CN111347736A - 一种具有夹层芯材的复合金属结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有夹层芯材的复合金属结构及其制备方法，该复合金属结构由外而内依次包括外蒙皮、夹层芯材和内蒙皮，夹层芯材是由两块锯齿形面板相互卡接配合而成；每块锯齿形面板的平滑侧均与其对应的外蒙皮、内蒙皮的内侧固定连接，且两块锯齿形面板之间填充有泡沫金属材料。该复合金属结构不仅能够通过夹层芯材起到一定的抗冲击性和隔音降噪特性，还通过粘接于两块锯齿形面板之间的泡沫金属结构，起到更好的隔音性能以及吸收电磁波的特性；而且泡沫金属的多孔结构使其在承受压力时，具有优异的抗冲击以及吸收能量的特性，可用于解决列车在高速运行过程中的隔音噪音以及抗冲击等问题。制备方法操作简单，适于实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及复合金属结构制备技术领域，具体涉及一种具有夹层芯材的复合金属结构及其制备方法。
背景技术
现有的高速列车上的隔音板一般是用多层板材胶合而成，但是胶合而成的复合板具有重量大、强度低、使用寿命低的缺点，其制约了高速列车的发展。因此，需要对现有高速列车上的胶合板材进行改进，并选用一种新型的复合板材来替换现有的胶合板材。
现有的铝蜂窝复合板是由两块铝板与铝蜂窝芯复合而成的，在航空、航天等领域中均得到了很好的应用，其具有重量氢、抗冲击、隔音降噪、隔热性好等优点，但是这种铝蜂窝复合板在应用于高速列车上时，虽然在一定程度上能够降低列车的整体重量，但是在隔音降噪方面还无法满足列车在高速运行时的要求。
这是由于高速列车在运行过程中不仅会受到来自于空气动力性噪声的干扰，还会受到来自于轮轨噪声、集电系统噪声和桥梁构造物噪声的干扰。因此，列车在增速的同时也需要进行相应的减震降噪处理。
另外，由于列车在高速运行过程中，仍然会受到来自于鸟类或者其它非人为因素的撞击影响，因此，需要对列车的车身设计相应的抗撞击结构，以提高其吸能特性和防护特性。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种既具有隔音降噪特性，又具有吸能特性和防护特性的夹层芯材的复合金属结构及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种具有夹层芯材的复合金属结构，由外而内依次包括外蒙皮、夹层芯材和内蒙皮，所述夹层芯材是由两块锯齿形面板相互卡接配合而成；每块所述锯齿形面板的平滑侧均与其对应的外蒙皮、内蒙皮的内侧固定连接，且两块所述锯齿形面板之间填充有泡沫金属材料。
进一步，所述外蒙皮的侧缘均朝向所述内蒙皮的侧缘弯曲成型，且与所述内蒙皮的侧缘固定连接；所述外蒙皮与所述内蒙皮围合形成用于容纳所述夹层芯材的空腔，所述夹层芯材固定于所述空腔的中部，所述空腔的两侧缘内均填充有泡沫金属材料。
进一步，所述泡沫金属材料为泡沫铝或者泡沫铝合金。
进一步，所述外蒙皮与所述内蒙皮均是由3层金属薄板粘接压合而成，且每两层金属薄板之间均设有吸声纤维板。
更进一步，所述吸声纤维板为铝纤维板或聚酯纤维板，所述金属薄板为铝合金。
更进一步，所述金属薄板的厚度与所述吸声纤维板的厚度的比值为3:1，所述外蒙皮的厚度与所述内蒙皮的厚度的比值为3:2。
进一步，每块所述锯齿形面板均包括金属面板以及固接于所述金属面板上的若干个首尾依次连接的锯齿形结构件，每个所述锯齿形结构件的截面形状均为等腰三角形。
更进一步，每个所述锯齿形结构件远离所述金属面板一端的夹角为45～60°。
进一步，两块所述锯齿形面板之间还设有若干“匚”型截面或者“工”型截面的的加强件。
本发明还提供一种具有夹层芯材的复合金属结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、外蒙皮与内蒙皮的制备
