CN113895109A - 一种高强隔热金属点阵夹芯壳体及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强隔热金属点阵夹芯壳体及制备方法，属于金属材料结构设计及加工技术领域。该金属点阵夹芯壳体包括：用于提高金属点阵夹芯壳体的强度和抗冲击能力，并承受大部分挤压和冲击能量的金属外壁板；由垂直于所述金属外壁板且相互并列排布的单层金属体心立方点阵单胞组成、点阵单胞杆的半径沿纵向传热方向逐渐减小且纵向等效传热系数小于等于0.1W/(m·℃)的金属点阵层；用于支撑所述金属点阵层的金属内壁板。采用金属3D打印技术对金属点阵夹芯壳体进行一体化打印成形。本发明的金属点阵夹芯壳体及制备方法具有制备工序简单、生产成本低、适用性广、隔热效果好且兼顾强度等优点。

Description

一种高强隔热金属点阵夹芯壳体及制备方法
技术领域
本发明属于金属材料结构设计及加工技术领域，具体涉及一种高强隔热金属点阵夹芯壳体及制备方法。
技术背景
金属点阵夹芯壳体是由金属内外壁板和中间的由点阵单胞周期性排列形成的金属点阵层组成的一种金属壳体。金属点阵夹芯壳体的材质通常为铝合金、钛合金和钢等，具有轻质、比强度高和抗冲击等特点，在航空航天、交通运输和工程机械等的舱体、保护体、数据记录仪、压力容器和燃油箱等中具有广泛用途。
为了降低金属点阵夹芯壳体的重量，现有金属点阵夹芯壳体的金属内外壁板通常较薄，导致其金属点阵层承受的力较大。为了提高金属点阵层的结构强度，防止金属点阵层在受力时被破坏，金属点阵层的致密度通常超过30％。这就使得虽然金属点阵层的纵向热传导面积比实体金属材料更小，但是其纵向等效传热系数通常高于1W/(m·℃)，且缺乏促进热量横向散失的有效方法，导致金属点阵夹芯壳体的隔热能力较为有限。另外，随着金属点阵夹芯壳体使用环境的日益苛刻，对其强度和隔热能力等均提出了更高的要求。为了满足金属点阵夹芯壳体的发展需求，目前已采用的措施主要有以下两种：
(1)对金属点阵层的点阵单胞结构和排列方式进行设计，优化金属点阵层的应力分布，提高金属点阵层的比强度。这种方法可以在一定程度上提高金属点阵夹芯壳体的强度，但却无法兼顾提升金属点阵夹芯壳体的隔热能力。
(2)根据金属点阵层中的受力和热传导特点，将金属点阵层材料设计为由高热导率高强度金属向低热导率低强度陶瓷等梯度过渡的形式。这种方法在一定程度上兼顾了金属点阵夹芯壳体的强度和隔热能力，但梯度材料点阵层的制备工序复杂且生产成本较高。
另外，现有金属点阵夹芯壳体通常是采用铸造整体成形，或先采用轧制等成形金属内外壁板，然后采用冲压、折叠或切割等成形金属点阵，再通过扩散连接、焊接、铆接或胶接的方式将金属内外壁板与金属点阵相连接。这些制备方式同样存在制备工序复杂、生产成本高、适用性差以及壳体的性能难以满足使用要求等问题。
因此，开发制备工序简单、生产成本低、适用性广、隔热效果好且兼顾强度的金属点阵夹芯壳体及制备方法，具有十分重要的意义。
发明内容
针对传统金属点阵夹芯壳体存在的制备工序复杂、生产成本高、适用性差、隔热效果差且无法兼顾强度等不足，本发明的目的是提供一种高强隔热金属点阵夹芯壳体及制备方法。该金属点阵夹芯壳体通过在纵向传热方向采用单层点阵单胞结构的方式，并通过使点阵单胞杆的半径沿纵向传热方向逐渐减小，使金属点阵层的纵向等效传热系数与相同厚度的实体结构相比降低至0.1W/(m·℃)以下，而点阵单胞杆半径较大侧的横向等效传热系数却无明显降低，在减少金属点阵层纵向传热的同时增加横向散热，增加金属点阵夹芯壳体的隔热能力；通过增加金属外壁板的厚度，在提高金属点阵夹芯壳体强度和抗冲击性的同时，保护金属点阵层，从而解决传统金属点阵夹芯壳体隔热效果差且无法兼顾强度等问题；采用金属3D打印技术对所设计的金属点阵夹芯壳体进行一体化成形，解决传统金属点阵夹芯壳体制备过程中存在的工序复杂、生产成本高、适用性差以及壳体的性能难以满足使用要求等问题。
根据本发明的第一方面，提供一种高强隔热金属点阵夹芯壳体，所述高强隔热金属点阵夹芯壳体包括金属外壁板、金属点阵层和金属内壁板。所述金属外壁板的厚度为3～10mm，用于提高所述高强隔热金属点阵夹芯壳体的强度和抗冲击能力，并承受大部分挤压和冲击能量；所述金属点阵层的厚度为5～50mm，其内部由垂直于所述金属外壁板且相互并列排布的金属体心立方点阵单胞组成，所述点阵单胞的边长l与所述金属点阵层的厚度相同，所述点阵单胞杆的半径沿纵向传热方向逐渐减小，所述点阵单胞杆与所述金属外壁板相连端的半径r1为0.5～2.5mm，所述点阵单胞杆与所述金属内壁板相连端的半径r2为0.1～0.5mm，且所述点阵单胞的边长l，所述点阵单胞杆的半径r1和r2，以及金属材料的传热系数k满足
