CN112549686B - 一种泡沫铝点阵结构复合材料、制备方法及复合板材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种泡沫铝点阵结构复合材料、制备方法及复合板材。所述泡沫铝点阵结构复合材料包括泡沫铝基板，所述泡沫铝基板内嵌设有至少一层均匀排布的实心球，所述实心球的形状为球形或椭球形。本发明的泡沫铝点阵结构复合材料能在保证泡沫铝复合材料轻质的基础上有效提高其抗冲击防爆轰分散吸能的性能，满足较大冲击能量的抗爆轰吸能工程应用指标。

Description

一种泡沫铝点阵结构复合材料、制备方法及复合板材

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种泡沫铝点阵结构复合材料、制备方法及复合板材。

背景技术

夹芯复合板因其结构及其力学特性上的优越性，它在各种工程结构中作为承载构件使用，尤其是在车辆、航空和航海工业中受到了实际应用和理论研究者的广泛重视。夹芯板的构造有很多种，它的普遍形式是：由高强度的外板和低密度的夹芯组成。该结构以夹芯层的抗压缩和面板的抗拉伸弯曲性能，类似于工字梁的受力原理，使其具有优良的抗冲击性能和尺寸稳定性，能充分发挥各部分材料的各自强度特性。这种组合结构材料具有重量轻、比强度和比刚度高的特点，选择合适的面板材料和夹芯材料，还可以获得良好的抗冲击、防爆轰、隔热、隔音和其它必要的性能，使其具有广泛的应用前景。

多孔泡沫金属材料在近20年里得到迅速发展，它是一种兼具功能和结构双重属性的新型工程材料。泡沫金属材料一直是国内外新型材料研制和应用的热点问题，泡沫金属材料具有轻质、阻尼减振、隔声降噪、抗冲击吸能等优良特性，其作为一种新型材料，目前在国外坦克装甲车辆阻尼减震、防爆轰和吸能隔板方面已实现了批量推广应用，主要包括车辆防雷地板夹层、车底板和隔板，而在国内坦克装甲车辆上的应用还处于实验室阶段。

金属基多孔结构材料包括钢、铝、镍等多种基体材料，其中泡沫铝研制和应用较为广泛，其作为结构材料具有轻质、高比强度的特点；其作为功能材料具有多孔、减震、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，泡沫铝还具有一定的可压缩性，可以吸收冲击能量。

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，将发挥泡沫材料的优点，为泡沫材料的抗冲击防爆轰发展提供了广阔的应用前景。近几年泡沫铝芯体夹层材料的研究成为国内外热点，但现有技术中泡沫铝复合板均为“壳板—芯体—壳板”组成的简单三明治结构，由于泡沫铝受厚度限制，泡沫铝本身作为一种金属气体混杂结构材料，对抗冲击波具有延时作用，抗冲击防爆轰分散吸能特性有限。随着炸药爆轰威力的增加，有限厚度的泡沫铝已不能满足夹芯复合板的抗冲击防爆轰需求，因此夹芯泡沫铝复合板在防炮轰抗冲击方面有待进一步提高。

泡沫铝复合板随着泡沫铝厚度的增加虽然能够改善其抗冲击性能以及能量吸收效果，但是同样会导致泡沫铝复合板重量和空间尺寸需求随之增加，进而限制了复合板的使用。

为此，将传导冲击波速度更高的球体置入泡沫铝材料中制备成相对密度较高的泡沫铝复合材料，以此在不增加泡沫铝复合材料厚度的基础上，能够有效提高得其抗冲击分散衰减耗能的特性。将其用于层状材料的复合夹芯板，可以应用于制造航母飞行甲板、轻质速装大桥、濒海战斗舰甲板、军车抗地雷底板、防弹复合装甲、重型装备空降缓冲台、轻质导弹发射井盖、高铁列车防撞结构、高铁列车声屏障、高架路隔振垫、安全校车等设备中。