将金属薄板预成形后进行磷酸阳极化处理；再按照每两层金属薄板之间铺贴一层吸声纤维板的次序依次铺贴金属薄板和吸声纤维板，共五层，各层之间通过胶粘固定；然后置于真空袋中，抽真空后加压升温并保温，固化成形后，冷却至室温，去除真空袋后，即得；
S2、锯齿形面板的制备
将金属板从中部压折后再与另一金属板的两端焊接，得到锯齿形结构件，然后将锯齿形结构件依次并排胶粘固定于一金属面板上，即得锯齿形面板；
S3、复合金属结构的制备
将锯齿形面板的平滑侧分别与外蒙皮的内侧、内蒙皮的内侧粘接固定，再在两个锯齿形面板之间以及内蒙皮的侧缘与外蒙皮的侧缘之间均填充入泡沫金属材料，然后将外蒙皮的侧缘朝向内蒙皮的侧缘弯曲成型，再实现压印连接，并采用铆钉固定外蒙皮，即得。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明提供一种具有夹层芯材的复合金属结构及其制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明提供的复合金属结构通过在两层复合蒙皮结构中间设置夹层芯材，能够使列车在高速运行的过程中，起到有效防止因意外撞击而穿透车身的风险发生，起到有效的吸收撞击动能的效果，能够显著提高高速列车的抗撞击性和防护特性。
2、本发明提供的复合金属结构不仅能够通过夹层芯材起到一定的抗冲击性和隔音降噪特性，还通过粘接于两块锯齿形面板之间的泡沫金属结构，起到更好的隔音性能以及吸收电磁波的特性；而且泡沫金属的多孔结构使其在承受压力时，由于气孔的塌陷导致受力面积的增加以及材料应变硬化效应，使其具有优异的抗冲击以及吸收能量的特性。通过锯齿形面板和泡沫金属结构的结合，能够显著提高高速列车的性能，且能够解决列车在高速运行过程中的隔音噪音以及抗冲击等问题。
3、本发明的结构采用吸声纤维板与铝合金薄板组成的蒙皮结构，能够显著改善结构的抗损伤性能，且能够显著降低列车的结构重量，有利于增速。
4、本发明的制备方法操作简单，适于实现工业化生产，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1中外蒙皮与内蒙皮的结构示意图。
图中：1、外蒙皮；2、夹层芯材；21、锯齿形面板；211、金属面板；212、锯齿形结构件；22、加强件；3、内蒙皮；4、泡沫金属材料；5、金属薄板；6、吸声纤维板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-2所示，本发明实施例所提供的一种具有夹层芯材的复合金属结构，由外而内依次包括外蒙皮1、夹层芯材2和内蒙皮3，夹层芯材2是由两块锯齿形面板21相互卡接配合而成；每块锯齿形面板21的平滑侧均与其对应的外蒙皮1、内蒙皮3的内侧固定连接，且两块锯齿形面板21之间填充有泡沫金属材料4。其中，泡沫金属材料4为泡沫铝或者泡沫铝合金。
本实施例中，该复合金属结构通过在两层复合蒙皮结构中间设置夹层芯材，能够使列车在高速运行的过程中，起到有效防止因意外撞击而穿透车身的风险发生，起到有效的吸收撞击动能的效果，能够显著提高高速列车的抗撞击性和防护特性。
另外，该复合金属结构不仅能够通过夹层芯材起到一定的抗冲击性和隔音降噪特性，还通过粘接于两块锯齿形面板之间的泡沫金属结构，起到更好的隔音性能以及吸收电磁波的特性；而且泡沫金属的多孔结构使其在承受压力时，由于气孔的塌陷导致受力面积的增加以及材料应变硬化效应，使其具有优异的抗冲击以及吸收能量的特性。通过锯齿形面板和泡沫金属结构的结合，能够显著提高高速列车的性能，且能够解决列车在高速运行过程中的隔音噪音以及抗冲击等问题。
为了使车身外壁有一个合适的高速运行结构，外蒙皮1的侧缘均朝向内蒙皮3的侧缘弯曲成型，且与内蒙皮3的侧缘固定连接；外蒙皮1与内蒙皮3围合形成用于容纳夹层芯材2的空腔，夹层芯材2固定于空腔的中部，空腔的两侧缘内均填充有泡沫金属材料4。通过夹层芯材与泡沫金属材料的配合作用，在降低车身整体结构重量的同时，能够起到很好的抗冲击性和隔音降噪效果，有利于列车的提速。