Figure BDA0003282410400000021
从而使所述金属点阵层的纵向等效传热系数小于等于0.1W/(m·℃)，在减少所述金属点阵层纵向传热的同时增加横向散热，用于使所述金属点阵层具备轻质、高强和吸能效果的同时，具备优异的隔热性能；所述金属内壁板的厚度为0.5～1mm，用于支撑所述金属点阵层。
进一步的，所述高强隔热金属点阵夹芯壳体能够承受700～2000MPa的挤压应力，能够承受5000～20000g加速度的冲击。
进一步的，所述点阵单胞在垂直于传热方向上具有加强杆连接点阵单胞节点，在进一步增加横向散热的同时，避免所述点阵单胞节点处产生应力集中而破坏。
进一步的，所述点阵单胞杆的半径沿纵向传热方向不变，且所述点阵单胞的边长l，所述点阵单胞杆的半径r，以及金属材料的传热系数k满足
Figure BDA0003282410400000031
Figure BDA0003282410400000032
进一步的，所述点阵单胞为体心四方结构，其三个边长a、b、c，所述点阵单胞杆的半径r1和r2，以及所述金属材料的传热系数k满足关系
Figure BDA0003282410400000033
进一步的，所述点阵单胞的结构为四面体型、多面体型、kagome型或金刚石型中的至少一种。
进一步的，所述金属点阵夹芯壳体的材质为铝合金、钛合金、高温合金或钢中的至少一种。
根据本发明的第二方面，提供一种高强隔热金属点阵夹芯壳体的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：构建所述金属点阵夹芯壳体的三维模型；
步骤2：利用分层切片软件对所述三维模型按照20～200μm的层厚进行切片处理；
步骤3：利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径；
步骤4：以金属粉末、金属线材或金属块体为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径，依次进行所述填充和所述轮廓的单层打印成形，所述单层打印成形的扫描间距为50～500μm、扫描速度为10～1000mm/s；
步骤5：重复上述步骤4，直到成形得到所述金属点阵夹芯壳体。
进一步的，所述3D打印系统为基于激光束的3D打印系统、基于电子束的3D打印系统、基于离子束的3D打印系统或基于液流快冷的3D打印系统中的至少一种。
进一步的，对所述高强隔热金属点阵夹芯壳体的所述金属外壁板进行强化热处理，对所述高强隔热金属点阵夹芯壳体的所述金属点阵层进行韧化处理。
根据本发明的第三方面，提供一种高强隔热金属点阵夹芯壳体的3D打印系统，所述系统包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行如上任一方面所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体的制备方法。
根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一方面所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体的制备方法。
本发明的有益效果：
(1)本发明的高强隔热金属点阵夹芯壳体通过在纵向传热方向只构建一层完整的金属体心立方点阵单胞，并通过逐渐减小点阵单胞杆沿纵向传热方向的半径，使金属点阵层在热传导方向的等效传热系数小于0.1W/(m·℃)，在减少金属点阵层纵向传热的同时增加横向散热，使金属点阵夹芯壳体具有极好的隔热性能。
(2)本发明的高强隔热金属点阵夹芯壳体充分利用金属外壁板的整体支撑和强韧化作用，通过增加金属外壁板的厚度，提高金属点阵夹芯壳体的强度和抗冲击能力；并通过使金属体心立方点阵单胞垂直于金属外壁板且相互并列排布，使金属点阵夹芯壳体具有吸能和缓冲变形等优点。
(3)本发明的高强隔热金属点阵夹芯壳体通过减小金属内壁板的厚度，并通过增加金属点阵层的点阵单胞尺寸，减小点阵单胞杆纵向传热方向的半径，使金属点阵夹芯壳体在具备高强和隔热性能的基础上，具有轻质的优点。