目前，太原科技大学武建国等人(武建国,王录才.增强泡沫铝复合材料制备工艺的研究[J].铸造设备与工艺,2010(2):24-27)采用渗流工艺成功制备了泡沫铝合金材料，其通过预制陶瓷颗粒和盐粒复合芯及加压铸造获得了尺寸为30min×50mm、孔隙率为56％～75％、陶瓷球尺寸为1mm、陶瓷球与盐粒体积比例为1:5、2:3的试样。利用ZrO陶瓷球具有高密度、高硬度、高韧性、高耐磨损、无污染等的特性，在泡沫铝中复合ZrO陶瓷球不但可以充分吸收冲击弹丸能量，而且在强度、耐磨性上都有了很大的提高。然而，上述泡沫铝合金在制备时陶瓷球需要事先紧实至一定体积，由此该泡沫铝合金中的陶瓷球占据主要成分，其虽然能够有效提高泡沫铝合金的抗冲击性，但其重量会随之增加，无法达到轻量化生产的目的。而且该项方案制备的泡沫铝陶瓷球复合材料制备工艺复杂，复合板中的盐清洗难度大，由于制备工艺和清洗原因限制，不能制备大尺寸的泡沫铝陶瓷球复合板。

公告号为CN103667849B的中国发明专利公开了一种金属基陶瓷复合材料及其制造方法和应用，其将基体金属通过挤压铸造技术渗透到陶瓷颗粒之间形成整体金属基陶瓷复合材料，该工艺虽然简单，但其基体材料为致密的金属，使得制备的陶瓷球复合材料产品密度大，产品重量与轻量化的泡沫铝结构相比差距较大。

如何在保证泡沫铝复合材料轻量化的基础上有效提高其抗冲击防爆轰分散吸能的性能是目前急需解决的技术难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种泡沫铝点阵结构复合材料，包括泡沫铝基板，所述泡沫铝基板内嵌设有至少一层均匀排布的实心球，所述实心球的形状为球形或椭球形。

实心球的形状以球形为宜，但受制造工艺影响可能具有一定的椭圆度，另外在脱模过程中可能会在实心球上产生冒口，保证冒口的高度小于实心球直径的三分之一，具有冒口的实心球也可以使用。

进一步地，所述泡沫铝基板内嵌设有一层或两层所述实心球。

进一步地，所述实心球的球体半径为1.5mm-10mm。泡沫铝点阵结构复合材料中各实心球的尺寸可以相同也可以不同。

进一步地，椭球形的所述实心球的长半径与短半径的比值小于等于1.25。

进一步地，每层中相邻所述实心球之间的间距为0mm-40mm。实心球之间的间距指的是相邻两个实心球外表面之间的最短直线距离。

进一步地，所述实心球的材料为金属或陶瓷。

金属材料的实心球生产工艺简单、生产成本低，钢、铝、镁等金属的冲击波传播速度依次约为5900m/s、6300m/s、5800m/s；相对地，陶瓷材料的实心球密度小，冲击波传播速度约为7000m/s左右，具有较高的硬度、抗压强度、耐热性、动态应力性能等；冲击波在金属和陶瓷这两种材料中的传播速度均大于在泡沫铝中的传播速度。用于制作实心球的金属材料可以选自钢、铝合金、钛合金、镁合金、钨合金中的一种；用于制作实心球的陶瓷材料可以选自Al₂O₃、ZrO₂、B₄C、SiC、Si₃N₄、TiB₂中的一种。

进一步地，所述泡沫铝基板为通孔泡沫铝或闭孔泡沫铝。

泡沫铝基板的尺寸规格一般介于0.5m×0.3m至8m×2m，厚度一般为20mm至100mm。

本发明还提供一种采用直接压制法制备上述泡沫铝点阵结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：将实心球均匀排布为至少一层，将所述实心球以层为单位压入泡沫铝基板中，至所述实心球完全嵌入于所述泡沫铝基板中，即得泡沫铝点阵结构复合材料。

采用直接压制法制备泡沫铝点阵结构复合材料，实心球直接嵌入泡沫铝基板，连接强度高，嵌入深度大于或等于实心球的球体直径。

本发明还提供一种采用预制孔置入法制备上述泡沫铝点阵结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：在泡沫铝基板的板面上加工至少一层均匀排布的预制孔，将实心球放置在所述预制孔中，至所述实心球完全嵌入于所述泡沫铝基板中，即得泡沫铝点阵结构复合材料。

泡沫铝基板上设置的预制孔的孔径小于或等于实心球的球体直径，预制孔的孔深则大于或等于实心球的球体直径；优选地，预制孔的孔径为1mm-20mm，预制孔的孔深为3mm-30mm。由此，实心球能够完全嵌入于预制孔中并与预制孔过盈配合。还可以在预制孔中添加胶料，增加泡沫铝基板与实心球的结合强度。

