建筑防爆中泡沫鋁夾芯材料的運(yùn)用,建筑材料論文

建筑防爆中泡沫鋁夾芯材料的運(yùn)用,建筑材料論文泡沫鋁是由連續(xù)金屬相骨架和大量氣泡組成的新型多功能金屬材料，具有孔隙率高、比強(qiáng)度大和比剛度大等特點(diǎn)，并且抗爆抗沖擊性能良好，是較好的吸能緩沖材料[1,2].因而，泡沫鋁在建筑中有很多應(yīng)用，建筑防爆材料就是其重要用處之一。例如：鋼板泡沫鋁復(fù)合防爆層能夠保衛(wèi)建筑的框架構(gòu)造柱[3]、泡沫鋁和鋼板制成三明治夾層板能夠用做建筑的防護(hù)門[4]、泡沫鋁夾芯梁可用于防護(hù)工程建筑[5]等。由于泡沫鋁屬于新型功能材料，發(fā)展的時(shí)間并不長(zhǎng)，但其優(yōu)良的吸能抗沖擊性能決定其在建筑防爆中將會(huì)有更大的用處。本文對(duì)近年來泡沫鋁的制備技術(shù)和在建筑防爆中的應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)。1泡沫鋁夾芯材料的制備技術(shù)盡管泡沫鋁具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其強(qiáng)度較低則限制了它的應(yīng)用。泡沫鋁夾芯材料是將泡沫鋁芯材與強(qiáng)度較高的面板材料復(fù)合，如鋼板和鋁板等，使二者在構(gòu)造和功能上實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[6].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式方法很多，主要有兩大類：一類是將預(yù)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(fā)泡粉末制成預(yù)制體，然后加熱發(fā)泡，冷卻后即得到泡沫鋁夾芯板[7].除這兩類之外，還有一些其他方式方法也在探尋求索中。1.1連接法膠粘法是將泡沫鋁和面板用膠合劑粘在一起，屬于物理連接方式方法，工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品精度也較高。但是膠粘前對(duì)泡沫鋁及面板外表清理經(jīng)過比擬復(fù)雜，且膠合劑耐高溫、耐腐蝕性能較差，同時(shí)結(jié)合強(qiáng)度也比擬低，這些缺點(diǎn)限制了該法的發(fā)展。焊接法相比膠粘法界面結(jié)合強(qiáng)度得到有效提升，當(dāng)前研究較多的有釬焊法和激光焊接等。釬焊法是當(dāng)前研究較多的泡沫鋁夾芯材料的焊接方式方法。該方式方法的關(guān)鍵在于釬料的選擇和對(duì)泡沫鋁外表氧化膜的去除。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(xiàn)電化學(xué)腐蝕，同時(shí)接頭耐熱性較差、強(qiáng)度較低。王輝等[8]利用氮?dú)獗Ｐl(wèi)來提高釬焊接頭的強(qiáng)度。研究結(jié)果表示清楚界面沒有構(gòu)成連續(xù)膜層，而是由端細(xì)孔棱接觸相交點(diǎn)組成。于沖沖等[9]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(shí)無需再用釬劑，能夠避免因使用釬劑帶來的腐蝕問題；采用機(jī)械刮擦去1鋪展；焊接時(shí)施加超聲振動(dòng)，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(jié)合的夾芯板。陳楠楠等[10]采用銅箔-鋁片-銅箔復(fù)合層作為中間層，使得接頭強(qiáng)度高于母材，并對(duì)焊接溫度、保溫時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。宋宇峰等[11]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(yàn)考察了焊接溫度、時(shí)間以及退火工藝等對(duì)夾芯板性能的影響，得出最優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接溫度為640℃、時(shí)間為15min、在400℃下去應(yīng)力退火30min;除此之外，比照了釬焊法和膠粘法制得樣品在400℃下的失效情況，表示清楚釬焊法制得夾芯板在高溫下穩(wěn)定性要好于膠粘法。激光焊接是將高強(qiáng)度高能量的激光束輻射在金屬外表，使其熔化后連接在一起的方式方法。該方式方法的優(yōu)點(diǎn)是焊接后工件變形小、生產(chǎn)效率高、能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。