镁合金蜂窝板研制与工业应用前景

2014年09月29日 14:25 12073次浏览 来源:   分类: 镁应用

导读: 人造蜂窝板,特别是金属蜂窝板由于重量轻、强度高、刚性大、隔热隔声性能优异等一系列优点,现已在飞机、列车、船舶、建筑等领域中得到广泛应用。

  人造蜂窝板,特别是金属蜂窝板由于重量轻、强度高、刚性大、隔热隔声性能优异等一系列优点,现已在飞机、列车、船舶、建筑等领域中得到广泛应用。镁合金的密度小,并具有良好的比强度、比刚度、可再循环性等一些非常明显的优势,特别在减轻构件的重量方面发挥重要作用。镁合金蜂窝板作为一种新型金属蜂窝板,研究其制备技术和性能特点十分必要可以丰富和扩展传统蜂窝板结构,具有广阔的应用前景。
  金属蜂窝芯的制备方法
  金属蜂窝芯材的制备方法有展开法、压力粘接成形法、压力钎焊成形法。
  (1) 展开法:由印刷机(或手工)将芯条胶涂在金属箔上形成胶条,相邻两层涂有胶条的金属箔应使胶条错开,即上一层纸的胶条位置正好在下一层纸张的相邻两胶条的中间。以这种方法相互粘接在一起的金属箔形成一块蜂窝芯子板,待其中的胶粘剂充分固化,再将蜂窝芯子切成一条条具有所要求高度的蜂窝芯子条,然后将蜂窝芯子拉伸展开,再将其浸滞定形胶固化后即成定形蜂窝芯子。
  (2) 压力粘接成形法:首先在波形模具上,按手糊或模压成形工艺制成半六角形的波纹板,然后用粘接剂粘成芯子。压力成形法制成的蜂窝芯子,其蜂格尺寸正确,可制任何规格的蜂窝芯子。但需要大量模具,生产效率低,所以很少使用。
  (3) 压力钎焊成形法:日本山口进吾等于1994年研制出用钎焊方法来制造蜂窝芯。其制造过程即将裁成一定宽度的板条按半正六角形的形状进行波纹加工,以形成蜂窝。再用上下两块板将蜂窝芯夹紧,用夹具固定后,采用激光点焊机在平行面上接触点焊而成。
  对于金属蜂窝夹层结构来说,面板与芯子如何连接是非常重要的,就目前来说,有五种连接方式,下面分别加以介绍:
  (1) 胶接法:胶接法是把金属面和芯子用热固化胶在连续成形机内加热加压复合而成的建筑板材。胶接是目前人们较为关注的连接方法,连接过程中复合板不承受外加热循环,但连接前需进行表面预处理。
  (2) 钎焊法:钎焊是材料连接的又一种方法。和其它焊接技术一样,均能使材料间的连接形成不可拆卸的冶金结合。材料钎焊连接时,一般是以搭接形式装配,接头间保持很小的间隙,选用比母材熔点低的填充材料,在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下,借助熔化钎料填满母材间的间隙,并通过钎料与母材的相互作用,冷却凝固成牢固的接头。
  (3) 缝焊法:缝焊是指焊件装配成搭接或对接接头并置于两滚轮电极之间,滚轮加压焊件并转动,连续或断续送电,形成一条连续焊缝的电阻焊方法。
  (4) 激光焊接法:激光焊是利用高能量技术的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点,受到各发达国家的重视,并应用于航空、航天、汽车制造、电子、轻工等领域。
  (5) 界面瞬间液相扩散轧制连接法:界面瞬间液相扩散轧制连接是利用过渡液相(Transient Liquid Phase--TLP)连接方法的原理使板材与金属芯材形成良好的大面积冶金结合的复合方法。TLP连接是一种应用于许多合金系统的连接方法。其原理是在母材与中间层之间形成低熔点液相,然后通过溶质原子的扩散发生等温凝固,形成组织均匀的焊缝接头。对于使用在金属热防护系统中的金属蜂窝夹层结构来说,目前多采用真空钎焊的方法连接面板与芯子,增加其强度,有效避免了脱胶等问题。
