一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板及其制备方法与流程

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板及其制备方法。

背景技术：

超轻多孔材料是近些年来随着材料制备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，具有结构功能一体化的特性。其芯体具有高孔隙率，按照其微结构规则程度的不同，可大致分为无序和有序两大类，前者包括泡沫化材料(如金属泡沫、有机泡沫、陶瓷泡沫、植物纤维泡沫)，后者主要包括二维点阵结构(如蜂窝结构、波纹板结构、全三角形结构)和三维桁架结构(如四面体结构、金字塔结构、方形直杆结构)。其中，空心圆管点阵桁架结构在各种加载条件下是公认的最优结构之一，具备空心圆管点阵拓扑结构的轻质多孔材料由于其对弹塑性屈曲的良好抵抗能力，使其较等效实心点阵桁架结构呈现出更为优异的压缩性能。

由于泡沫材料微观结构的复杂性，其在制备过程中难免会产生如胞壁弯曲、缺失、孔径不均匀、超大及不规则空隙等诸多缺陷，这对其力学性能会产生很大的影响，表现为压缩平台应力的降低，使得其承载能力严重受到制约。点阵结构由一系列规则单胞结构按一定拓扑规律周期排列形成，结构承载时主要为芯体杆件产生轴向变形，故其承载能力显著高于泡沫材料，然而当其达到峰值应力时，由于芯体杆件单元的局部屈曲或整体屈曲变形，结构的承载能力迅速大幅度下降甚至丧失。将二者复合，可以实现两种材料优势性能的整合，弥补各自力学性能的不足，从而获得力学性能大幅提升的新型复合结构。

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，提供一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板及其制备方法，将泡沫材料与空心圆管金字塔点阵结构复合在一起，使其同时具有优异的承载、抗屈曲和能量吸收的特点。

本发明采用以下技术方案：

一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板，包括上面板和下面板，在上面板和下面板之间设置有芯子；芯子包括多个金字塔点阵结构单胞；每个金字塔点阵结构单胞包括多个空心倾斜圆管和多个实心倾斜泡沫柱。

具体的，上面板和下面板均为双层面板，上面板包括第一实心板和第一圆孔板，下面板包括第二实心板和第二圆孔板。

进一步的，第一圆孔板和第二圆孔板上均开有孔口倾斜的圆孔。

更进一步的，第一圆孔板和第二圆孔板上的圆孔均周期排列。

更进一步的，圆孔的孔口倾斜角度为30～60°。

进一步的，每个空心倾斜圆管的两端分别插入对应的第一圆孔板和第二圆孔板内；每个实心倾斜泡沫柱的一端插入对应的空心倾斜圆管内。

具体的，每个金字塔点阵结构单胞包括四个空心倾斜圆管和四个实心倾斜泡沫柱。

进一步的，空心倾斜圆管和实心倾斜泡沫柱的管口倾斜角度为30～60°，管径为15～40mm。

本发明的另一个技术方案是，一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板的制备方法，先将空心倾斜圆管倾斜插入上面板和下面板中的第一圆孔板和第二圆孔板内，并真空钎焊或激光焊接；再将实心倾斜泡沫柱倾斜插入空心圆管内，实心倾斜泡沫柱与空心倾斜圆管之间采用胶接连接；最后通过激光焊接或胶粘方式，在第一圆孔板和第二圆孔板外部对应连接第一实心板和第二实心板，得到泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板。

具体的，步骤如下：

s1、切割两块金属板并在金属板上开设周期排列的倾斜圆孔，制备得第一圆孔板和第二圆孔板，切割两块与第一圆孔板和第二圆孔板同尺寸的实心板制备得到第一实心板和第二实心板；

s2、切割制备空心倾斜圆管，用线切割技术/热电阻丝线切割技术将块状泡沫铝/pmi泡沫切割成与空心圆管内径相匹配的实心倾斜泡沫柱；

s3、将步骤s2制备的空心倾斜圆管两端分别插入第一圆孔板和第二圆孔板中，并在空心倾斜圆管与第一圆孔板和第二圆孔板的面板接触处进行真空钎焊或激光焊接，真空钎焊的真空度为10^-2～10^-3pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h后冷却至室温；

s4、将铸工胶a胶及b加热至软化，以1：1的比例混合后均匀涂于实心倾斜泡沫柱的表面及空心倾斜圆管的内壁，将实心倾斜泡沫柱沿第一圆孔板中的圆孔插入空心倾斜圆管中，在60℃的恒温条件下固化2～3小时；

