧化膜，避免钎焊时产生虚焊。将板材放入轧制机采用轧制方法双面轧制钎料。钎料选用无腐蚀不锈钢钎料。钎料为板状，厚度为0.02mm。用滚轧设备将304不锈钢板在常温下轧制为边长2mm的半正六边形的瓦楞板。然后使用压型模具将该瓦楞板整形得到具有规则的半正六边形的瓦楞板。按照要求，将合格的瓦楞板多层叠加、码置，形成蜂窝状结构。然后将瓦楞板放入夹具中施加一定压力，置入真空钎焊设备中，加热至1050℃，使瓦楞板的接触面冶金结合。气氛保护冷却至300℃后，从炉内取出瓦楞板自然冷却，并卸压和裁制边角，得到以不锈钢板为基础材料的金属蜂窝吸能芯材。经过这一步的处理，该蜂窝状结构的正六边形边长约为4.5mm。
该金属蜂窝吸能芯材在冲击试验中，平压强度可达30～32Mpa，压溃层叠平稳无撕裂，受力一致，吸能量可达30～32兆焦/立方米，可以有效吸收航天器落地时碰撞能量，保障设备安全。
以上所述的实施例，只是本发明具体实施方式的几种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种金属蜂窝吸能芯材的制备方法，包括：
在表面预处理后的板材上施加钎料；
将所述板材制备为数量为多个、端面为多边形的条状的瓦楞板；所述多边形的任意相邻两边弯折呈一定的夹角；所述端面形成弯曲的形状；
将两个条状的瓦楞板镜像放置，采用钎焊设备冶金结合，形成筒状芯材；
将多个筒状的芯材按照多行多列排列，将接触面采用钎焊设备冶金结合，制作成所述金属蜂窝吸能芯材。
2.如权利要求1所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于，所述筒状芯材的单元的横截面形状为正六边形。
3.如权利要求1所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于，所述表面预处理包括：采用质量浓度为5～10%的碱性水溶液浸泡5～10分钟后，清水冲洗以去除所述板材表面的油污和氧化膜；采用静电喷涂，使助焊剂均匀涂覆于所述板材表面。
4.如权利要求1所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于：还包括热处理工艺，所述热处理工艺为将所述金属蜂窝吸能芯材淬火后进行人工时效。
5.如权利要求4所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于，所述淬火为将金属蜂窝吸能芯材加热到500～530℃后，放入冷水中冷却，然后在180℃温度下保温12小时；所述人工时效为将所述金属蜂窝吸能芯材从T4状态提高到T6状态。
6.如权利要求1所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于：还包括表面处理工艺，所述表面处理工艺为在所述金属蜂窝吸能芯材表面包裹外层硫化橡胶。
7.如权利要求1所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于：所述板材的厚度为0.1～2mm。
8.如权利要求1所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于：所述钎料为无机物类钎料；所述钎料的形状为板状、带状或膏状；所述钎料涂覆在瓦楞板的接触面上，所述钎料的加热温度为150℃～1050℃。
9.如权利要求1所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于：所述钎焊设备为热复合机。
10.如权利要求1所述的金属蜂窝吸能芯材的制备方法，其特征在于：所述正六边形的边长为2～30mm。
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