張迪[12]等在孔隙率為70%泡沫鋁和面板中間參加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，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較好的焊接，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為2.97MPa,接近泡沫鋁的強(qiáng)度。但是激光焊接時(shí)，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(duì)激光能量的吸收有限。在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?，泡沫鋁內(nèi)部的孔隙可能會(huì)因吸熱熔化而坍塌，進(jìn)而構(gòu)成密實(shí)構(gòu)造的寬焊縫區(qū)[9].激光焊接當(dāng)前還處于前期探尋求索階段，距工業(yè)化生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的研究道路要走。1.2發(fā)泡法梁曉軍等[13]將鋁合金粉末與發(fā)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(fā)泡的預(yù)制體，而后在一定溫度下加熱使TiH2分解出氫氣，進(jìn)而使熔體發(fā)泡制得冶金結(jié)合的夾芯板。由于該方式方法需要在模具中壓制，限制了成品的尺寸。張敏等[14]將混有發(fā)泡劑的鋁合金粉末置于面板間，再通過軋制復(fù)合法制成預(yù)制體，進(jìn)而避免了模具對(duì)尺寸的限制，而后再放置在電阻爐中加熱發(fā)泡，這種工藝步驟簡(jiǎn)單，更易于連續(xù)性生產(chǎn)。軋制復(fù)合法存在的一些主要問題是：預(yù)制坯在軋制經(jīng)過中易出現(xiàn)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(yù)制坯的質(zhì)量，宋濱娜等[15,16]采用包套軋制法制作預(yù)制坯，將待發(fā)泡的鋁合金粉末裝入鋁管中密封軋制，再發(fā)泡處理，如此圖1所示。該法解決了粉末流失和預(yù)制坯邊部容易出現(xiàn)邊裂等問題，制得界面結(jié)合良好的夾芯板；宋濱娜等[16]研究了壓下率對(duì)預(yù)制體以及夾芯板構(gòu)造的影響。研究表示清楚，壓下率為70%時(shí)，預(yù)制坯外表平直完好、粉末均勻致密，最終得到的夾芯板質(zhì)量也最好。劉佳等[17]進(jìn)一步研究了包套軋制制備工藝中，發(fā)泡參數(shù)對(duì)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[18]則是用鋁板作為發(fā)泡基體，采用累積疊軋法制備發(fā)泡預(yù)制坯。詳細(xì)做法是將發(fā)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(yù)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(yù)制坯兩側(cè)，再在450℃下軋制復(fù)合制得夾芯板，而后在電阻爐中發(fā)泡，進(jìn)而制得泡沫鋁夾芯板。1.3其他方式方法張?zhí)档萚19]以強(qiáng)度高、密度低的Al2O3空心球?yàn)椴豢扇艿脑炜讋?，?063鋁合金為泡沫鋁基體，以鋁合金板作為復(fù)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(jié)果顯示，芯部材料與鋁合金面板實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。2泡沫鋁夾芯板在建筑防爆中的應(yīng)用泡沫鋁夾芯板在爆炸或強(qiáng)沖擊載荷下，能夠通過塑性變形來吸收能量。相比單層板，其具有較高的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度和較高的抗爆性能[20].近年來，由于爆炸和恐懼襲擊等事件的增加，泡沫鋁夾芯板作為建筑防爆材料逐步得到了學(xué)界的重視，其抗爆性能也成為一個(gè)研究熱門。2.1在建筑防爆中的應(yīng)用研究石少卿等[21]研究以為，鋼板泡沫鋁多層復(fù)合構(gòu)造比單一的泡沫鋁防爆效果更好，能夠運(yùn)用到軍事建筑的防爆設(shè)計(jì)中?？到üΦ萚22]通過數(shù)值模擬的方式方法，采用一樣的泡沫鋁芯材，比照了工業(yè)純鋁面板和304號(hào)不銹鋼面板對(duì)泡沫鋁夾芯梁抗爆性能的影響。結(jié)果表示清楚，采用工業(yè)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[23]在這里基礎(chǔ)上考察了由HRB335級(jí)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(hào)不銹鋼板相比，其跨中位移及芯材壓縮應(yīng)變都是三者中最小的。