一种波纹通道芯体夹层结构及其制备方法与流程

本发明属于复合结构材料技术领域，具体涉及一种波纹通道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二维点阵芯体夹层结构材料。

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颖多功能材料。该类材料具有高孔隙率特征，其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结构(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)。

目前，二维点阵结构材料由于其制造工艺简单，力学性能优异等特点，在航天航空、船舶、汽车、机械及土木工程中被广泛应用。随着设备集成化和多功能化设计的发展，具有多功能特性的材料越来越受到工程界的青睐，传统的二维点阵材料力学性能优异，如蜂窝结构芯体，其压缩、弯曲等力学性能突出，但由于该芯体由相互交叉的腹板组成，芯体内部流体自由流动受到阻碍，不能实现主动散热功能。另外对于大规格蜂窝夹层结构若采用激光焊接，在面板上会形成交叉焊道，降低了面板的力学性能。传统的I型芯体虽具有开孔的通道，但其芯体结构易于发生屈曲破坏，因此其结构有待于改进。

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，提供一种兼顾力学性能和主动冷却功能的多功能复合结构材料，通过用波纹通道芯体取代I型芯体而获得具有更优力学、传热综合性能的波纹通道芯体夹层结构。

本发明采用以下技术方案：

一种波纹通道芯体夹层结构的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用冲压或滚压技术将平整的板材制成波纹板；

S2、将所述波纹板切割成波纹板条；

S3、将平整过的板材切割成上面板和下面板；

S4、去除步骤S2和S3所述上面板、下面板及波纹板条的油污和锈迹后，放入烘干机内烘干备用；

S5、将所述波纹板条相互平行组装成波纹通道芯体，固定备用；

S6、将步骤S5所述波纹通道芯体和步骤S4所述上面板、下面板连接制成波纹通道芯体夹层板。

进一步的，步骤S5中，所述波纹板条的相位差为0°～180°。

进一步的，步骤S5中，所述波纹板条的等效中性面间距为波纹板条厚的10～100倍度。

进一步的，步骤S5中，相邻所述波纹板条的等效中性面平行设置。

进一步的，所述步骤S6中，采用钎焊、激光焊或环氧胶进行连接制成所述通道芯体夹层板。

进一步的，所述钎焊保持真空度10^-2～10^-3Pa，以1℃/min速度自室温升至550～1200℃，保温10min～60min，缓冷至室温。

一种波纹通道芯体夹层结构制备方法制备的波纹通道芯体夹层结构，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通道芯体，所述波纹通道芯体由波纹板条相互平行组成。

进一步的，所述波纹板条的波纹形状包括正弦波纹、圆弧波纹、三角波纹、梯形波纹和矩形波纹。

进一步的，所述上面板、下面板和波纹通道芯体均由碳钢、不锈钢、纯铝、铝合金、镁合金、钛合金或复合材料中的任一种制备而成。

进一步的，所述上面板和下面板的厚度不同。

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通道芯体夹层结构制备方法，采用冲压或滚压技术将平整过的板材分别制成波纹板条、上面板和下面板，经过烘干处理后，将波纹板条平行设置组装成波纹通道芯体和上下面板一起制成波纹通道芯体夹层板，通过使用波纹通道芯体取代I型芯体而获得具有多功能特性的波纹通道芯体夹层结构，该结构在I型结构的基础上进一步提高其比强度、比刚度等力学特性，并使其在过渡流为主导的通道流动热传导系数增强50％以上，使其具有与蜂窝夹层结构相近的力学性能的同时兼具优异的主动冷却功能。

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。通过调整等效中性面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比强度和比刚度。

本发明还提供一种波纹通道芯体夹层结构，纹通道芯体夹层结构由上面板、波纹通道芯体和下面板组成，用波纹通道芯体取代I型芯体而获得具有多功能特性的二维点阵芯体夹层结构，该结构在比强度、比刚度等性能方面较I型结构提高20％以上，并使其在过渡流为主导的通道流动热传导系数增强50％以上，使其具有与蜂窝夹层结构相近的力学性能的同时兼具优异的主动冷却功能。

进一步的，根据不同应用场合和加工条件，波纹形状可以选择正弦波纹、圆弧波纹、三角波纹、梯形波纹或矩形波纹。

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通道三明治结构的力学特性。

综上所述，本发明夹层结构具有高比强度、高比刚度和优异的热传导特性，可以应用于航天航空、船舶、汽车、机械及土木工程领域，尤其在热管理要求的承力结构中具有广阔的应用前景。

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为本发明波纹通道芯体夹层结构的结构示意图；

图2为本发明波纹板的波纹形状示意图；

图3为本发明压缩实验结果图；

图4为本发明结构性能对比图。

其中：1.上面板；2.波纹板条；3.波纹通道芯体；4.下面板；5等效中性面。

【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，本发明一种波纹通道芯体夹层结构，包括上面板1和下面板4，上面板1和下面板4之间设置有波纹通道芯体3，波纹通道芯体3由波纹板条2相互平行组成。用波纹通道芯体取代I型芯体而获得具有多功能特性的二维点阵芯体夹层结构，该结构在比强度、比刚度等性能方面较I型结构提高20％以上，并使其在过渡流为主导的通道流动热传导系数增强50％以上，使其具有与蜂窝夹层结构相近的力学性能的同时兼具优异的主动冷却功能。

其中，波纹板条2的波纹形状包括正弦波纹、圆弧波纹、三角波纹、梯形波纹或矩形波纹。上面板1、下面板4和波纹通道芯体3由碳钢、不锈钢、纯铝、铝合金、镁合金、钛合金或复合材料制备而成。

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。

本发明一种波纹通道芯体夹层结构的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用冲压或滚压技术将平整的板材制成波纹板；