  金属蜂窝板的应用现状
  国外在上个世纪六十年代开始将蜂窝板应用于建筑、车船、家具等领域,国内直到1990年左右才开始转向民用,目前,蜂窝板主要用在以下几个方面:
  (1) 飞机. 用蜂窝板制造的机翼、水平机翼以及民机的座舱、货舱地板、舱门隔板等有效地减轻了飞机结构重量,提高了活动件操纵的敏感性。如:俄罗斯将Nomex蜂窝作芯材组成的夹层结构件用作安-124运输机的货舱、图-204的发动机短舱和垂尾。我国的直九机采用由Nomex蜂窝组成的夹层结构件也达280多个,单机Nomex蜂窝用量260m2,占整机覆盖面积的50%左右。
  (2) 火车内饰. 蜂窝板可用来制造高速列车特别是轻轨、地铁车辆内饰板如控制面板、舱壁、天花板垫板、行李架、厕所单元、盟洗室、地板、四角门和隔离舱门以及外部构件如车顶、前端、护板、整个车体等。最高速度达300km/h的世界上最高速车辆-500系“希望号”,其侧面及底架部采用了钎焊铝蜂窝板,其结果,获得了质量轻、耐高压、高刚性的车体结构,降低了车辆在高速运行中车箱内外的噪声。国内长春客车厂于1990年在25A型客车上采用了铝蜂窝复合板结构。据了解,深圳的第一辆地铁机车车辆天花板、地板及车厢两侧的隔板采用了从德国引进的热塑性胶粘剂连续复合的铝蜂窝板。我国正在开发的具有自主知识产权的地铁列车的车顶也将采用铝蜂窝板。
  (3) 船舶. 蜂窝夹层结构的结构件和非结构件分别比传统材料(如金属、木材、FRP)制造的对应构件轻50%和75%。可用来制作快速渡轮的船壳和舱壁及赛艇的轻质桅杆。如美国海军采用了由Nomex蜂窝与铝或FRP面板构成的蜂窝板作舱壁以减少船重,改善船的灵活性和稳定性。国内也开始将铝蜂窝板和纸蜂窝板用在船舶上。
  (4) 汽车. 蜂窝夹层结构在汽车上己经有了较多应用,大部分是用于车身外蒙皮、车身结构、车架结构、保险杠、座椅、车门等处。如用PP蜂窝结构和玻纤增强热塑性面板材料复合而成的蜂窝板设计轿车的行李后搁板、承重地板等,可以产生非常大的损伤容限。用环氧系粘结剂将纸蜂窝芯与上下两层防锈钢板复合形成蜂窝板用作汽车地板和车顶衬里,具有较好的吸声性能。日本许多概念车的底板采用了铝蜂窝板,以减轻车重和增加车体刚性。
  (5) 建筑. 蜂窝夹层结构在建筑领域有较多应用,如制作大型商场、地铁站、会议室的天花板,宾馆、银行的屏风、隔断以及高层建筑的外墙装饰板等。既美观,又可以大大减轻地震导致的人员伤亡和财产损失。国内铝蜂窝板和纸蜂窝板也逐渐开始应用于建筑领域。如上海飞翼幕墙有限公司生产的环氧树脂胶接式飞冀铝蜂窝幕墙板已用于东方明珠电视塔和上海儿童博物馆球幕电影厅。由国内某集团生产的热塑性胶粘剂连续复合的蜂窝铝板已应用于香港地铁站台装修和候车亭、广告牌等。
  (6) 能源. (a)蓄能:金属蜂窝具有优良的吸光性能。就正六边形的空心柱体蜂格而言,蜂格的透光率对于平行光可达到97%以上,对于不平行的光线,蜂格壁可以将不垂直蜂窝平面的大部分光线遮挡,如果在蜂窝的单面贴以面板,则蜂窝便具有良好的吸光性能。由于蜂格壁可以遮挡大部分阳光,使光线的多次反射都在蜂格壁上进行,因此光线几乎全被蜂窝吸收,如果蜂窝是黑色的,蜂窝的吸光性能将接近绝对黑体。利用蜂窝的吸光性能,可以制造蜂窝结构太阳能集热板。在这种集热板中,隔热层采用蜂窝夹层结构,蜂窝芯可使用隔热性能较好的纸蜂窝,内、外面板可使用较薄的金属板,面板与芯子之间用胶粘剂粘接。