一种波纹方管芯体夹层结构及其制备方法与流程

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种波纹方管芯体夹层结构及其制备方法，特别是一种具有多功能特性的复合材料。

背景技术：

超轻多孔金属材料是近些年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新型多功能材料。这类材料具有高孔隙率，其相应微结构按规则程度可分为无序和有序两大类，前者包括闭孔泡沫材料和开孔泡沫材料，而后者包括二维点阵材料(如波纹结构、蜂窝结构等)与三维桁架结构(如金字塔结构、X型结构等)。

近年来，将具有多功能特性的轻质点阵结构应用于工程设计越来越受到工程界的青睐，如热传导性能、抗冲击性能、抗爆炸性能等。针对点阵结构抗爆性能的研究中，弗吉尼亚大学Wadley教授团队提出一种以水平交错排布的直方管作为芯体的夹层结构，该结构具有制备工艺简单的特点，但由于方管结构管壁容易发生欧拉屈曲，导致其承载性能和吸能效率较低。基于以上原因，在直方管结构的基础上，本发明采用波纹方管代替直方管，既可继承直管结构制备简单的特点，又能提高其承载性能与吸能效率，同时进一步可强化该结构的传热性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种兼具力学承载性能(比强度、比刚度、比吸能)和热管理功能的多功能复合材料。通过用波纹方管取代直方管而获得具有多功能特性的波纹方管芯体夹层结构。

本发明采用以下技术方案：

一种波纹方管芯体夹层结构，包括上面板和下面板，所述上面板和下面板之间设置有波纹方管芯体，所述波纹通道芯体由多个中空的波纹方管相互平行排列组成。

进一步的，所述波纹方管的波纹形状为正弦波纹。

进一步的，所述上面板和下面板的厚度不同。

进一步的，所述上面板、下面板和波纹方管均由不锈钢、铝合金或钛合金材料中的任一种制成。

一种波纹方管芯体夹层结构的制备方法，包括以下步骤：

S1、按正弦波纹将直方管折弯制成波纹方管；

S2、将平整过的板材切割成上面板和下面板；

S3、清洗所述上面板、下面板及波纹方管，放入烘干机内烘干备用；

S4、将多个所述波纹方管相互平行组装成波纹方管芯体，固定备用；

S5、将步骤S4所述波纹方管芯体与步骤S3所述上面板、下面板连接制成波纹方管芯体夹层结构。

进一步的，步骤S1中，所述波纹方管截面为正方形截面或长方形截面。

进一步的，步骤S4中，所述波纹方管按1～2倍管壁间距平行组装为波纹方管芯体。

进一步的，步骤S4中，相邻所述波纹方管间相位差为0°～180°。

进一步的，所述步骤S5中，保持真空度10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升至550～1200℃，采用高温钎焊将所述上面板、波纹方管芯体和下面板制成所述波纹方管芯体夹层结构，保温10min～60min，缓冷至室温。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种波纹方管芯体夹层结构，由上面板、波纹方管芯体和下面板组成，通过使用波纹方管取代直方管而获得具有多功能特性的波纹方管芯体夹层结构，使其在过渡流为主导的通道流动热传导系数增强50％以上，该结构在直方管结构的基础上进一步提高比强度、比刚度和比吸能特性。

进一步的，正弦波纹方管可以在提高波纹方管芯体的流动传热特性的同时，提高夹层结构的抗压稳定性。

进一步的，在考虑某种特殊场合，如抗冲击或抗爆情况，采用上下面板不等厚设计可以进一步提高波纹方管芯体夹层结构的力学特性。

本发明还提供一种波纹方管芯体夹层结构制备方法，按正弦波纹将直方管折弯制成波纹方管，将切割的上面板、下面板和波纹方管经过烘干处理后，按照一定间距和相位差连接制成夹层结构，通过使用波纹方管取代直方管而获得具有多功能特性的波纹方管芯体夹层结构，由于方管状芯体与上下面板的接触面积可根据剪切性能需要进行设计，不需要在芯体上加工专门焊接平台，从而简化了加工工艺，该结构在直方管结构的基础上进一步提高比强度、比刚度和比吸能特性。

