CN104647823B - 一种抗冲击吸能材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种抗冲击吸能材料，其特征在于：包括从外至内依次设置的金属面板和泡沫金属层，金属面板和泡沫金属层之间通过橡胶层进行硫化连接。本发明采用橡胶作为连接体将金属面板和泡沫材料金属层整体成型制备出新型抗冲击吸能材料，由于这三种材料之间的弹、塑性差别很大，可形成逐层防护体系，使前一层板上的应力波、机械力和裂纹不能传递到下一层板，冲击波在间隙中多次穿透，在间隙界面处产生反射，降低冲击波对整个复合板造成的破坏，进而提高该材料的抗冲击吸能性能。本发明具有良好的抗冲击、吸能和阻尼减振性能，并实现了功能结构一体化和制备工艺工程化，可以达到抗老化和简化工艺、提高生产效率的目的。

Description

一种抗冲击吸能材料及其制备方法

技术领域

本发明属于防护材料技术领域，具体涉及一种抗冲击吸能材料及其制备方法，用于警车、运钞车及特种车辆的防爆轰防护材料领域，民用交通运输车辆、轨道交通、建筑结构等抗冲击减振吸能防护材料领域，空天飞行器、机械设施、包装工程等爆炸及撞击作用抗振缓冲防护材料领域。

背景技术

新型抗冲击与吸能结构材料是近年来提出的一类新型材料，它的出现对于材料的选择及其性能研究具有重要的实用价值。不同构型的新型抗冲击吸能结构材料具有优良的力学、承载、抗冲击、吸能特性外，还具有阻尼、减振、吸声降噪、屏蔽电磁辐射及布设传感器等其他功能，可以满足航空、船舶、高速列车及特种车辆等内部结构支撑和底板等多方面的结构材料需求，近年来随着材料制备和成形加工技术的发展出现了以多孔泡沫金属为夹芯结构的多种吸能结构材料。

多孔泡沫金属材料是一种兼具功能和结构双重属性的新型工程材料，一直以来多孔泡沫金属就是抗冲击和吸能结构的首选防护材料之一。泡沫金属作为结构材料具有轻质、高比强度的特点；作为功能材料具有多孔、减振、阻尼、吸声、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能。和实体结构材料相比，由于气孔的存在，多孔泡沫金属具有良好的可压缩性、拥有一个较为稳定的压缩平台应力、可以吸收与冲击方向无关的冲击能量。在压缩承载条件下所表现出来的独特的力学性能表明泡沫金属是一种极具潜力的冲击缓冲材料，具有很高的冲击吸能本领，在航空航天、汽车船舶、机械建筑和包装运输等防护减振领域得到了广泛的应用，特别在汽车工业的防撞性设计以及在特种车辆上作为爆炸缓冲及防护材料具有重要的应用价值。但在实际应用中泡沫材料强度低、表面粗糙，不能单独作为结构材料使用。将泡沫材料和其他板材结合起来组成复合材料，即以泡沫材料作为芯体组成夹层板，将发挥泡沫材料和板材优点，为泡沫材料的发展提供了广阔的应用前景。

橡胶是一种性能优良的弹性体材料，能够较好的吸收冲击能量，进而缓和冲击和震动，另外橡胶也是一种很好的异性粘接材料，经硫化处理后具有很高的粘结强度，因而被广泛应用在异性材料连接上。另一方面，橡胶硫化制备过程中橡胶可浸入泡沫材料内部，使金属与橡胶融为一体，大幅度提高了泡沫材料的抗冲击吸能特性。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有良好的抗冲击、吸能、阻尼减振性能的抗冲击吸能材料。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种具有良好的抗冲击、吸能、阻尼减振性能的抗冲击吸能材料的制备方法，制备工艺简单、一体成型。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种抗冲击吸能材料，其特征在于：包括从外至内设置的金属面板和泡沫金属层，金属面板和泡沫金属层之间通过橡胶层进行硫化连接。

作为改进，所述金属面板为一层或两层，当金属面板为一层时，金属面板通过橡胶层硫化连接在泡沫金属层的外侧形成泡沫金属复合板；当金属面板为二层时，金属面板分别通过橡胶层硫化连接在在泡沫金属层的二侧，形成泡沫金属夹芯板。

