新型夹芯板结构复合材料

作者：HEINZ PALKOWSKI

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 新材料，新工艺是今天创新性产品研制开发的关键。轻金属材料的使用，尤其是在汽车工业领域和运输业中的使用，因生态的、环保的和法律法规的原因在最近几年中得到了长足的发展。研发轻金属材料的目的是：开发新的材料，优化轻金属材料的应用，以及研发新的不提高生产成本和生产时间的新工艺、新方法。 为了使目前所使用材料的应用进一步扩展、进一步深化，首先是进行试验，寻求在不增加生产费用的前提下，提高传统材料承载性能的方法。除了所生产产品的特性以外，产品的环保性能，即可回收再利用和有利于环保的性能也越来越重要。新材料研发过程中，也越来越多的考虑了产品的可回收性能和使用周期内的费用问题。 新型的奥氏体钢板和聚合物芯的夹芯板结构，就是一种新型复合材料。对这种复合夹芯板材料各层的附着能力以及变形加工的能力进行研究有着重要的意义。 使用性能数据决定了技术的发展 今天，技术的发展与进步，例如在汽车工业中技术的发展与进步是由汽车的使用性能决定的（降低燃油消耗，提高车辆的安全性能和舒适性能，提高改进车辆的动态性能）；同时，这些技术还应遵守法律法规的有关规定。例如，可回收再利用性，降低有害物质排放，以及降低生产成本。而合理的材料选择首先有利于减少汽车的重量（从而减少燃油消耗与排放），有利于提高汽车的性能。虽然目前在汽车工业中，钢、铁等黑色金属仍然是汽车制造中大量使用的金属材料，但是总的趋势是在不断的减少。因为铝、锰以及塑料材料在汽车制造中的用量在不断增加。但是高强度钢和高弹性模量的钢材品种在轻结构汽车设计中也不是一下子就可以被取代的，因为这些钢材与铝、锰材料相比，有着更低的价格，更好的变形加工性能，更高的强度和很好的可回收利用性能。 在更加有效的利用钢材方面，研制使用高强度，高锰含量的奥氏体钢，可以达到相当于优质钢的机械性能，但生产成本更低。在这种奥氏体钢的应用中，合成钢板或夹芯钢板可以满足高性能现代化材料的要求。 奥氏体钢研发的一个基本方向是在汽车工业中轻结构设计中的应用，而在这种轻结构设计中，夹芯奥氏体钢板（多层复合板，Composites，复合材料）的应用呈上升趋势。这种材料的优点是：将几种不同材料的好处集于一身（例如很小的密度，很高的弯曲强度，隔音减震，吸收能量）。 夹芯材料的开发重点 夹芯钢板适用于多种不同的工业领域，例如在汽车制造领域中（用作发动机舱盖，车内地板），在房屋建筑中用作车库门的生产或使用在仪器仪表生产领域中和化学工业中。 在AIF和DFG研究开发框架的要求中，对不同夹芯材料制造的奥氏体夹芯合成钢板的加工性能进行了测试，弹性的塑料夹芯置于由X2CrNiMoTi17-12-2(1.4404) 和X6CrNiMoTi17-12-2(1.4571)0.5mm厚的合金钢板之中，被夹在两层合金钢板之中的复合材料厚度也为0.5mm，一种由PP和PE混合物加上白垩和碳黑而成的异分子共聚物。加入白垩和碳黑是为了成本低廉的生产这种聚合夹芯，异分子共聚物是由多种不同的基本化工原料（分子链）组成的，经过材料性能的调整，例如：分子间很好的链接性能，提高夹芯材料与奥氏体钢板之间的附着性能等等。在进行夹芯板的粘接时，使用的是双元环氧合成树脂。为了保证粘接的持久性，保证每次粘接具有相同的粘接效果，必须保证粘接剂有合适的温度：254℃±2℃，必须在规定的粘接剂凉干时间内完成粘接。因此，一般采用循环加热炉来控制温度，保证夹芯板的粘接质量。通过机械的（磨削等）、化学的（腐蚀等）、和物理的（Corona-低压等离子法和火焰加热）表面处理技术可以提高夹芯板的附助能力。经Corona预处理后，聚合夹芯的抗裂性能在DIN 53281标准规定的拉伸，剪切试验中会有很大的提高，由原来的7.48 N/mm提高了2.9倍，达到了20.53 N/mm。 