CN114131020B - 一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置及方法，包括目标型腔壳体和目标形状泡沫铝板，目标形状泡沫铝板设置在目标型腔壳体内部，目标形状泡沫铝板和目标型腔壳体之间具有间隙，目标型腔壳体和目标形状泡沫铝板设置在温控室内。本发明通过二步发泡法来制得形状复杂的泡沫铝发泡体或者通过切割形状规则的初始泡沫铝发泡体来制得形状复杂的泡沫铝发泡体，采用碳纤维增强的环氧树脂+铝粉+铁粉+磁流变液组成的复合材料。通过应变片感知+温度+压力+磁场+核磁共振成像相结合的复合控制填充方法，使得复合材料能够在间隙内能够均匀分布，从而保障了泡沫铝和面板之间具有较高的且均匀的界面强度。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体为一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置及方法。
背景技术
泡沫铝作为一种新型的多功能泡沫材料，因在能量吸收、隔热、降噪、缓冲减震等方面具有显著的优势，在汽车工业、航天工程等领域具有极大的应用潜力。作为结构材料，单独的泡沫铝发泡体强度难以满足工程上的需要，它必须与钢板或铝板进行复合来制成泡沫铝夹芯板以提高其强度。
当前应用最为广泛的熔体直接发泡法，通过先制备泡沫铝发泡体，然后再经黏结或者焊接来与钢板或铝板复合。然而这种方法始终存在着泡沫铝芯板和面板之间的界面强度问题。
粉末冶金法可以直接制备发泡时所用的夹芯预制坯，随后再在模具中经发泡工艺以获得泡沫铝夹芯板，并实现较高强度的芯板和面板之间的冶金结合。然而，这种方法的工艺过程比较复杂，制作成本较高，难以工程化应用。
为了进一步拓展泡沫铝结构的应用广度与深度，研制泡沫铝填充复杂曲面结构已势在必行。从泡沫铝与钢板或铝板等面板进行复合的方式，当前主要有两种制备方式：1）先成形后发泡，如粉末冶金等；2）先发泡后成形，如熔体直接发泡法等。先发泡后成形的复合连接方式因成本低和工艺过程简单，可以通过更换模具来得到形状比较复杂的三维泡沫铝发泡体，然后直接使用，无需加工，非常适合用来填充复杂的曲面结构。但复杂曲面结构具有倒角、局部形状不规则等特征，上述三维泡沫铝发泡体与面板结合时会存在一定的间隙，使用胶粘连接法成本过高，密闭空间内的难以进行有效焊接，且还需考虑泡沫铝发泡体和面板之间的界面强度问题。
基于此，本发明提供一种成本低且具备高界面强度的复杂型腔高界面强度泡沫铝填充装置及方法。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置及方法，结构简单，成本低，可移植性强，能够用于对各类复杂型腔的泡沫铝进行填充。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置，包括目标型腔壳体和目标形状泡沫铝板，所述目标形状泡沫铝板设置在所述目标型腔壳体内部，且所述目标形状泡沫铝板和所述目标型腔壳体之间具有间隙，所述目标型腔壳体和所述目标形状泡沫铝板设置在温控室内；
所述目标型腔壳体内表面与所述目标形状泡沫铝板之间设有若干压力传感器，所述压力传感器与均匀控制单元连接；
所述目标型腔壳体和所述目标形状泡沫铝板之间设有若干喷嘴，所述喷嘴分别连接有喷嘴压力控制器；
所述目标型腔壳体和所述目标形状泡沫铝板之间还设有若干灵敏应变片，所述灵敏应变片与应变仪连接。
进一步地，所述压力传感器包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述第四压力传感器设置在所述目标型腔内表面，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述第四压力传感器通过数据总线与所述均匀控制单元连接；所述喷嘴包括第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴和第四喷嘴，所述第一喷嘴、所述第二喷嘴、所述第三喷嘴和所述第四喷嘴分别连接有第一喷嘴压力控制器、第二喷嘴压力控制器、第三喷嘴压力控制器和第四喷嘴压力控制器。
进一步地，还包括若干磁场发生器，所述磁场发生器设置在靠近所述灵敏应变片的位置。
根据本发明的另一个目的，本发明提供一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤1，将泡沫铝板置于目标型腔中，泡沫铝板的外轮廓与目标型腔的内轮廓之间具有间隙，目标型腔置于温控室内，控温室将温度控制在复合材料的注射温度；
步骤2，均匀控制单元实时从数据总线中提取压力传感器所检测到的压力大小；
步骤3，多个喷嘴同时以最快速度将复合材料注射到置有所述泡沫铝板的所述目标型腔中；
步骤4，所述喷嘴注射结束后，所述均匀控制单元提取多个灵敏应变片的应变值，计算最大应变值和最小应变值之差，若在合理范围之内，进入步骤8，否则，进入步骤5；
步骤5，所述均匀控制单元根据每个所述喷嘴末时刻的压力值，计算喷嘴注射过程中的平均压力变化率；