为了进一步提高外蒙皮与内蒙皮的抗冲击性以及隔音降噪效果，外蒙皮1与内蒙皮3均是由3层金属薄板5粘接压合而成，且每两层金属薄板5之间均设有吸声纤维板6。其中，吸声纤维板6为铝纤维板或聚酯纤维板，金属薄板5为铝合金。
本实施例中，金属薄板5的厚度与吸声纤维板6的厚度的比值为3:1，在起到骨架固定的同时，能够起到有效的降噪效果。外蒙皮1的厚度与内蒙皮3的厚度的比值为3:2，能够使车身的厚度得到一定的改善。
每块锯齿形面板21均包括金属面板211以及固接于金属面板211上的若干个首尾依次连接的锯齿形结构件212，每个锯齿形结构件212的截面形状均为等腰三角形。优选的，每个锯齿形结构件212远离金属面板211一端的夹角为45～60°。在此，通过两块锯齿形面板结构的相互卡接，使其组合形成近似方形的结构件，方面贴合外蒙皮与内蒙皮，而且能够在于的一定程度上提高车身的刚强度。
为了进一步提高车身的两块锯齿形面板21之间还设有若干“匚”型截面或者“工”型截面的的加强件22。通过在锯齿形面板间增加加强件能够提高夹层芯材的局部刚强度，在控制结构重量的前提下，能够有效改善夹层芯材的变形量，满足列车高速运行时的强度要求。
本发明实施例还提供一种具有夹层芯材的复合金属结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、外蒙皮与内蒙皮的制备
S1.1、铝合金板表面磷酸阳极化处理
将金属薄板预成形后进行磷酸阳极化处理的步骤如下：
将铝合金箔板置于丙酮溶液中超声清洗5～10min，用水清洗后，再置于20g/L氢氧化钠与20g/L碳酸钠的混合溶液中浸泡2～5min，用水清洗后，接着置于200g/L硝酸溶液中浸泡2～5min，去离子水淋洗至pH值为7后，置于100g/L磷酸溶液中进行去阳极化处理20～30min，在溢流的去离子水中漂洗2～5min，用去离子水淋洗2～5min，烘干后，置于真空袋中密封保存；
S1.2、外蒙皮与内蒙皮的制备
将上述处理好的金属薄板，按照每两层金属薄板之间铺贴一层吸声纤维板的次序，依次铺贴金属薄板和吸声纤维板，共五层，各层之间通过胶粘固定；然后置于真空袋中，抽真空后加压升温并保温，固化成形后，冷却至室温，去除真空袋后，即得；
S2、锯齿形面板的制备
将金属板从中部压折后再与另一金属板的两端焊接，得到锯齿形结构件，然后将锯齿形结构件依次并排胶粘固定于一金属面板上，即得锯齿形面板；
S3、复合金属结构的制备
将锯齿形面板的平滑侧分别与外蒙皮的内侧、内蒙皮的内侧粘接固定，再在两个锯齿形面板之间以及内蒙皮的侧缘与外蒙皮的侧缘之间均填充入预制好的泡沫金属材料，通过胶粘固接，然后将外蒙皮的侧缘朝向内蒙皮的侧缘弯曲成型，再实现压印连接，并采用铆钉固定外蒙皮，即得。
该制备方法操作简单，适于实现工业化生产，具有非常广阔的应用前景。
比较例1
一种具有夹层芯材的复合金属结构，与实施例1的结构相同，其不同之处在于，两块锯齿形面板21之间没有填充物。
将本发明实施例1与比较例1的复合金属结构进行耐冲击性能检测，具体检测方法如下：
采用0.5kg的金属钢球以相当于300km/h的速度，垂直冲击本发明实施例1与比较例1的复合金属结构，测试抗冲击性。
经测试结果显示，本发明实施例1的复合金属板在300km/h的垂直撞击速度下，内蒙皮层未见破损，内侧锯齿形面板出现了轻微的凹陷，约为10mm，外侧锯齿形面板出现了凹陷，约为25mm，而外蒙皮层向内凹陷，约为60～70mm，而整体结构未见破损，仅发生凹陷。
而比较例1的复合金属板在300km/h的垂直撞击速度下，内蒙皮层未见破损，但内侧锯齿形面板发生凹陷，约为50mm，外侧锯齿形面板发生凹陷，约为70mm，外蒙皮层向内凹陷，约为100mm。