S2、将所述波纹板切割成波纹板条；

S3、将平整过的板材切割成上面板和下面板；

S4、去除步骤S2和S3所述上面板、下面板及波纹板条的油污和锈迹后，放入烘干机内烘干备用；

S5、将所述波纹板条相互平行组装成波纹通道芯体，固定备用；

所述波纹板条的相位差为0°～180°，所述波纹板条的等效中性面间距为波纹板条厚的10～100倍度。

S6、将步骤S5所述波纹通道芯体和步骤S4所述上面板、下面板连接制成波纹通道芯体夹层板。

相邻所述波纹板条的等效中性面相互平行，采用钎焊、激光焊或环氧胶进行连接制成所述通道芯体夹层板，钎焊保持真空度10^-2～10^-3Pa，以1℃/min速度自室温升至550～1200℃，保温10min～60min，缓冷至室温。

实施例1

1)首先将平整过的钛合金板材采用冲压技术制成正弦波形的波纹板；

2)然后采用线切割技术将波纹板按要求切割成波纹板条2；

3)将平整过的钛合金板材采用线切割技术切割成等厚度的上面板1和下面板4；

4)将上面板1、下面板4及波纹板条2放入超声波清洗机中清洗，放入40～50℃的烘箱内烘干备用；

5)将波纹板条2按规10倍腹板厚度的间距和90°相位差相互平行地组装形成波纹通道芯体3，并用工装固定备用；

6)将波纹通道芯体3与上下面板4连接位置处均匀涂抹市售的Ti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通道芯体夹层板。

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2：

1)首先将平整过的1060纯铝板采用滚压技术制成三角形的波纹板；

2)然后采用线切割技术将波纹板按要求切割成波纹板条2；

3)将平整过的1060纯铝板采用线切割技术切割成等厚度的上面板1和下面板4；

4)将上面板1、下面板4及波纹板条2采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，放入40～50℃的烘箱内烘干备用；

5)将波纹板条2按规20倍腹板厚度的间距和180°相位差相互平行地组装形成波纹通道芯体3，并用工装固定备用；

6)将波纹通道芯体3与上下面板4连接位置处均匀涂覆市售的铝钎焊膏，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通道芯体夹层板。

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，然后随炉冷却。

实施例3：

1)首先将平整过的不锈钢板采用冲压技术制成梯形的波纹板；

2)然后采用线切割技术将波纹板按要求切割成波纹板条2；

3)将平整过的不锈钢板采用线切割技术切割成等厚度的上面板1和下面板4；

4)将上面板1、下面板4及波纹板条2采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，放入40～50℃的烘箱内烘干备用；

5)将波纹板条2按规50倍腹板厚度的间距和0°相位差相互平行地组装形成波纹通道芯体3，并用工装固定备用；

6)将处理好的上面板1盖在波纹通道芯体3上方，调整位置后，通过试焊确定激光器位置和高度，根据波纹形状编制激光器行走程序，根据面板和芯体厚度确定激光功率和焊接速度。焊接过程中焊接芯体板的顺序是从中间交替向两边焊接。

整面焊接完成后，将面板上下翻转固定后，将下面板4盖在芯体板上，重复以上操作，完成下面板4和芯体的焊接，最终得到波纹通道芯体夹层板。

实施例4：

1)首先将平整过的不锈钢板采用冲压技术制成梯形的波纹板；

2)然后采用线切割技术将波纹板按要求切割成波纹板条2；

3)将平整过的不锈钢板采用线切割技术切割成等厚度的上面板1和下面板4；

4)将上面板1、下面板4及波纹板条2采用金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，放入40～50℃的烘箱内烘干备用；

5)将波纹板条2按规100倍腹板厚度的间距和0°相位差相互平行地组装形成波纹通道芯体3，并用工装固定备用；

6)将处理好的上面板1盖在波纹通道芯体3上方，调整位置后，通过试焊确定激光器位置和高度，根据波纹形状编制激光器行走程序，根据面板和芯体厚度确定激光功率和焊接速度，焊接过程中焊接芯体板的顺序是从中间交替向两边焊接。

整面焊接完成后，将面板上下翻转固定后，将下面板4盖在芯体板上，重复以上操作，完成下面板4和芯体的焊接，最终得到波纹通道芯体夹层板。

请参阅图3所示，波纹通道芯体夹层结构的面外压缩性能与现有点阵芯体结构的压缩性能相似。整个压缩过程分为3个阶段，1)线弹性压缩过程，随着压应变的增加，压应力线性增长；2)非线性弹性阶段，该阶段从图示的2点开始，到3号点终止，压应力随着压应变的增大而非线性增长；3)软化阶段，经过峰值点3后，压应力随压应变增大而降低。本次实验选取4中不同相对密度的结构样件，从图中可见，压应力峰值和等效弹性模量随着相对密度的增大而增大。

请参阅图4所示，绘制出不同类型芯体结构外面压缩性能与相对密度的关系，横坐标表示为结构芯体的相对密度，纵坐标表示为结构强度的无量纲强度值，可以判断：在相对密度相同的情况，波纹通道芯体夹层结构的面外压缩性能远远超过传统波纹结构。

图4中的外面压缩性能用无量纲的压缩强度表示，该参数越接近1，表明结构基体材料的利用率越高，材料效率越高。从图中可以看出蜂窝结构芯体在相对密度位于0.03～0.1这个区间范围内具有非常高的材料利用率。相对密度小于0.03的情况下，波纹通道芯体的无量纲强度最大，材料利用率最大。另外从图中可以看出，波纹通道芯体的外面压缩性能远远大于传统波纹芯体结构。因此，在低密度区，本发明结构具有优异的比强度。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。