步骤6，对压力值最大值的喷嘴设置恒压max，降低其他喷嘴的目标压力值，其压力降低幅度△P按照平均压力变化率的大小进行调整，将上述指令分别发送至压力传感器，控制所述喷嘴往空腔内注射复合材料；
其中，平均压力变化率越大，各喷嘴在现有压力值的基础上，其压力降低幅度△P越大；
步骤7，根据多个所述灵敏应变片的应变值，进行大小排序，应变值越大的应变片所对应的磁场发射器施加的磁场强度也越大，随后进入步骤4；
步骤8，各所述喷嘴保压，所述控温室进行冷却至常温。
进一步地，在步骤3和步骤4之间加入核磁共振成像器检测，若间隙均匀，直接进入最后一步步骤8，否则，进入步骤4。
进一步地，所述压力传感器包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述第四压力传感器设置在所述目标型腔内表面，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述第四压力传感器通过数据总线与所述均匀控制单元连接；所述喷嘴包括第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴和第四喷嘴，所述第一喷嘴、所述第二喷嘴、所述第三喷嘴和所述第四喷嘴的注射量为注射总量的四分之一；所述灵敏应变片的数量为十二个，所述灵敏应变片均布与所述目标型腔的内部。
进一步地，所述均匀控制单元分别根据四个所述喷嘴末时刻的压力值P1、P2、P3、P4，计算所述喷嘴注射过程中的平均压力变化率dP1、dP2、dP3、dP4；其中，
dP1=P1/t1，t1为第一喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP2=P2/t2，t2为第二喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP3=P3/t3，t3为第三喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP4 =P4/t4，t4为第四喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间。
进一步地，步骤6中，对压力值最大值的所述喷嘴设置恒压为P1，P2，P3或P4中的最大值。
进一步地，步骤8中，加入围绕间隙一周的低频、高场强的窄脉冲磁场，使得在磁场控制后的复合材料各成分在间隙内均匀分布。
进一步地，所述复合材料包括：5%碳纤维、熔融状态的环氧树脂、1%铝粉、2%铁粉和高黏度磁流变液；
所述复合材料的制备方法是：将5%碳纤维+熔融状态的环氧树脂+1%铝粉+2%铁粉+高黏度磁流变液组成的复合材料，搅拌均匀；所述复合材料的注射温度为200℃。
本发明的有益效果是：
本发明通过二步发泡法来制得形状复杂的泡沫铝发泡体或者通过切割形状规则的初始泡沫铝发泡体来制得形状复杂的泡沫铝发泡体，为与面板进行复合，采用碳纤维增强的环氧树脂+铝粉+铁粉+磁流变液组成的复合材料，并设计了一种泡沫铝填充装置，并通过应变片感知+温度+压力+磁场+核磁共振成像相结合的复合控制填充方法，使得复合材料能够在间隙内能够均匀分布，从而保障了泡沫铝和面板之间具有较高的且均匀的界面强度。本发明结构简单，成本低，可移植性强，能够用于对各类复杂型腔的泡沫铝进行填充。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的另一结构示意图；
图3是本发明压力传感器与均匀控制单元的连接关系示意图；
附图标记：图中，1-目标型腔壳体、2-目标形状泡沫铝板、3-温控室、4-第一压力传感器、5-第二压力传感器、6-第三压力传感器、7-第四压力传感器、8-均匀控制单元、9-第一喷嘴、10-第二喷嘴、11-第三喷嘴、12-第四喷嘴、13-第一喷嘴压力控制器、14-第二喷嘴压力控制器、15-第三喷嘴压力控制器、16-第四喷嘴压力控制器、17-灵敏应变片、18-应变仪、19-核磁共振成像器、20-磁场发生器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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
如图1、图2和图3所示，一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置，包括目标型腔壳体1和目标形状泡沫铝板2，目标形状泡沫铝板2设置在目标型腔壳体1内部，且目标形状泡沫铝板2和目标型腔壳体1之间具有间隙，目标型腔壳体1和目标形状泡沫铝板2设置在温控室3内；
目标型腔壳体1内表面与目标形状泡沫铝板2之间设有第一压力传感器4、第二压力传感器5、第三压力传感器6和第四压力传感器7，第一压力传感器4、第二压力传感器5、第三压力传感器6和第四压力传感器7设置在目标型腔内表面，第一压力传感器4、第二压力传感器5、第三压力传感器6和第四压力传感器7通过数据总线与均匀控制单元8连接；