这是由于泡沫金属的多孔结构使其在承受压力时，由于气孔的塌陷导致受力面积的增加以及材料应变硬化效应，使其具有优异的抗冲击以及吸收能量的特性。
由此可以看出，本发明实施例1的复合金属结构在300km/h的垂直撞击速度下具有良好的抗冲击性能，且整体单位质量较传统铝合金降低了40％以上。既提高了抗冲击强度，又降低了质量。通过锯齿形面板和泡沫金属结构的结合，能够显著提高高速列车的性能，且能够解决列车在高速运行过程中的隔音噪音以及抗冲击等问题。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有夹层芯材的复合金属结构，由外而内依次包括外蒙皮(1)、夹层芯材(2)和内蒙皮(3)，其特征在于，所述夹层芯材(2)是由两块锯齿形面板(21)相互卡接配合而成；每块所述锯齿形面板(21)的平滑侧均与其对应的外蒙皮(1)、内蒙皮(3)的内侧固定连接，且两块所述锯齿形面板(21)之间填充有泡沫金属材料(4)。
2.根据权利要求1所述的具有夹层芯材的复合金属结构，其特征在于，所述外蒙皮(1)的侧缘均朝向所述内蒙皮(3)的侧缘弯曲成型，且与所述内蒙皮(3)的侧缘固定连接；所述外蒙皮(1)与所述内蒙皮(3)围合形成用于容纳所述夹层芯材(2)的空腔，所述夹层芯材(2)固定于所述空腔的中部，所述空腔的两侧缘内均填充有泡沫金属材料(4)。
3.根据权利要求1所述的具有夹层芯材的复合金属结构，其特征在于，所述泡沫金属材料(4)为泡沫铝或者泡沫铝合金。
4.根据权利要求1所述的具有夹层芯材的复合金属结构，其特征在于，所述外蒙皮(1)与所述内蒙皮(3)均是由3层金属薄板(5)粘接压合而成，且每两层金属薄板(5)之间均设有吸声纤维板(6)。
5.根据权利要求4所述的具有夹层芯材的复合金属结构，其特征在于，所述吸声纤维板(6)为铝纤维板或聚酯纤维板，所述金属薄板(5)为铝合金。
6.根据权利要求4所述的具有夹层芯材的复合金属结构，其特征在于，所述金属薄板(5)的厚度与所述吸声纤维板(6)的厚度的比值为3:1，所述外蒙皮(1)的厚度与所述内蒙皮(3)的厚度的比值为3:2。
7.根据权利要求1所述的具有夹层芯材的复合金属结构，其特征在于，每块所述锯齿形面板(21)均包括金属面板(211)以及固接于所述金属面板(211)上的若干个首尾依次连接的锯齿形结构件(212)，每个所述锯齿形结构件(212)的截面形状均为等腰三角形。
8.根据权利要求7所述的具有夹层芯材的复合金属结构，其特征在于，每个所述锯齿形结构件(212)远离所述金属面板(211)一端的夹角为45～60o。
9.根据权利要求1所述的具有夹层芯材的复合金属结构，其特征在于，两块所述锯齿形面板(21)之间还设有若干“匚”型截面或者“工”型截面的的加强件(22)。
10.一种具有夹层芯材的复合金属结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、外蒙皮与内蒙皮的制备
将金属薄板预成形后进行磷酸阳极化处理；再按照每两层金属薄板之间铺贴一层吸声纤维板的次序依次铺贴金属薄板和吸声纤维板，共五层，各层之间通过胶粘固定；然后置于真空袋中，抽真空后加压升温并保温，固化成形后，冷却至室温，去除真空袋后，即得；
S2、锯齿形面板的制备
将金属板从中部压折后再与另一金属板的两端焊接，得到锯齿形结构件，然后将锯齿形结构件依次并排胶粘固定于一金属面板上，即得锯齿形面板；
S3、复合金属结构的制备
将锯齿形面板的平滑侧分别与外蒙皮的内侧、内蒙皮的内侧粘接固定，再在两个锯齿形面板之间以及内蒙皮的侧缘与外蒙皮的侧缘之间均填充入泡沫金属材料，然后将外蒙皮的侧缘朝向内蒙皮的侧缘弯曲成型，再实现压印连接，并采用铆钉固定外蒙皮，即得。
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