在其他的材料试验中，对聚合颗粒制成的纤维增强的夹芯板进行了材料性能试验。夹芯材料的种类较多，有0.5mm厚的和0.8mm厚的两种尺寸。夹芯的材料有玻璃纤维增强的聚丙烯，玻璃纤维增强的聚酰胺和含滑石粉的聚丙烯，还有在90℃时织成的玻璃纤维织物Polyropylenmatrix。这些夹芯材料的生产制造是在实验室的条件下进行的，所用的设备为带冷却系统的实验室热压机，工作温度为220，260和300℃，工作压力为445KN/mm2。由于聚酰胺材料的夹芯在开始试验时出现了气泡，因此在后续的试验中进行了80℃温度下的12h干燥处理。为了获得最佳的附着力数据，试验时采用了3种不同的粘接材料。 从260℃开始（PA颗粒的熔点温度）PA以及PP材料的夹芯中出现明显的材料流动，0.5mm厚的优质钢板X2CrNiMoTi17-12-2(1.4404)是夹芯板的钢质外层，在材料性能试验的基础上对夹芯板的制造温度、夹芯材料、附着剂和夹芯厚度等参数进行了优化。经深冲压（DIN ENISO 20482）试验后，对夹芯板横截面的厚度进行了检测。 深冲压试验和拉伸性能试验 合成夹芯钢板的深冲压性能和拉伸性能是通过深冲压试验来确定的。试验是在室温条件下进行的，无任何润滑剂，顶杆直径为33mm。 压紧合成夹芯板的压力在整个试验过程中保持恒定不变。试验结果表明，所有采用颗粒夹芯的合成夹芯板材料可到达的深冲压深度几乎一致，而采用聚酰胺织物的Polymer-Matrix (90o) 则未能达到25.1mm，其原因是：具有固定织物结构的夹芯层没有聚酯纤维增强颗粒夹芯的膨胀性能和变形加工性能好。 拉伸性能的试验是通过深冲压后试件的几何尺寸而补充计算出来的。96mm见方的深冲压样件在电－液控制的深冲压机床上被2400KN的压紧力压实后进行试验的。在研究项目的范围之内，还对合成材料夹芯板进行圆筒辊轧试验，卷筒试验所使用的标准是DIN 8586 ，这是一种自由面的弯曲成型试验方法。轧辊将合成夹芯板弯曲变形所需的力传递给夹芯板，在轧辊与夹芯层外层摩擦力的作用下，按照一定的进给速度，逐渐将平整的合成夹芯板卷绕成圆筒状，圆筒直径的大小取决于3根轧辊之间的相对位置。 合成夹芯板其3层的结构形式，由于中间夹芯较软，有着与两侧外层钢板不同的变形加工性能。因此它的整体变形加工性能也与均质材料不同。在弯曲力矩的作用下，夹芯和粘接剂受到了剪应力的作用，合成夹芯板的几何中性线位于聚合膜材料层中，当在弹性变形应力的作用下，两侧的钢板一层受拉伸，另一侧受挤压。由于塑料材料的弹性模量E比金属材料的要少的多，因此夹芯板的回弹力要比钢的小很多。当剪切力大到一定数值后，粘接层被破坏，整个合成夹芯板失败。 在研究规划的框架内，其他的研究单位还应该进行不同的连接技术试验。这些连接技术的研究内容包括：不同的连接方法、不同的几何尺寸、搭接与对接的比较、所使用的附助材料、法兰连接等等。各种连接试验的几何参数均在激光焊接，激光钎焊连接设备中完成，当然也包括搭接和粘接。在复合连接技术的基础上，即合成夹芯板采用搭接形式进行连接，同时内层钢板之间采用粘接，外层钢板之间采用焊接的复合连接技术，制成了（图4 b）所示的合成夹芯管。从而使合成夹芯材料可以用于传送介质的管道件生产，并因其可焊接性能使它可以用于大批量生产和复合件的生产制造中。 新材料研发的必要性 研制开发新的合适的材料、金属合成材料，例如Composite金属复合结构材料、聚合材料和陶瓷材料、天然纤维合成材料等等，使之与不断变化的法律法规和生态规定相适应，在科学技术的研究与开发中有着重要的意义，发挥着重要的作用。在新材料研究与开发的初期，应特别重视有关环保和材料的回收再利用。我们所介绍的合成夹芯材料中，在两层钢板之间使用天然纤维材料可能是提高合成材料最佳途径的一种尝试。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/20/2005)