(4)本发明的高强隔热金属点阵夹芯壳体制备方法采用金属3D打印技术对高强隔热金属点阵夹芯壳体进行一体化打印成形，具有生产周期短、生产工序简单、生产成本低以及壳体综合性能优异等特点。
附图说明
图1为本发明的高强隔热金属点阵夹芯壳体的示意图。
图2为本发明的高强隔热金属点阵夹芯壳体的截面和局部放大示意图。其中，1为金属外壁板，2为金属点阵层，3为金属内壁板。
图3为本发明的金属体心立方点阵单胞示意图。其中，4为点阵单胞，5为点阵单胞杆，6为点阵单胞节点。
图4为本发明实施例3中采用金属3D打印技术制备的部分金属点阵夹芯壳体。
图5为本发明实施例3中对TB6钛合金点阵夹芯壳体外壁板采用1200℃火焰燃烧30min后的部分TB6钛合金点阵夹芯壳体的温度分布图。
图6为本发明对比例1中对TB6钛合金实体壳体外壁采用1200℃火焰燃烧2min后的部分TB6钛合金实体壳体的温度分布图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
结合附图1、附图2和附图3对本发明的高强隔热金属点阵夹芯壳体具体说明如下：
高强隔热金属点阵夹芯壳体包括金属外壁板1、金属点阵层2和金属内壁板3。金属外壁板1的厚度为3～10mm，用于提高高强隔热金属点阵夹芯壳体的强度和抗冲击能力，并承受大部分挤压和冲击能量；金属点阵层2的厚度为5～50mm，其内部由垂直于金属外壁板1且相互并列排布的金属体心立方点阵单胞4组成，点阵单胞4的边长l与金属点阵层2的厚度相同，点阵单胞杆5的半径沿纵向传热方向逐渐减小，点阵单胞杆5与金属外壁板1相连端的半径r1为0.5～2.5mm，点阵单胞杆5与金属内壁板3相连端的半径r2为0.1～0.5mm，且点阵单胞4的边长l，点阵单胞杆5的半径r1和r2，以及金属材料的传热系数k满足
Figure BDA0003282410400000051
从而使金属点阵层2的纵向等效传热系数小于等于0.1W/(m·℃)，在减少金属点阵层2纵向传热的同时增加横向散热，用于使金属点阵层2具备轻质、高强和吸能效果的同时，具备优异的隔热性能；金属内壁板3的厚度为0.5～1mm，用于支撑金属点阵层2。
进一步的，高强隔热金属点阵夹芯壳体能够承受700～2000MPa的挤压应力，能够承受5000～20000g加速度的冲击。
进一步的，点阵单胞4在垂直于传热方向上具有加强杆连接点阵单胞节点6，在进一步增加横向散热的同时，避免点阵单胞节点6处产生应力集中而破坏。
进一步的，点阵单胞杆5的半径沿纵向传热方向不变，且点阵单胞4的边长l，点阵单胞杆5的半径r，以及金属材料的传热系数k满足
Figure BDA0003282410400000061
Figure BDA0003282410400000062
进一步的，点阵单胞4为体心四方结构，其三个边长a、b、c，点阵单胞杆5的半径r1和r2，以及金属材料的传热系数k满足关系
Figure BDA0003282410400000063
进一步的，点阵单胞4的结构为四面体型、多面体型、kagome型或金刚石型中的至少一种。
进一步的，金属点阵夹芯壳体的材质为铝合金、钛合金、高温合金或钢中的至少一种。
实施例1：
316L不锈钢点阵夹芯壳体的316L不锈钢外壁板1的厚度为3mm；316L不锈钢点阵层2的厚度为20mm，316L不锈钢体心立方点阵单胞4的边长为20mm，点阵单胞杆5与316L不锈钢外壁板1相连端的半径r1为1mm，点阵单胞杆5与316L不锈钢内壁板3相连端的半径r2为0.3mm，316L不锈钢点阵层2的纵向等效传热系数为0.09W/(m·℃)；316L不锈钢内壁板3的厚度为0.5mm。构建316L不锈钢点阵夹芯壳体的三维模型；利用分层切片软件对三维模型按照30μm的层厚进行切片处理；利用路径规划软件将切片处理后的三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径；以半径为20～50μm的316L不锈钢粉末为原料，利用金属3D打印设备的激光3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次进行填充和轮廓的单层打印成形，单层打印成形的扫描间距为120μm、扫描功率为500W、扫描速度为800mm/s；重复上述步骤，直到成形得到316L不锈钢点阵夹芯壳体。对316L不锈钢点阵夹芯壳体的316L不锈钢外壁板1进行800℃燃烧模拟测试，燃烧30min后316L不锈钢点阵夹芯壳体的316L不锈钢内壁板3的温度为310℃。
