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      建筑防爆中泡沫鋁夾芯材料的運用
      作者: 本站 來源: 本站 時間:2017年06月29日 字體:[] 留言

      泡沫鋁在建筑中有很多應用,建筑防爆材料就是其重要用途之一。例如:鋼板泡沫鋁復合防爆層能夠保護建筑的框架結構柱、泡沫鋁和鋼板制成三明治夾層板可以用做建筑的防護門、泡沫鋁夾芯梁可用于防護工程建筑等。因為泡沫鋁屬于新型功能材料,發展的時間并不長,但其優良的吸能抗沖擊性能決定其在建筑防爆中將會有更大的用途。

        1泡沫鋁夾芯材料的制備技術

        盡管泡沫鋁具有很多優點,但其強度較低則限制了它的應用。泡沫鋁夾芯材料是將泡沫鋁芯材與強度較高的面板材料復合,如鋼板和鋁板等,使二者在結構和功能上實現優勢互補.建筑防爆用的泡沫鋁主要就是這種材料。泡沫鋁夾芯材料的制備方法很多,主要有兩大類:一類是將預先制成的泡沫鋁與面板材料連接,如膠粘法和焊接法等;另一類是將面板材料與鋁基發泡粉末制成預制體,然后加熱發泡,冷卻后即得到泡沫鋁夾芯板.除這兩類之外,還有一些其他方法也在探索中。

        1.1連接法

        膠粘法是將泡沫鋁和面板用膠合劑粘在一起,屬于物理連接方法,工藝簡單、產品精度也較高。但是膠粘前對泡沫鋁及面板表面清理過程比較復雜,且膠合劑耐高溫、耐腐蝕性能較差,同時結合強度也比較低,這些缺點限制了該法的發展。焊接法相比膠粘法界面結合強度得到有效提升,目前研究較多的有釬焊法和激光焊接等。

        釬焊法是目前研究較多的泡沫鋁夾芯材料的焊接方法。該方法的關鍵在于釬料的選擇和對泡沫鋁表面氧化膜的去除。Sn基釬料因其與泡沫鋁母材間的電極電位差,釬焊接頭處容易出現電化學腐蝕,同時接頭耐熱性較差、強度較低。王輝等利用氮氣保護來提高釬焊接頭的強度。研究結果表明界面沒有形成連續膜層,而是由端細孔棱接觸相交點組成。于沖沖等以Zn-Al-Cu合金為釬料,由于該釬料具有一定的去膜功能,所以在焊接時無需再用釬劑,可以避免因使用釬劑帶來的腐蝕問題;采用機械刮擦去1鋪展;焊接時施加超聲振動,能使釬料流布并均勻填充孔隙;最終制得釬料與鋁板、釬料與泡沫鋁冶金結合的夾芯板。陳楠楠等采用銅箔-鋁片-銅箔復合層作為中間層,使得接頭強度高于母材,并對焊接溫度、保溫時間等參數進行了優化。宋宇峰等用Al-Si基合金作為釬料、純鋁板為面板,通過釬焊法制得泡沫鋁夾芯板,利用正交試驗考察了焊接溫度、時間以及退火工藝等對夾芯板性能的影響,得出最優工藝參數為:焊接溫度為640℃、時間為15min、在400℃下去應力退火30min;此外,對比了釬焊法和膠粘法制得樣品在400℃下的失效情況,表明釬焊法制得夾芯板在高溫下穩定性要好于膠粘法。

        激光焊接是將高強度高能量的激光束輻射在金屬表面,使其熔化后連接在一起的方法。該方法的優點是焊接后工件變形小、生產效率高、能夠實現連續生產。張迪等在孔隙率為70%泡沫鋁和面板中間加入6061鋁合金,用激光束的熱量將6061鋁合金熔化并滲入到泡沫鋁的孔洞,從而實現較好的焊接,焊接接頭的抗拉強度為2.97MPa,接近泡沫鋁的強度。但是激光焊接時,由于泡沫鋁中孔隙胞壁的反射作用以及孔隙空間限制,使得泡沫鋁母材對激光能量的吸收有限。在高溫熱源的作用下,泡沫鋁內部的孔隙可能會因吸熱熔化而坍塌,從而形成密實結構的寬焊縫區.激光焊接目前還處于前期探索階段,距工業化生產還有很長的研究道路要走。