目标型腔壳体1和目标形状泡沫铝板2之间设有第一喷嘴9、第二喷嘴10、第三喷嘴11和第四喷嘴12，第一喷嘴9、第二喷嘴10、第三喷嘴11和第四喷嘴12分别连接有第一喷嘴压力控制器13、第二喷嘴压力控制器14、第三喷嘴压力控制器15和第四喷嘴压力控制器16。
目标型腔壳体1和目标形状泡沫铝板2之间还设有十二个灵敏应变片17，灵敏应变片17与应变仪18连接。灵敏应变片17贴在目标型腔外壳1的上表面上，位置位于目标形状泡沫铝板2的内部，距离目标形状泡沫铝的外边有一定的间隙。十二个磁场发生器20设置在靠近灵敏应变片17的位置，加入围绕间隙一周的低频、高场强的窄脉冲磁场，使得在磁场控制后的复合材料各成分在间隙内均匀分布。
上述一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤1，将泡沫铝板置于目标型腔中，泡沫铝板的外形尺寸与目标型腔外壳尺寸间有一定的间隙x，形成的间隙体积为V，控温室将温度控制在复合材料的注射温度；
步骤2，均匀控制单元实时从数据总线中提取第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器所检测到的压力大小；
步骤3，第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴、第四喷嘴同时以最快速度将复合材料注射到置有泡沫铝的目标型腔中，每个喷嘴的注射量为1/4V；
步骤4，四个喷嘴注射结束后，均匀控制单元提取12个灵敏应变片的应变值，计算最大应变值和最小应变值之差，若在合理范围之内，进入步骤8），否则，进入步骤5；
步骤5，均匀控制单元根据每个喷嘴末时刻的压力值P1、P2、P3、P4，计算喷嘴注射过程中的平均压力变化率dP1、dP2、dP3、dP4；其中，
dP1=P1/t1，t1为第一喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP2=P2/t2，t2为第二喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP3=P3/t3，t3为第三喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP4 =P4/t4，t4为第四喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间。
步骤6，对压力值最大值的喷嘴设置恒压max（P1，P2，P3，P4），降低其他三个喷嘴的目标压力值，其压力降低幅度△P按照平均压力变化率的大小进行调整，将上述指令分别发送至第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器，控制第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴、第四喷嘴往空腔内注射复合材料；
其中，平均压力变化率越大，各喷嘴在现有压力值的基础上，其压力降低幅度△P越大；
步骤7，根据十二个灵敏应变片的应变值，进行大小排序，应变值越大的应变片所对应的磁场发射器施加的磁场强度也越大，随后进入步骤4；
步骤5-步骤7可以使复合材料能够在间隙内能够均匀分布，从而使得泡沫铝和面板之间具有较高的且均匀的界面强度；
步骤8，各喷嘴保压，控温室进行冷却至常温。
在步骤8中，加入围绕间隙一周的低频、高场强的窄脉冲磁场，可以使得在磁场控制后的复合材料各成分在间隙内更加均匀分布。
上述实施例中，在步骤3和步骤4之间还可以加入核磁共振成像器19检测，若间隙基本均匀，直接进入最后一步步骤8，否则，进入步骤4。
本发明通过二步发泡法来制得形状复杂的泡沫铝发泡体，为与面板进行复合，采用碳纤维增强的环氧树脂+铝粉+铁粉+磁流变液组成的复合材料，并设计了一种泡沫铝填充装置，并通过应变片感知+温度+压力+磁场相结合的复合控制填充方法，使得复合材料能够在间隙内能够均匀分布，从而保障了泡沫铝和面板之间具有较高的且均匀的界面强度。本发明结构简单，成本低，可移植性强，能够用于对各类复杂型腔的泡沫铝进行填充。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置，其特征在于，包括目标型腔壳体，所述目标型腔壳体内部具有用于设置目标形状泡沫铝板的空腔，且所述目标形状泡沫铝板和所述目标型腔壳体之间具有用于填充复合材料的间隙，所述目标型腔壳体和所述目标形状泡沫铝板设置在温控室内；
所述目标型腔壳体内表面与所述目标形状泡沫铝板之间设有若干压力传感器，所述压力传感器与均匀控制单元连接；
所述目标型腔壳体和所述目标形状泡沫铝板之间设有若干喷嘴，所述喷嘴分别连接有喷嘴压力控制器；
所述目标型腔壳体和所述目标形状泡沫铝板之间还设有若干灵敏应变片，所述灵敏应变片与应变仪连接；
还包括若干磁场发生器，所述磁场发生器设置在靠近所述灵敏应变片的位置。