作为优选，所述金属面板为钢板、铝合金板、钛合金板或者镁合金板。

作为优选，所述泡沫金属层选用通孔或闭孔的泡沫铝、泡沫镍或泡沫铜。

再优选，所述橡胶选用天然橡胶、合成橡胶或阻燃橡胶，并配合橡胶用热硫化胶粘剂。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种抗冲击吸能材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）按照设计尺寸要求准备金属面板和泡沫金属层；

2）将金属面板和泡沫金属层的粘结面分别采用橡胶用热硫化胶粘剂进行涂覆处理；

3）按照设计厚度要求制备橡胶胶料，并以金属面板和泡沫金属层的尺寸大小进行下料备用；

4）将压铸模具预热到能够使橡胶进行硫化的温度范围；

5）将金属面板、橡胶以及泡沫金属层按照设计结构依次放置在模具中；

6）合模施加压力后保压，使橡胶在设计的温度、压力和时间条件下完成硫化成型；

7）退模后取出产品完成抗冲击吸能材料的制备。

作为进一步改进，所述橡胶其添加量采用定量控制技术，在板材厚度一定的条件下，使得所添加的橡胶既起到硫化连接的作用，又能适量的渗入到泡沫金属层的泡沫材料中，橡胶的渗入量根据泡沫金属层的厚度和实际需要进行控制，以进一步提高泡沫材料的抗冲击吸能性能。

最后，所述橡胶作为连接体将金属面板和泡沫金属层多层组合、一次整体硫化成型；实现了泡沫夹芯复合板的功能结构一体化和制备工艺工程化，可以达到抗老化和简化工艺、提高生产效率的目的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用橡胶作为连接体将金属面板和泡沫材料金属层整体成型制备出新型抗冲击吸能材料，由于这三种材料之间的弹、塑性差别很大，可在其间出现大的波阻抗，产生强烈的波反射，从而形成逐层防护体系，使前一层板上的应力波、机械力和裂纹不能传递到下一层板，冲击波在间隙中多次穿透，在间隙界面处产生反射，降低冲击波对整个复合板造成的破坏，进而提高该材料的抗冲击吸能性能。采用橡胶作为连接体将金属面板和泡沫材料层整体成型，实现了功能结构一体化和制备工艺工程化，可以达到抗老化和简化工艺、提高生产效率的目的。橡胶的添加量可采用定量控制技术，在板材厚度一定的条件下，使得所添加的橡胶既可起到硫化连接的作用，又能适量的渗入到泡沫材料中，进一步提高泡沫材料的抗冲击吸能性能，橡胶的渗入量可根据泡沫层的厚度和实际需要进行控制。通过橡胶与金属面板和泡沫层的硫化连接，使各种材料之间产生很高的粘接强度，改进现有技术中由于硅酮胶或环氧树脂等材料粘接强度低，导致在爆炸冲击能量作用下泡沫夹芯复合板容易发生层间开裂的不足。由于橡胶自身具有隔离振动、吸收冲击等特性，用其硫化连接金属面板和泡沫材料可以进一步提高泡沫夹芯复合板的抗冲击吸能性能。

附图说明

图1是本发明实施例所制备的泡沫金属夹芯板的结构示意图；

图2是本发明实施例所制备的泡沫金属复合板的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种抗冲击吸能板材的制备方法，具体步骤如下：