进一步的，通过改变波纹板条相位差可以控制不同流体的流动状态，达到最优流动传热系数，通过调整波纹方管间距可以改变波纹通道芯体相对密度，最大限度提高结构的力学性能。

进一步的，本发明采用真空钎焊技术进行上下面板和芯体的焊接，该方法操作简便、技术成熟，面板与芯体连接强度高。

综上所述，本发明的结构具有高比强度、高比刚度和优异的热传导特性，在航天航空、船舶、汽车、机械及土木工程领域具有广泛应用前景，尤其在具有热传导要求的承力结构中应用前景广阔。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明波纹方管芯体夹层结构的结构示意图；

图2为本发明波纹方管结构示意图。

其中：1.上面板；2.波纹方管；3.波纹方管芯体；4.下面板。

【具体实施方式】

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1和图2所示，本发明公开了一种波纹方管芯体夹层结构，包括上面板1和下面板4，所述上面板1和下面板4之间设置有波纹方管芯体3，所述波纹通道芯体3由多个波纹方管2相互平行组成。

其中，所述波纹方管的波纹形状为正弦波纹，上面板1和下面板4的厚度可以相同，也可以不相同，优选厚度不同。上面板1、下面板4和波纹方管2由不锈钢、铝合金或钛合金材料制成。

本发明还公开一种波纹方管芯体夹层结构制备方法，包括以下步骤：

S1、按正弦波纹将直方管折弯制成波纹方管；

所述波纹方管截面为正方形截面或长方形截面；

S2、将平整过的板材切割成上面板和下面板；

S3、清洗所述上面板、下面板及波纹方管，放入烘干机内烘干备用；

S4、将多个所述波纹方管相互平行组装成波纹方管芯体，固定备用；

所述波纹方管按1～2倍管壁间距平行组装为波纹方管芯体；相邻所述波纹方管间相位差为0°～180°；

S5、将步骤S4所述波纹方管芯体与步骤S3所述上面板、下面板连接制成波纹方管芯体夹层结构。

保持真空度10^-2～10^-3Pa，以1℃/min速度自室温升至550～1200℃，采用高温钎焊将所述上面板、波纹方管芯体和下面板制成所述波纹方管芯体夹层结构，保温10min～60min，缓冷至室温。

实施例一：

1)首先使用弯管机将1060铝合金直方管按规定要求制成正弦波纹方管；

2)将平整过的1060铝合金板材采用线切割技术切割成上面板和下面板；

3)将上面板、下面板及波纹方管清洗后去除油污和锈迹，放入烘干机内烘干备用；

4)将波纹方管按1倍管壁间距和90°相位差相互平行地组装形成波纹方管芯体，并用工装固定备用；

5)将波纹方管芯体与上下面板结合位置处均匀市售的铝钎焊膏，在烘箱中40～50℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到波纹方管芯体夹层板。

所述钎焊：真空度控制在10^-3Pa，以1℃/min速度自室温升至550～620℃保温10min～1h。

实施例二：

1)首先使用弯管机将TC4钛合金直方管按规定要求制成半圆波纹方管；

2)将平整过的TC4钛合金板材采用线切割技术切割成上面板和下面板；

3)将上面板、下面板及波纹方管清洗后去除油污和锈迹，放入烘干机内烘干备用；

4)将波纹方管按2倍管壁间距和180°相位差相互平行地组装形成波纹方管芯体，并用工装固定备用；

5)将波纹方管芯体与上面板和下面板相平行的面均匀涂抹Ag基钎焊膏，在烘箱中80℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到波纹方管芯体夹层板。

所述钎焊：真空度控制在10^-2Pa以上，以1℃/min速度自室温升至830-900℃保温10min，然后随炉冷却。

实施例三：

1)首先使用弯管机将304不锈钢直方管按规定要求制成半圆波纹方管；

2)将平整过的304不锈钢板材采用线切割技术切割成上面板和下面板；

3)将上面板、下面板及波纹方管清洗后去除油污和锈迹，放入烘干机内烘干备用；

4)将波纹方管按2倍管壁间距和180°相位差相互平行地组装形成波纹方管芯体，并用工装固定备用；

5)将波纹方管芯体与上面板和下面板相平行的面均匀涂抹Ni-Zr-P钎焊膏，在烘箱中80℃烘干，然后装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到波纹方管芯体夹层板。

所述钎焊：真空度控制在10^-3Pa以上，以1℃/min速度自室温升至1000-1200℃保温1小时，然后随炉冷却。

根据薄板稳定理论，波纹方管结构的特点在于将直管压缩边分成多个子边，每个子边由稳定的棱柱约束，大大增强了薄板的稳定性，从而提高了芯体材料的利用率。基于以上理论，波纹方管结构相对直管芯体具有较强的比强度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。