实施例2：
7075铝合金点阵夹芯壳体的7075铝合金外壁板1的厚度为5mm；7075铝合金点阵层2的厚度为50mm，7075铝合金体心立方点阵单胞4的边长为50mm，点阵单胞杆5与7075铝合金外壁板1相连端的半径r1为0.8mm，点阵单胞杆5与7075铝合金内壁板3相连端的半径r2为0.1mm，7075铝合金点阵层2的等效传热系数为0.07W/(m·℃)；7075铝合金内壁板3的厚度为1mm。构建7075铝合金点阵夹芯壳体的三维模型；利用分层切片软件对三维模型按照20μm的层厚进行切片处理；利用路径规划软件将切片处理后的三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径；以半径为10～40μm的7075铝合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的激光3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次进行填充和轮廓的单层打印成形，单层打印成形的扫描间距为60μm、扫描功率为200W、扫描速度为500mm/s；重复上述步骤，直到成形得到7075铝合金点阵夹芯壳体。对7075铝合金点阵夹芯壳体的7075铝合金外壁板1进行400℃燃烧模拟测试，燃烧30min后7075铝合金点阵夹芯壳体的7075铝合金内壁板3的温度为90℃。
实施例3：
TB6钛合金点阵夹芯壳体的TB6钛合金外壁板1的厚度为7mm；TB6钛合金点阵层2的厚度为10mm，TB6钛合金体心立方点阵单胞4的边长为10mm，点阵单胞杆5的半径r为0.2mm，TB6钛合金点阵层2的等效传热系数为0.05W/(m·℃)；TB6钛合金内壁板3的厚度为1mm。构建TB6钛合金点阵夹芯壳体的三维模型；利用分层切片软件对三维模型按照30μm的层厚进行切片处理；利用路径规划软件将切片处理后的三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径；以半径为20～53μm的TB6钛合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的激光3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次进行填充和轮廓的单层打印成形，单层打印成形的扫描间距为70μm，扫描功率为100W，扫描速度为400mm/s；重复上述步骤，直到成形得到TB6钛合金点阵夹芯壳体，其中部分TB6钛合金点阵夹芯壳体如图4所示。对TB6钛合金点阵夹芯壳体的TB6钛合金外壁板1进行1200℃燃烧模拟测试，燃烧30min后TB6钛合金点阵夹芯壳体的TB6钛合金内壁板3的温度为500℃，部分TB6钛合金点阵夹芯壳体的温度分布如图5所示。
对比例1：
TB6钛合金实体壳体的厚度为18mm，其传热系数为16W/(m·℃)。构建TB6钛合金实体壳体的三维模型；利用分层切片软件对三维模型按照30μm的层厚进行切片处理；利用路径规划软件将切片处理后的三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径；以半径为20～53μm的TB6钛合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的激光3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次进行填充和轮廓的单层打印成形，单层打印成形的扫描间距为70μm、扫描功率为100W、扫描速度为400mm/s；重复上述步骤，直到成形得到TB6钛合金实体壳体。对TB6钛合金实体壳体的外壁进行1200℃燃烧模拟测试，燃烧2min后TB6钛合金实体壳体的内壁的温度为1200℃，部分TB6钛合金实体壳体温度分布如图6所示。。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以仅通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机、计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种高强隔热金属点阵夹芯壳体，其特征在于，包括：
金属外壁板，所述金属外壁板用于提高所述高强隔热金属点阵夹芯壳体的强度和抗冲击能力，并承受大部分挤压和冲击能量；