制备泡沫铝点阵结构复合材料时，用到的泡沫铝基板可以提前制备或直接采用外购产品，该泡沫铝基板的尺寸可以根据需要进行调整，从而增加了泡沫铝点阵结构复合材料的应用范围。

本发明还提供一种复合板材，包括所述泡沫铝点阵结构复合材料，所述泡沫铝点阵结构复合材料包括泡沫铝基板，所述泡沫铝基板内嵌设有至少一层均匀排布的实心球，所述泡沫铝基板一侧或两侧设有面板。

复合板材的面板可选用金属板、木板、纤维板中的一种或两种，通过胶膜或胶水粘接在泡沫铝点阵结构复合材料上。

与现有技术比较，本发明的主要有益效果在于：

本发明的泡沫铝点阵结构复合材料包括泡沫铝基板和嵌入基板的实心球，泡沫铝金属网格结构、泡沫铝中的孔洞结构和实心球结构对冲击波的传导速度不同，其中实心球对冲击波具有很快的传导速度，均匀分散的泡沫铝金属网格结构对冲击波的传导速度较缓，泡沫铝中的孔洞结构对冲击波传导速度最慢，泡沫铝和实心球传播冲击波的速度差异能延长冲击波的作用时间，降低冲击波的峰值，提高复合材料的吸能性能；另一方面实心球具有分散冲击波的作用，本发明复合材料中的实心球均匀排布的在泡沫铝基板中，可以将冲击波均匀分散到泡沫铝中时，通过泡沫铝的压缩变形和粉碎损耗消耗冲击波能量，提高复合材料的抗冲击防爆轰性能。

本发明复合材料具有轻质化的优点，通过在泡沫铝中嵌入实心球提高材料的抗冲击性能，不需要增加泡沫铝材料的空间尺寸即可以满足较大冲击能量的抗爆轰吸能工程应用指标，具有广泛的应用前景，可以应用于制造航母飞行甲板、轻质速装大桥、濒海战斗舰甲板、军车抗地雷底板、防弹复合装甲、重型装备空降缓冲台、轻质导弹发射井盖、高铁列车防撞结构、高铁列车声屏障、高架路隔振垫、安全校车等设备。本发明提供了两种泡沫铝点阵结构复合材料的制备方法，分别为直接压制法和预制孔置入法，这两种方法都具有生产工艺简单，生产成本低，生产效率高的优点，能够实现工业化的大批量生产。

附图说明

图1为本发明实施例1的泡沫铝点阵结构复合材料的结构示意图；

图2为本发明实施例2的泡沫铝点阵结构复合材料的结构示意图；

图3为本发明实施例3的泡沫铝点阵结构复合材料的结构示意图；

图4为本发明实施例6的复合板材的结构示意图。

附图标记说明：

1-泡沫铝基板；2-实心球；3-胶料；4-面板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

本实施例公开一种泡沫铝点阵结构复合材料，如图1所示，包括泡沫铝基板1，泡沫铝基板1的尺寸为2m×1m×0.04m，泡沫铝基板1内嵌设有一层实心球2，该实心球2为球体半径为4mm的钢球，球与球之间的间距为7mm，使得实心球2在泡沫铝基板1中形成均匀排布的单层点阵结构。

上述泡沫铝点阵结构复合材料采用直接压制法制得，包括以下步骤：

①、选择尺寸为2m×1m×0.04m的泡沫铝基板1，球体半径为4mm的钢球；

②、对钢球单层排布，球与球之间的间距为7mm；

③、将泡沫铝基板1置于压制机的工作台面上，再将钢球铺设于泡沫铝基板1的一侧板面上，启动压制机将钢球以层为单位直接压入泡沫铝基板1中，直至钢球完全嵌入于泡沫铝基板1中，此时钢球的球面与泡沫铝基板1的板面相切；

④、钢球压入泡沫铝基板1后，钢球沉入泡沫铝基板1板面形成的凹坑部位采用胶料3填充平整，即得泡沫铝点阵结构复合材料。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，如图2所示，本实施例的泡沫铝基板1的尺寸为3m×3m×0.06m，泡沫铝基板1内嵌设有两层实心球2，两层实心球2分别位于在泡沫铝基板1的相对两侧，一层实心球2为球体半径为3mm的Al₂O₃陶瓷球，另一层实心球2为球体半径为4mm的Al₂O₃陶瓷球，3mm陶瓷球之间的间距为4mm，4mm陶瓷球之间的间距为8mm，使得实心球2在泡沫铝基板1中形成均匀排布的双层点阵结构。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，如图3所示，本实施例的泡沫铝基板1的尺寸为0.5m×0.3m×0.02m，实心球2为球体半径为1.5mm的铝合金球，球与球之间的间距为1mm，使得实心球2在泡沫铝基板1中形成均匀排布的单层点阵结构，且铝合金球的球面低于泡沫铝基板1的板面。