2.根据权利要求1所述的高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置，其特征在于，所述压力传感器包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述第四压力传感器设置在所述目标型腔内表面，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述第四压力传感器通过数据总线与所述均匀控制单元连接；所述喷嘴包括第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴和第四喷嘴，所述第一喷嘴、所述第二喷嘴、所述第三喷嘴和所述第四喷嘴分别连接有第一喷嘴压力控制器、第二喷嘴压力控制器、第三喷嘴压力控制器和第四喷嘴压力控制器。
3.根据权利要求1所述的高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将泡沫铝板置于目标型腔中，泡沫铝板的外轮廓与目标型腔的内轮廓之间具有间隙，目标型腔置于温控室内，控温室将温度控制在复合材料的注射温度；
步骤2，均匀控制单元实时从数据总线中提取压力传感器所检测到的压力大小；
步骤3，多个喷嘴同时以最快速度将复合材料注射到置有所述泡沫铝板的所述目标型腔中；
步骤4，所述喷嘴注射结束后，所述均匀控制单元提取多个灵敏应变片的应变值，计算最大应变值和最小应变值之差，若在合理范围之内，进入步骤8，否则，进入步骤5；
步骤5，所述均匀控制单元根据每个所述喷嘴末时刻的压力值，计算喷嘴注射过程中的平均压力变化率；
步骤6，对压力值最大值的喷嘴设置恒压max，降低其他喷嘴的目标压力值，其压力降低幅度△P按照平均压力变化率的大小进行调整，将上述指令分别发送至压力传感器，控制所述喷嘴往空腔内注射复合材料；
其中，平均压力变化率越大，各喷嘴在现有压力值的基础上，其压力降低幅度△P越大；
步骤7，根据多个所述灵敏应变片的应变值，进行大小排序，应变值越大的应变片所对应的磁场发射器施加的磁场强度也越大，随后进入步骤4；
步骤8，各所述喷嘴保压，所述控温室进行冷却至常温。
4.根据权利要求3所述的高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，其特征在于，在步骤3和步骤4之间加入核磁共振成像器检测，若间隙均匀，直接进入最后一步步骤8，否则，进入步骤4。
5.根据权利要求3所述的高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，其特征在于，所述压力传感器包括第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述第四压力传感器设置在所述目标型腔内表面，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器和所述第四压力传感器通过数据总线与所述均匀控制单元连接；所述喷嘴包括第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴和第四喷嘴，所述第一喷嘴、所述第二喷嘴、所述第三喷嘴和所述第四喷嘴的注射量为注射总量的四分之一；所述灵敏应变片的数量为十二个，所述灵敏应变片均布与所述目标型腔的内部。
6.根据权利要求5所述的高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，其特征在于，所述均匀控制单元分别根据四个所述喷嘴末时刻的压力值P1、P2、P3、P4，计算所述喷嘴注射过程中的平均压力变化率dP1、dP2、dP3、dP4；其中，
dP1=P1/t1，t1为第一喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP2=P2/t2，t2为第二喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP3=P3/t3，t3为第三喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间，
dP4 =P4/t4，t4为第四喷嘴注射完1/4V体积的复合材料所用的时间。
7.根据权利要求5所述的高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，其特征在于，步骤6中，对压力值最大值的所述喷嘴设置恒压为P1，P2，P3或P4中的最大值。
8.根据权利要求5所述的高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，其特征在于，步骤8中，加入围绕间隙一周的低频、高场强的窄脉冲磁场，使得在磁场控制后的复合材料各成分在间隙内均匀分布。
9.根据权利要求3所述的高界面强度的复杂型腔泡沫铝填充装置的使用方法，其特征在于，所述复合材料包括：5%碳纤维、熔融状态的环氧树脂、1%铝粉、2%铁粉和高黏度磁流变液；
所述复合材料的制备方法是：将5%碳纤维+熔融状态的环氧树脂+1%铝粉+2%铁粉+高黏度磁流变液组成的复合材料，搅拌均匀；所述复合材料的注射温度为200℃。
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