金属点阵层，所述金属点阵层的内部由垂直于所述金属外壁板且相互并列排布的金属体心立方点阵单胞组成，点阵单胞杆的半径沿纵向传热方向逐渐减小，且所述金属点阵层的纵向等效传热系数小于等于0.1W/(m·℃)，在减少所述金属点阵层纵向传热的同时增加横向散热，用于使所述金属点阵层具备轻质、高强和吸能效果的同时，具备优异的隔热性能；
金属内壁板，所述金属内壁板用于支撑所述金属点阵层。
2.根据权利要求1所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体，其特征在于，所述金属外壁板的厚度为3～10mm，所述金属点阵层的厚度为5～50mm，所述点阵单胞杆与所述金属外壁板相连端的半径r1为0.5～2.5mm，所述点阵单胞杆与所述金属内壁板相连端的半径r2为0.1～0.5mm，所述金属内壁板的厚度为0.5～1mm。
3.根据权利要求1所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体，其特征在于，所述高强隔热金属点阵夹芯壳体的材质为铝合金、钛合金、高温合金或钢中的至少一种；所述高强隔热金属点阵夹芯壳体能够承受700～2000MPa的挤压应力，能够承受5000～20000g加速度的冲击。
4.根据权利要求1所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体，其特征在于，所述点阵单胞在垂直于传热方向上具有加强杆连接所述点阵单胞的节点，在进一步增加横向散热的同时，避免所述点阵单胞节点处产生应力集中而破坏；所述点阵单胞的结构为四面体型、多面体型、kagome型或金刚石型中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体，其特征在于，所述点阵单胞杆的半径沿纵向传热方向不变，且所述点阵单胞的边长l，所述点阵单胞杆的半径r，以及金属材料的传热系数k满足
Figure FDA0003282410390000011
所述点阵单胞为体心四方结构，其三个边长a、b、c，所述点阵单胞杆的半径r1和r2，以及所述金属材料的传热系数k满足关系
Figure FDA0003282410390000012
Figure FDA0003282410390000013
6.一种高强隔热金属点阵夹芯壳体的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备根据权利要求1至5中任一项所述的金属点阵夹芯壳体，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：构建所述金属点阵夹芯壳体的三维模型；
步骤2：利用分层切片软件对所述三维模型进行切片处理；
步骤3：利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径；
步骤4：以金属粉末、金属线材或金属块体为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径，依次进行所述填充和所述轮廓的单层打印成形；
步骤5：重复上述步骤4，直到成形得到所述金属点阵夹芯壳体。
7.根据权利要求6所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体的制备方法，其特征在于，所述3D打印系统为基于激光束的3D打印系统、基于电子束的3D打印系统、基于离子束的3D打印系统或基于液流快冷的3D打印系统中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体的制备方法，其特征在于，对所述高强隔热金属点阵夹芯壳体的所述金属外壁板进行强化热处理，对所述高强隔热金属点阵夹芯壳体的所述金属点阵层进行韧化处理。
9.一种高强隔热金属点阵夹芯壳体的3D打印系统，其特征在于，所述系统包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行根据权利要求6至8中任一项所述的高强隔热金属点阵夹芯壳体的制备方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求6至8中的高强隔热金属点阵夹芯壳体的制备方法。
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