1.按照设计尺寸要求准备金属面板和泡沫金属层；

2.将金属面板和泡沫金属层的粘结面分别采用专用的橡胶用热硫化胶粘剂进行涂覆处理；

3.按照设计厚度要求制备橡胶胶料，并以金属面板和泡沫金属层的尺寸大小进行下料备用；

4.将压铸模具预热到能够使橡胶进行硫化的温度范围；

5.将金属面板、橡胶以及泡沫金属板按照设计结构依次放置在模具中；

6.合模施加压力后保压，使橡胶在设计的温度、压力和时间条件下完成硫化成型；

7.退模后取出产品完成该新型抗冲击吸能复合板的制备。

采用橡胶作为连接体将金属面板和泡沫金属层整体成型，实现了泡沫夹芯复合板的功能结构一体化和制备工艺工程化，可以达到简化工艺、提高生产效率的目的。

实施例1（通孔泡沫金属夹芯板）

通孔泡沫金属夹芯板的结构如图1所示，该结构的特征为：金属面板1为二层，金属面板1作为最外层防护用于抵御外来物体的直接攻击，同时对内部各层防护材料实现有效约束；泡沫金属层3采用通孔的泡沫铝、泡沫镍或泡沫铜，泡沫金属层3作为内部最主要的吸能防护材料通过自身不可恢复的塑性变形来消耗冲击能量；金属面板1和泡沫层3通过橡胶层2进行硫化连接，橡胶层2具有隔离振动、吸收冲击等特性，另外橡胶的添加量可采用定量控制技术，在板材厚度一定的条件下，使得所添加的橡胶既可起到硫化连接的作用，又能适量的橡胶渗入到泡沫材料中形成浸入泡沫层中的橡胶4，进一步提高泡沫材料的抗冲击吸能性能。

实施例2（通孔泡沫金属复合板）

通孔泡沫金属复合板作为通孔泡沫夹芯板的延伸，在这里有必要进行单独说明，其结构如图2所示。该结构的特征为：金属面板1为一层，作为最外层防护用于抵御外来物体的直接攻击，同时对内部各层防护材料实现有效约束；泡沫金属层3采用通孔的泡沫铝、泡沫镍或泡沫铜，泡沫金属层3作为最内层防护通过自身不可恢复的塑性变形来消耗冲击能量；金属面板1和泡沫金属层3通过橡胶层2进行硫化连接，橡胶层2具有隔离振动、吸收冲击等特性，另外橡胶的添加量可采用定量控制技术，在板材厚度一定的条件下，使得所添加的橡胶既可起到硫化连接的作用，又能适量的橡胶渗入到泡沫材料中形成浸入泡沫层中的橡胶4，进一步提高泡沫材料的抗冲击吸能性能。

实施例3（闭孔泡沫金属夹芯板）

闭孔泡沫金属夹芯板的结构如图1所示。该结构的特征为：金属面板1为二层，作为最外层防护用于抵御外来物体的直接攻击，同时对内部各层防护材料实现有效约束；泡沫金属层3采用闭孔的泡沫铝、泡沫镍或泡沫铜，泡沫金属层3作为内部最主要的吸能防护材料通过自身不可恢复的塑性变形来消耗冲击能量；金属面板1和泡沫金属层3通过橡胶层2进行硫化连接，橡胶层2具有隔离振动、吸收冲击等特性，另外橡胶的添加量可采用定量控制技术，在板材厚度一定的条件下，使得所添加的橡胶既可起到硫化连接的作用，又能适量的橡胶渗入到泡沫材料中形成浸入泡沫层中的橡胶4，进一步提高泡沫材料的抗冲击吸能性能。

实施例4（闭孔泡沫金属复合板）

闭孔泡沫金属复合板作为闭孔泡沫金属夹芯板的延伸，在这里有必要进行单独说明，其结构如图2所示。该结构的特征为：金属面板1为一层，作为最外层防护用于抵御外来物体的直接攻击，同时对内部各层防护材料实现有效约束；泡沫金属层3采用闭孔的泡沫铝、泡沫镍或泡沫铜，泡沫金属层3作为最内层防护通过自身不可恢复的塑性变形来消耗冲击能量；金属面板1和泡沫金属层3通过橡胶层2进行硫化连接，橡胶层2具有隔离振动、吸收冲击等特性，另外橡胶的添加量可采用定量控制技术，在板材厚度一定的条件下，使得所添加的橡胶既可起到硫化连接的作用，又能适量的橡胶渗入到泡沫材料中形成浸入泡沫层中的橡胶4，进一步提高泡沫材料的抗冲击吸能性能。