付學(xué)燃等[24]比照研究了在建筑防護(hù)中廣泛使用的碳纖維布和泡沫鋁防護(hù)層的抗爆性能。結(jié)果表示清楚，泡沫鋁防護(hù)層的防爆效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳纖維布，防爆設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用泡沫鋁材料。張東新[4]根據(jù)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(hù)門,并用ANSYS/LS-DYNA對(duì)防護(hù)門的防爆效果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表示清楚，新型防護(hù)門對(duì)爆炸沖擊波有很好的衰減性能，能夠起到保衛(wèi)作用。2.2應(yīng)用中存在的問題泡沫鋁夾芯板在具有優(yōu)良的防爆功能，但是當(dāng)前在建筑防爆中的使用還比擬少。主要原因有下面兩個(gè)方面：首先，當(dāng)下泡沫鋁夾芯板材料還處于研究階段，還沒有比擬經(jīng)濟(jì)的工業(yè)化生產(chǎn)方式方法。泡沫鋁本身生產(chǎn)成本就比擬高，夾芯板還要在其基礎(chǔ)上增加成本，成本較高限制夾芯板的應(yīng)用范圍；再者，泡沫鋁夾芯板的防爆機(jī)理還沒完全清楚，夾芯板材料微觀組織與宏觀形貌本構(gòu)間的定量關(guān)系還沒建立，夾芯板在動(dòng)載作用下的響應(yīng)尚不清楚。鑒于以上原因，夾芯板在建筑防爆工程實(shí)踐中的應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的研究之路要走。3總結(jié)與瞻望〔1〕基于泡沫鋁成品的常用連接方式方法有膠粘法和焊接法。膠粘法工藝簡(jiǎn)單，但結(jié)合強(qiáng)度差、耐高溫性能差；焊接法能夠?qū)崿F(xiàn)泡沫鋁和面板的冶金結(jié)合，有效提高界面強(qiáng)度和耐高溫性能。華而不實(shí)釬焊法的關(guān)鍵問題是釬料的選擇和泡沫鋁外表氧化膜的去除方式方法，當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了較多這方面的研究。激光焊接法國(guó)內(nèi)也有研究，但尚處于探尋求索階段?！?〕發(fā)泡法是將面板和發(fā)泡材料制成預(yù)制坯再進(jìn)行發(fā)泡處理的制備方式方法；基于鋁合金和發(fā)泡劑粉末稱為軋制復(fù)合法，再進(jìn)行發(fā)泡處理，在這里法的基礎(chǔ)上又開發(fā)出包套軋制粉末冶金法，累積疊軋法則是基于鋁板；除此之外，還有學(xué)者采用滲流鑄造法制備夾芯板。隨著各種制備方式方法的研究深切進(jìn)入，合適大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的方式方法將會(huì)出現(xiàn)?！?〕泡沫鋁夾芯板是極具潛力的建筑防爆材料，能夠用來防護(hù)建筑中支承柱、梁、門等關(guān)鍵部門。由于泡沫鋁夾芯板材料的生產(chǎn)成本較高和防爆機(jī)理還有待研究，當(dāng)下夾芯板在建筑防爆中的應(yīng)用還處于研究階段。將來，隨著泡沫鋁夾芯板制備技術(shù)的發(fā)展和防爆機(jī)理的深切進(jìn)入研究，其在建筑防爆的應(yīng)用中將有廣闊的前景。以下為參考文獻(xiàn)：[1]史春芳，徐趙東。工程構(gòu)造抗爆技術(shù)的研究現(xiàn)在狀況[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版〕，2007,39〔5〕：616-620.[2]胡中蕓，楊東輝，李軍，等。泡沫鋁的制備方式方法及其發(fā)展現(xiàn)在狀況[J].熱加工工藝，2020,43〔12〕：25-28.[3]劉仁輝，石少卿，汪敏。鋼板泡沫鋁復(fù)合減振層在軍事建筑構(gòu)造中的應(yīng)用研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2008,34〔4〕：153-157.[4]張東新。新型復(fù)合泡沫鋁夾層板抗爆性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.[5]康建功，石少卿，劉穎芳，等。泡沫鋁夾芯梁抗爆性能的數(shù)值模擬分析[J].爆破，2018,26〔3〕：10-13.[6]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)，2008,22〔1〕：85-89.[7]楊益，李曉軍，郭彥朋。夾芯材料發(fā)展及防護(hù)構(gòu)造應(yīng)用綜述[J].兵器材料科學(xué)與工程，2018,33〔4〕：91-95.[8]王輝，何德坪，褚旭明，等。泡沫鋁氮?dú)獗Ｐl(wèi)爐中釬焊界面構(gòu)造