閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究*

王天石，王建昌，李 立，劉建軍，褚洪杰

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036；2. 航天材料及工藝研究所， 北京 100076)

閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究*

王天石1，王建昌2，李 立1，劉建軍1，褚洪杰2

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036；2. 航天材料及工藝研究所， 北京 100076)

以孔隙為特征的超輕型金屬結(jié)構(gòu)具有特殊的物理和機(jī)械性能組合，如輕質(zhì)和高比強(qiáng)度的結(jié)合，正成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。輕量化的需求使得具有更高比強(qiáng)度、比剛度的泡沫鋁成為發(fā)展的重點(diǎn)。文中針對(duì)閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用技術(shù)研究，解決了采用該結(jié)構(gòu)代替鋁合金7075制造某天線安裝板的技術(shù)問(wèn)題，在滿足力學(xué)性能的情況下實(shí)現(xiàn)了天線安裝板減重54%。

閉孔泡沫鋁；夾層結(jié)構(gòu)；減重

引 言

當(dāng)前電子裝備對(duì)重量的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)件已無(wú)法滿足新一代裝備的減重要求。

泡沫鋁作為一種金屬鋁基多孔質(zhì)材料[1]，具有密度小、高比強(qiáng)度、高比剛度、吸收沖擊能力強(qiáng)、消聲性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車制造、軌道交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是泡沫鋁本身孔洞大(毫米、厘米級(jí)孔洞)、強(qiáng)度和剛度低，因此不適合單獨(dú)作為有連接和安裝要求的承力結(jié)構(gòu)件。而目前泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于公路、軌道交通等領(lǐng)域，應(yīng)用目的是吸聲和吸能[2-4]，其結(jié)構(gòu)形式并不適用于電子裝備領(lǐng)域中有連接和安裝要求的承力結(jié)構(gòu)安裝板。

本文針對(duì)閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用技術(shù)研究，研制了一種泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)安裝板，該安裝板既滿足傳統(tǒng)金屬材料安裝板的連接和安裝要求，具有承受載荷的能力，同時(shí)又具有泡沫鋁材料的低密度、輕量化的特征，減重效果明顯。

1 結(jié)構(gòu)特征

閉孔泡沫鋁是指內(nèi)部胞孔相互獨(dú)立且封閉，各胞孔之間由母體金屬分離的泡沫鋁類型。閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)度的特點(diǎn)，在作為承力結(jié)構(gòu)件時(shí)，一般其應(yīng)用結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。主要應(yīng)用特征包括：

1)上下面板與泡沫鋁芯結(jié)合牢固，以實(shí)現(xiàn)承載時(shí)剪切力從表面?zhèn)鬟f到泡沫鋁芯；

2)鑲嵌件與泡沫鋁芯結(jié)合牢固，以保證承載時(shí)鑲嵌件可以承受一定的載荷而不至于拉脫失效。

圖1 閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)示意圖

2 材料選擇、制造及力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 材料選擇

閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)材料選擇如表1所示。其中泡沫鋁芯為元泰達(dá)公司商業(yè)化生產(chǎn)的閉孔泡沫鋁，面板和鑲嵌件所用鋁合金2A12為市售材料。

2.2 制造工藝方法及流程

閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的制造工藝方法及流程如圖2所示。主要工序包括：零件加工；面板切割、打孔；工裝模具設(shè)計(jì)及加工；預(yù)裝配；面板、零件磷酸陽(yáng)極化表面處理；膠接裝配；固化；脫模清理；加工外形和平面；修整、配孔；隨爐試片測(cè)試；無(wú)損檢測(cè)。

表1 材料相關(guān)信息

圖2 泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)制造工藝

2.3 滾筒剝離強(qiáng)度試驗(yàn)

閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)面板與泡沫鋁芯的粘接結(jié)合強(qiáng)度，以保證在受力情況下剪切力的有效傳遞。

樣件的設(shè)計(jì)參考GB/T 1457—2005 《夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法》。試樣的形狀為長(zhǎng)方形，外形尺寸為15 mm × 60 mm × 300 mm，上下鋁合金面板與中間閉孔泡沫鋁芯通過(guò)膠膜膠接。試樣數(shù)量為5件。

滾筒剝離強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

試驗(yàn)裝置、安裝方式如圖3所示。

圖3 滾筒剝離試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)由力(N)和位移(mm)構(gòu)成。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)前述滾筒剝離強(qiáng)度計(jì)算公式，計(jì)算獲得試樣的滾筒剝離強(qiáng)度，如表2所示。由表可見，與傳統(tǒng)鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相比，閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強(qiáng)度高。

表2 試樣的滾筒剝離強(qiáng)度

2.4 埋件拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)

閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)埋件拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)預(yù)埋鑲嵌件與泡沫鋁芯的粘接結(jié)合強(qiáng)度，以保證在受力情況下預(yù)埋鑲嵌件不會(huì)因?yàn)槔εc泡沫鋁芯脫離而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失效。

樣件的設(shè)計(jì)參考QJ 3296.5—2008 《蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用鑲嵌件 第4部分：通孔螺紋B型鑲嵌件》。螺紋大小為M3和M5，試樣圖紙如圖4所示，試樣數(shù)量各為5件。

圖4 埋件拉脫試驗(yàn)示意圖

埋件拉脫試驗(yàn)示意圖如圖5所示。通過(guò)螺栓給預(yù)埋鑲嵌件施加拉應(yīng)力，直至鑲嵌件與泡沫鋁芯脫離，以此測(cè)試鑲嵌件與泡沫鋁芯的結(jié)合強(qiáng)度。