根据该板材所选用的材料特性和层结构设计特性可以预见该板材具有优异的抗冲击、吸能、阻尼减振性能。

单一材料的性能优势：泡沫金属和实体结构材料相比，由于气孔的存在，具有良好的可压缩性、拥有一个较为稳定的压缩平台应力、可以吸收与冲击方向无关的冲击能量，是一种极具潜力的冲击缓冲材料，具有很高的冲击吸能本领。橡胶是一种性能优良的弹性体材料，能够较好的吸收冲击能量，进而缓和冲击和震动。

整体材料的结构优势：采用橡胶作为连接体将金属面板和泡沫材料金属层整体成型制备出新型抗冲击吸能材料，由于这三种材料之间的弹、塑性差别很大，可在其间出现大的波阻抗，产生强烈的波反射，从而形成逐层防护体系，使前一层板上的应力波、机械力和裂纹不能传递到下一层板，冲击波在间隙中多次穿透，在间隙界面处产生反射，降低冲击波对整个复合板造成的破坏，进而提高该材料的抗冲击吸能性能。

Claims (7)

1.一种抗冲击吸能材料，其特征在于：包括从外至内设置的金属面板和泡沫金属层，金属面板和泡沫金属层之间通过橡胶层进行硫化连接；所述金属面板为一层或两层，当金属面板为一层时，金属面板通过橡胶层硫化连接在泡沫金属层的外侧形成泡沫金属复合板；当金属面板为二层时，金属面板分别通过橡胶层硫化连接在在泡沫金属层的二侧，形成泡沫金属夹芯板；

上述抗冲击吸能材料通过以下制备方法获得，该制备方法包括步骤：

1)按照设计尺寸要求准备金属面板和泡沫金属层；

2)将金属面板和泡沫金属层的粘结面分别采用橡胶用热硫化胶粘剂进行涂覆处理；

3)按照设计厚度要求制备橡胶胶料，并以金属面板和泡沫金属层的尺寸大小进行下料备用；

4)将压铸模具预热到能够使橡胶进行硫化的温度范围；

5)将金属面板、橡胶以及泡沫金属层按照设计结构依次放置在模具中；所述橡胶其添加量采用定量控制技术，在板材厚度一定的条件下，使得所添加的橡胶既起到硫化连接的作用，又能适量的渗入到泡沫金属层的泡沫材料中，橡胶的渗入量根据泡沫金属层的厚度和实际需要进行控制；

6)合模施加压力后保压，使橡胶在设计的温度、压力和时间条件下完成硫化成型；

7)退模后取出产品完成抗冲击吸能材料的制备。

2.根据权利要求1所述的抗冲击吸能材料，其特征在于：所述金属面板为钢板、铝合金板、钛合金板或者镁合金板。

3.根据权利要求1所述的抗冲击吸能材料，其特征在于：所述泡沫金属层选用通孔或闭孔的泡沫铝、泡沫镍或泡沫铜。

4.根据权利要求1所述的抗冲击吸能材料，其特征在于：所述橡胶选用天然橡胶、合成橡胶或阻燃橡胶，并配合橡胶用热硫化胶粘剂。

5.一种根据权利要求1至4任意一项所述的抗冲击吸能材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按照设计尺寸要求准备金属面板和泡沫金属层；

2)将金属面板和泡沫金属层的粘结面分别采用橡胶用热硫化胶粘剂进行涂覆处理；

3)按照设计厚度要求制备橡胶胶料，并以金属面板和泡沫金属层的尺寸大小进行下料备用；

4)将压铸模具预热到能够使橡胶进行硫化的温度范围；

5)将金属面板、橡胶以及泡沫金属层按照设计结构依次放置在模具中；

6)合模施加压力后保压，使橡胶在设计的温度、压力和时间条件下完成硫化成型；

7)退模后取出产品完成抗冲击吸能材料的制备。

6.根据权利要求5所述的抗冲击吸能材料的制备方法，其特征在于所述橡胶其添加量采用定量控制技术，在板材厚度一定的条件下，使得所添加的橡胶既起到硫化连接的作用，又能适量的渗入到泡沫金属层的泡沫材料中，橡胶的渗入量根据泡沫金属层的厚度和实际需要进行控制。

7.根据权利要求5所述的抗冲击吸能材料的制备方法，其特征在于所述橡胶作为连接体将金属面板和泡沫金属层多层组合、一次整体硫化成型。