        1.2發泡法

        梁曉軍等將鋁合金粉末與發泡劑TiH2混合,而后用鐵、鈦面板和粉末在模具中壓制,先制成可發泡的預制體,而后在一定溫度下加熱使TiH2分解出氫氣,從而使熔體發泡制得冶金結合的夾芯板。由于該方法需要在模具中壓制,限制了成品的尺寸。張敏等將混有發泡劑的鋁合金粉末置于面板間,再通過軋制復合法制成預制體,從而避免了模具對尺寸的限制,而后再放置在電阻爐中加熱發泡,這種工藝步驟簡單,更易于連續性生產。軋制復合法存在的主要問題是:預制坯在軋制過程中易出現粉末流失問題,致使成材率較低、板材的厚度和精度不高。為了提高預制坯的質量,宋濱娜等采用包套軋制法制作預制坯,將待發泡的鋁合金粉末裝入鋁管中密封軋制,再發泡處理。該法解決了粉末流失和預制坯邊部容易出現邊裂等問題,制得界面結合良好的夾芯板;宋濱娜等研究了壓下率對預制體以及夾芯板結構的影響。研究表明,壓下率為70%時,預制坯表面平直完整、粉末均勻致密,最終得到的夾芯板質量也最好。劉佳等進一步研究了包套軋制制備工藝中,發泡參數對夾芯板芯層中泡孔的演變行為的影響。以上研究均是基于鋁合金粉末的研究,而王耀奇等則是用鋁板作為發泡基體,采用累積疊軋法制備發泡預制坯。具體做法是將發泡劑TiH2粉末均勻鋪撒在四層鋁板之間,而后將鋁板在350℃下疊合軋制2道次,制成泡沫鋁的預制坯,再將TC4鈦合金面板或者1Cr18Ni9Ti不銹鋼面板疊合在泡沫鋁預制坯兩側,再在450℃下軋制復合制得夾芯板,而后在電阻爐中發泡,從而制得泡沫鋁夾芯板。

        1.3其他方法張太康等以強度高、密度低的Al2O3空心球為不可溶的造孔劑,以6063鋁合金為泡沫鋁基體,以鋁合金板作為復合板的表層材料,通過反重力滲流鑄造法制備出泡沫鋁夾芯板。結果顯示,芯部材料與鋁合金面板實現了良好的冶金結合。

        2泡沫鋁夾芯板在建筑防爆中的應用

        泡沫鋁夾芯板在爆炸或強沖擊載荷下,可以通過塑性變形來吸收能量。相比單層板,其具有較高的準靜態強度和較高的抗爆性能.近年來,由于爆炸和恐怖襲擊等事件的增加,泡沫鋁夾芯板作為建筑防爆材料逐漸得到了學界的重視,其抗爆性能也成為一個研究熱點。

        2.1在建筑防爆中的應用研究

        石少卿等研究認為,鋼板泡沫鋁多層復合結構比單一的泡沫鋁防爆效果更好,可以運用到軍事建筑的防爆設計中??到üΦ韧ㄟ^數值模擬的方法,采用相同的泡沫鋁芯材,對比了工業純鋁面板和304號不銹鋼面板對泡沫鋁夾芯梁抗爆性能的影響。結果表明,采用工業純鋁面板制成的泡沫鋁夾芯梁在爆炸沖擊下具有更好的防爆性能。隋順彬等在此基礎上考察了由HRB335級鋼板做面板制得泡沫鋁夾芯梁的抗爆性能,與純鋁板和304號不銹鋼板相比,其跨中位移及芯材壓縮應變都是三者中最小的。付學燃等對比研究了在建筑防護中廣泛使用的碳纖維布和泡沫鋁防護層的抗爆性能。結果表明,泡沫鋁防護層的防爆效果要遠遠高于碳纖維布,防爆設計時應優先選用泡沫鋁材料。張東新根據泡沫鋁夾層板的抗爆效果,提出在門前后外包鋼板中間填充泡沫鋁,制得新型防護門,并用ANSYS/LS-DYNA對防護門的防爆效果進行驗證。

        結果表明,新型防護門對爆炸沖擊波有很好的衰減性能,能夠起到保護作用。

        2.2應用中存在的問題

        泡沫鋁夾芯板在具有優良的防爆功能,但是目前在建筑防爆中的使用還比較少。主要原因有以下兩個方面:首先,當前泡沫鋁夾芯板材料還處于研究階段,還沒有比較經濟的工業化生產方法。泡沫鋁本身生產成本就比較高,夾芯板還要在其基礎上增加成本,成本較高限制夾芯板的應用范圍;再者,泡沫鋁夾芯板的防爆機理還沒完全清楚,夾芯板材料微觀組織與宏觀形貌本構間的定量關系還沒建立,夾芯板在動載作用下的響應尚不清楚。鑒于以上原因,夾芯板在建筑防爆工程實踐中的應用,還有很長的研究之路要走。

        3總結與展望

        (1)基于泡沫鋁成品的常用連接方法有膠粘法和焊接法。膠粘法工藝簡單,但結合強度差、耐高溫性能差;焊接法能夠實現泡沫鋁和面板的冶金結合,有效提高界面強度和耐高溫性能。其中釬焊法的關鍵問題是釬料的選擇和泡沫鋁表面氧化膜的去除方法,目前國內已經進行了較多這方面的研究。激光焊接法國內也有研究,但尚處于探索階段。

        (2)發泡法是將面板和發泡材料制成預制坯再進行發泡處理的制備方法;基于鋁合金和發泡劑粉末稱為軋制復合法,再進行發泡處理,在此法的基礎上又開發出包套軋制粉末冶金法,累積疊軋法則是基于鋁板;此外,還有學者采用滲流鑄造法制備夾芯板。隨著各種制備方法的研究深入,適合大規模工業化生產的方法將會出現。

        (3)泡沫鋁夾芯板是極具潛力的建筑防爆材料,可以用來防護建筑中支承柱、梁、門等關鍵部門。由于泡沫鋁夾芯板材料的生產成本較高和防爆機理還有待研究,當前夾芯板在建筑防爆中的應用還處于研究階段。未來,隨著泡沫鋁夾芯板制備技術的發展和防爆機理的深入研究,其在建筑防爆的應用中將有廣闊的前景。

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