吸光蜂窝使用导热性能较好的金属蜂窝芯,玻璃板与吸光蜂窝之间用透明胶粘接,导热板与吸光蜂窝之间用导热胶粘接。这种蜂窝集热板具有效率高、整体性强和重量轻等优点。金属蜂窝还可开发应用于太阳能热水器水箱、太阳能收集器、太阳能电池等,也可用于地热源的开采和应用等。(b)隔热:利用金属蜂窝的高孔隙率和耐高温、耐温度变化、抗氧化性能,可用其制作隔热材料。蜂窝本身并不具有隔热性能,但是蜂窝夹层板(金属板-蜂窝-金属板)却具有良好的隔热性能。在常用的蜂窝夹层板的蜂窝芯中,实体材料的体积仅占1%-3%,其余空间内是处于密封状态的空气,由于空气的隔热性能优于任何固体材料,所以蜂窝夹层板具有良好的隔热性能。隔热材料可广泛应用于航空航天器(如火箭发动机喷注器等)、消防器具外壳、消防机器人外壳、热机外壳、锅炉外壳等。(c)散热:当通孔金属蜂窝处于高热能流体之中时,由于其大的比表面积和复杂的三维流动,使之具有较高的散热能力。自然对流条件下,在一定范围内增大孔径和孔隙率可增大对流换热能力,强迫对流可显着提高换热能力。多层蜂窝结构已被广泛用作声学装置和紧凑换热器,可广泛应用于汽车等发动机散热器、换热器等。
  (7)化工. 利用金属蜂窝的高比表面积、高孔隙率、流体可透过性与可选择性等特点,在化工领域(制成的金属蜂窝,可以在化肥、制药、水处理、有机化工、食品等行业的液-液分离,固-液分离,气-固分离等工艺中发挥积极的作用)将会有潜在的广阔应用空间。例如将之应用在填充床,将大大提高流体传热传质性能。一般来说,在蜂窝颗粒固定填充床中流体流速不是太高,传质模式为对流传质和分子扩散;填充床容器壁面与床内蜂窝颗粒层之间,传热模式为导热、对流、热辐射(高温)等。作为具有极强生命力的新兴功能材料结构,金属蜂窝将会广泛应用于化工分离领域、高效催化剂载体、高效电池电极、反应塔填料、热管吸液芯等。
  镁合金蜂窝板的轨道车辆应用前景
  轨道车辆是轨道交通运输装备中的核心设备,特别是客运车辆在安全、正点、便捷等一系列要求下,技术含量高、设计复杂、工作环境恶劣,是轨道交通运输装备中的技术制高点。我国经过近十年的高速发展,业已形成了以高速客运专线网为骨干、支线铁路、地方区域铁路、城际高速铁路、城轨铁路(地铁和轻轨等)为支撑的轨道交通网络,其后数十年内,必将形成更加完善、密集、国土覆盖面比例更大的国家轨道交通运输系统,大大促进国民经济的全面健康发展。
  以动车组列车为代表的客运列车,除了结构要求外,需要舱内具有良好的乘坐条件。如恒温、恒湿、隔声、隔振、绝缘,而且既能拒绝外来电磁场的辐射,图15为900X900mm蜂窝板实物。注意该蜂窝板采用了铝合金的蜂窝芯。

QQ截图20140929141754

图15 大规格

责任编辑:淮金

如需了解更多信息,请登录中国有色网:www.cnmn.com.cn了解更多信息。

中国有色网声明:本网所有内容的版权均属于作者或页面内声明的版权人。
凡注明文章来源为“中国有色金属报”或 “中国有色网”的文章,均为中国有色网原创或者是合作机构授权同意发布的文章。
如需转载,转载方必须与中国有色网( 邮件:mqk@cnmn.com.cn 或 电话:010-63971479)联系,签署授权协议,取得转载授权;
凡本网注明“来源:“XXX(非中国有色网或非中国有色金属报)”的文章,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不构成投资建议,仅供读者参考。
若据本文章操作,所有后果读者自负,中国有色网概不负任何责任。