实施例4

与实施例1的不同之处在于，本实施例的泡沫铝基板1的尺寸为8m×2m×0.1m，泡沫铝基板1内嵌设有两层实心球2，两层实心球2分别位于在泡沫铝基板1的相对两侧，两层实心球2均为球体半径为10mm的铝合金球，球与球之间的间距为40mm，使得实心球2在泡沫铝基板1中形成均匀排布的双层点阵结构。

实施例5

与实施例1的不同之处在于，本实施例的泡沫铝点阵结构复合材料采用预制孔置入法制得，包括以下步骤：

①、选择尺寸为2m×1m×0.04m的泡沫铝基板1，球体半径为4mm的钢球；

②、使用钻孔机在步骤①中的泡沫铝基板1的一侧板面上加工一层预制孔，且预制孔的孔径为8mm，孔深为8mm，孔与孔之间的间距为7mm；

③、对钢球的表面以及泡沫铝基板1上设有预制孔的板一侧板面进行胶水涂覆处理；

④、对钢球单层排布，球与球之间的间距为7mm；

⑤、将泡沫铝基板1置于压制机的工作台面上，再将钢球铺设于泡沫铝基板1涂覆有胶水的一侧板面上，且每个钢球与预制孔一一对应，启动压制机将钢球以层为单位直接压入预制孔中，至钢球完全嵌入于泡沫铝基板1中，此时钢球的球面与泡沫铝基板1的板面相切；

⑥、钢球压入泡沫铝基板1后，钢球沉入泡沫铝基板1板面形成的凹坑部位采用胶料3填充平整，即得泡沫铝点阵结构复合材料。

实施例6

本实施例公开一种复合板材，如图4所示，包括实施例3制得的泡沫铝点阵结构复合材料，该泡沫铝点阵结构复合材料包括泡沫铝基板1，泡沫铝基板内嵌设有一层实心球2，泡沫铝基板相对两侧均设有一层面板4。其中的面板4为铝合金板，通过胶膜与泡沫铝基板1复合为一体。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，包括泡沫铝基板(1)，所述泡沫铝基板(1)内嵌设有至少一层均匀排布的实心球(2)，所述实心球(2)的形状为球形或椭球形，且所述实心球(2)完全嵌入于所述泡沫铝基板(1)中。

2.根据权利要求1所述的泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，所述泡沫铝基板(1)内嵌设有一层或两层所述实心球(2)。

3.根据权利要求1所述的泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，所述实心球(2)的球体半径为1.5mm-10mm。

4.根据权利要求1所述的泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，椭球形的所述实心球(2)的长半径与短半径的比值小于等于1.25。

5.根据权利要求1所述的泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，每层中相邻所述实心球(2)之间的间距为0mm-40mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，所述实心球(2)的材料为金属或陶瓷。

7.根据权利要求1-5任一项所述的泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，所述泡沫铝基板(1)为通孔泡沫铝或闭孔泡沫铝。

8.一种泡沫铝点阵结构复合材料的制备方法，用于制备如权利要求1-7任一项所述的泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，采用直接压制法，包括以下步骤：

将实心球(2)均匀排布为至少一层，将所述实心球(2)以层为单位压入泡沫铝基板(1)中，至所述实心球(2)完全嵌入于所述泡沫铝基板(1)中，即得泡沫铝点阵结构复合材料。

9.一种泡沫铝点阵结构复合材料的制备方法，用于制备如权利要求1-7任一项所述的泡沫铝点阵结构复合材料，其特征在于，采用预制孔置入法，包括以下步骤：

在泡沫铝基板(1)的板面上加工至少一层均匀排布的预制孔，将实心球(2)放置在所述预制孔中，至所述实心球(2)完全嵌入于所述泡沫铝基板(1)中，即得泡沫铝点阵结构复合材料。

10.一种复合板材，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的泡沫铝点阵结构复合材料，所述泡沫铝点阵结构复合材料包括泡沫铝基板(1)，所述泡沫铝基板(1)内嵌设有至少一层均匀排布的实心球(2)，所述泡沫铝基板(1)一侧或两侧设有面板(4)。

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