泡沫铝夹芯三明治结构制备及可靠性评价

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以泡沫铝为芯层,金属为面板的泡沫铝夹芯三明治结构复合板,是一种新型结构材料,具有一系列的优异性能,在汽车、航空航天与建筑等多个领域得到了广泛应用。但是应用的基础是实现泡沫铝与金属面板的有效连接,而表面的多孔性及氧化膜使得泡沫铝连接困难。针对这个问题,本文提出了Zn-Al-Cu基合金为钎料,刮擦振动钎焊的方法,制备出了连接良好的夹芯结构板,并对其进行了压缩、弯曲和冲击等性能的测试与分析。刮擦振动钎焊的方法,就是用火焰加热待焊端面,熔敷钎料,同时机械刮擦;冷却,将泡沫铝与上下两个面板同时对接,进行二次加热;再次冷却过程中施加振动作用,完全冷却后即得到了夹芯结构板。再次冷却阶段,不施加振动、施加机械振动及超声振动所得到的连接界面有所不同。机械刮擦能去除表面的氧化膜,形成毛细通道,使润湿铺展顺利进行。制备的夹芯三明治板,其铝板与泡沫铝的连接处,钎料与铝板结合致密,仅与泡沫铝的孔壁端面结合;再次冷却阶段无振动作用时,钎料未进入泡沫铝的孔隙中;机械振动时,钎料流布并填充进入孔隙中但填充不均匀;超声振动时,钎料流布并填充进入孔隙且填充均匀。制得夹芯结构板的连接处,钎料/铝板及钎料/泡沫铝孔壁端面结合处的组织由四个相区组成,而中心钎料处由三个相区组成。冷却阶段施加不同作用得到的界面组织相似,相的成分有所不同。拉剪试验表明,泡沫铝与铝板结合良好。泡沫铝与制备的夹芯结构板,压缩试验对应的应力-应变曲线都可分为三个阶段:弹性阶段、应力平台阶段和密实化阶段;吸能-应变曲线的斜率逐渐增大,表明吸能效率增大。夹芯结构板的三点弯曲试验,应力-应变曲线也由三个阶段组成,可由面板局部屈曲、芯体剪切失效和面板的凹陷及芯层密实的变化过程来解释。在三点弯曲与落锤冲击的试验中,夹芯结构板都表现出了比泡沫铝更为优异的性能,强度与能量吸收为泡沫铝的几倍甚至几十倍;试验后,夹芯结构整体未断裂,芯层破坏严重,界面连接依然良好。钎料在泡沫铝等多孔材料表面的润湿行为,受表面状态、钎料成分、孔隙率等因素的影响。对Zn-Al-Cu基合金在泡沫铝表面的润湿,可以建立倒“凹”状的润湿模型,并进行初步的推导计算。
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