圖5 埋件拉脫試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)由力(N)和位移(mm)構(gòu)成。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，獲得試樣的埋件拉脫強(qiáng)度，如表3所示。由表可見，與傳統(tǒng)鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相比，閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的埋件拉脫強(qiáng)度高。

表3 試樣的埋件拉脫強(qiáng)度

3 應(yīng)用樣件設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試

3.1 應(yīng)用樣件選擇

閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)輕質(zhì)，比剛度、比強(qiáng)度高，非常適合制造天線安裝板這樣有一定力學(xué)功能要求的承力件。因此，應(yīng)用樣件選擇某電子裝備天線安裝板，如圖6所示。該樣件設(shè)計(jì)要求中平面度要求為0.3 mm(200 mm × 200 mm)，孔位精度為±0.1 mm，有較高的力學(xué)性能要求。原制造方案采用7075鋁合金板材機(jī)加制造，產(chǎn)品重量為1.84 kg。

3.2 應(yīng)用樣件設(shè)計(jì)

根據(jù)相應(yīng)泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)仿真模型構(gòu)建參數(shù)，按照目標(biāo)原型樣件的振動(dòng)條件，結(jié)合減重要求及泡沫鋁可制造性特征，擬選用10 mm厚的泡沫鋁芯材。泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)天線安裝板有限元模型如圖7所示。

圖7 泡沫鋁樣件有限元模型

有限元仿真按照目標(biāo)原型樣件振動(dòng)條件進(jìn)行。圖8給出了泡沫鋁夾層天線安裝板上振動(dòng)情況最惡劣的螺紋孔所在節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)曲線。由圖可知，樣件在振動(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，數(shù)量級(jí)在10-1MPa級(jí)，遠(yuǎn)低于泡沫鋁10 MPa級(jí)的強(qiáng)度，滿足產(chǎn)品振動(dòng)條件要求。

圖8 典型節(jié)點(diǎn)頻譜應(yīng)力響應(yīng)曲線

根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)的泡沫鋁芯的結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。上下面板的外形尺寸與泡沫鋁芯結(jié)構(gòu)相同，厚度為0.3 mm。天線安裝板上的對(duì)外安裝接口，即各處螺紋孔及階梯孔在泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)樣件上以鑲嵌件的方式實(shí)現(xiàn)，鑲嵌件的結(jié)構(gòu)如圖10所示。泡沫鋁芯、上下面板及鑲嵌件的材料與表1一致。

圖9 泡沫鋁芯結(jié)構(gòu)圖

圖10 鑲嵌件結(jié)構(gòu)圖

3.3 應(yīng)用樣件制造及測(cè)試

采用如前所述的制造工藝方法及流程制造的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)天線安裝板樣件如圖11所示。經(jīng)稱重，樣件重量為0.85 kg，較使用鋁合金7075制造的原型樣件減重54%。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，樣件的平面度為0.28 mm(200 mm × 200 mm)，孔位精度優(yōu)于±0.1 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)樣件及振動(dòng)試驗(yàn)裝置

樣件制造后按照目標(biāo)原型的振動(dòng)條件進(jìn)行功能振動(dòng)和耐久振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)裝置及樣件安裝方式如圖11所示。試驗(yàn)完成后，經(jīng)檢查，樣件無(wú)損傷。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)樣件力學(xué)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特征進(jìn)行可應(yīng)用性研究，獲得以下結(jié)論：

1)閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的面板滾筒剝離強(qiáng)度平均值為124 (N·mm)/mm，M3和M5螺紋鑲嵌件埋件拉脫強(qiáng)度平均值分別為3.64 kN和6.9 kN，均優(yōu)于相應(yīng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；

2)利用基于閉孔泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能數(shù)據(jù)的有限元仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了天線安裝板應(yīng)用樣件，經(jīng)稱重，較使用鋁合金7075制造的原型樣件減重54%；

3)使用目標(biāo)原型樣件振動(dòng)條件對(duì)泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)樣件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后受試樣件無(wú)損傷，表明其力學(xué)性能滿足目標(biāo)原型樣件要求。

[1] 陳思杰, 米國(guó)發(fā). 泡沫鋁的制備工藝、組織性能及應(yīng)用前景[J]. 熱加工工藝, 2005(5): 54-57.

[2] 張敏, 陳長(zhǎng)軍, 姚廣春. 泡沫鋁夾芯板的制備技術(shù)[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2008, 1(22): 85-89.

[3] 于英華, 楊春紅. 泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 機(jī)械工程師, 2006(3): 43-45.

[4] 楊益, 李曉軍, 郭彥朋. 夾芯材料發(fā)展及防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用綜述[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2010, 33(4): 91-96.

王天石(1984-)，男，工程師，主要從事電子裝備制造工藝以及新材料、新工藝應(yīng)用研究工作。

Study on Application of Sandwich Structure with Closed-cell Aluminum Foam

WANG Tian-shi1，WANG Jian-chang2，LI Li1，LIU Jian-jun1，CHU Hong-jie2

(1.The29thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China；2.AerospaceResearchInstituteofMaterials&ProcessingTechnology,Beijing100076,China)

Ultra-light-weight sandwich metal structure characterized by cells has special combination of physial property and mechanical property, such as the combination of light-weight and high specific strength. It is becoming the hotspot of current research. The requirement of light-weight makes the aluminum foam with higher specific strength and specific stiffness the important development direction. In this paper, the application technologies of sandwich structure with closed-cell aluminium foam are studied. The manufacture solution of the fixing-board of an antenna using the sandwich structure as a replacement of aluminium alloy 7075 is obtained. 54% weight reduction of the fixing-board is realized while satisfying its mechanical property.

closed-cell aluminum foam; sandwich structure; weight reduction

2015-08-18

TG146.12

A

1008-5300(2015)05-0048-04