s5、采用激光焊接或胶粘方式，将第一实心板与第一圆孔板连接起来，将第二实心板与第二圆孔板连接起来，得到泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板，由多个金字塔点阵结构单胞组成芯子设置在上面板和下面板之间，每个金字塔点阵结构单胞包括空心倾斜圆管和实心倾斜泡沫柱；芯子中每一根空心倾斜圆管插入上面板和下面板中的带倾斜圆孔板；芯子中每一根实心倾斜泡沫柱插入空心倾斜圆管内，在面外压缩和面内剪切载荷作用下，由于泡沫填充物与芯体管件之间的接触耦合作用，改变了结构的变形模式，使得该泡沫填充空心圆管金字塔复合结构的力学性能较空心金字塔点阵结构有显著提升。在面外压缩载荷作用下，泡沫填充空心圆管金字塔复合结构的峰值应力较对应的空心金字塔点阵结构提升了45.2％，能量吸收提升约100％。在面内剪切载荷作用下，泡沫填充空心圆管金字塔复合结构的峰值应力较对应的空心金字塔点阵结构提升了41.7％，能量吸收提升约80％

进一步的，上面板和下面板均为双层面板，外侧为实心板，内侧板上均开有倾斜的圆孔，便于芯体金字塔管件的嵌入，有利于芯体金字塔管件与面板的连接。

进一步的，圆孔周期排列形成周期结构，便于发挥结构的最佳优势。

本发明还公开了一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板制备方法，使得泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板结构具有极强的可设计性，灵活性强，在保持面板质量不变的前提下，有效提升面板的承载能力，简化了制备步骤，节省人力和时间。综上所述，本发明实现空心圆管金字塔点阵结构与泡沫材料的复合制备，具有承载、抗屈曲和能量吸收能力强的特点，在交通运输、高端装备及国防军事领域具有广泛应用前景。

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为本发明的泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板结构示意图；

图2为本发明pmi泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板、空心圆管金字塔点阵夹芯板及pmi泡沫金字塔结构在面外压缩载荷下的应力-应变曲线图；

图3为本发明pmi泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板、空心圆管金字塔点阵夹芯板及pmi泡沫金字塔结构在面内剪切载荷下的应力-应变曲线图。

其中：1.第一实心板；2.第一圆孔板；3.第二圆孔板；4.第二实心板；5.空心圆管；6.泡沫柱。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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，本发明提供了一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板，包括上面板、下面板和芯子；芯子设置在上面板和下面板之间；由多个金字塔点阵结构单胞组成；每个金字塔点阵结构单胞包括多个的空心倾斜圆管5和实心倾斜泡沫柱6，空心倾斜圆管5和实心倾斜泡沫柱6均倾斜设置。

上面板为双层面板，由第一实心板1和第一圆孔板2组成；下面板为双层面板，由第二实心板4和第二圆孔板3组成；第一圆孔板2和第二圆孔板3上均开有孔口倾斜的圆孔，孔口的倾斜角度为30～60°，且圆孔在第一圆孔板2和第二圆孔板3上均周期排列。

空心倾斜圆管5和实心倾斜泡沫柱6分别为四个，空心倾斜圆管5和实心倾斜泡沫柱6的管口倾斜角度为30～60°，管径为15～40mm。

芯子中金字塔点阵结构单胞中空心倾斜圆管5的两端分别插入对应的第一圆孔板2和第二圆孔板3内；芯子中每个金字塔点阵结构单胞中的实心倾斜泡沫柱6均插入对应的空心倾斜圆管5内。

第一实心板1、第一圆孔板2、第二实心板3、第二圆孔板4、空心倾斜圆管5采用铝合金、钛合金或不锈钢制成；实心倾斜泡沫柱6采用泡沫铝或pmi泡沫制成。

本发明一种泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板的制备方法，先将空心倾斜圆管插入上面板和下面板中的带倾斜圆孔板并进行真空钎焊或激光焊接；再将实心倾斜泡沫柱插入空心倾斜圆管内，泡沫与圆管之间采用胶接连接；最后通过激光焊接或胶粘方式，在上、下带倾斜圆孔板外部连接实心板，得到泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板，具体步骤如下：

s1、切割两块金属板并在事先计算好的位置处打周期排列的倾斜圆孔制备得带倾斜圆孔板2和带倾斜圆孔板3，切割两块与带倾斜圆孔板2和带倾斜圆孔板3同尺寸的实心板制备得实心板1和实心板4；

s2、用数控切割机切割得到得空心倾斜圆管5，用线切割技术/热电阻丝线切割技术将块状泡沫铝/pmi泡沫切割成与空心圆管内径相匹配的实心倾斜泡沫柱6；

s3、将空心倾斜圆管5插入带倾斜圆孔板2和带倾斜圆孔板3中，并在圆管与面板接触处进行真空钎焊或激光焊接；

s4、将铸工胶a胶及b胶置于101-3型电热鼓风干燥箱中加热至软化，以1:1比例混合，并均匀涂于实心倾斜泡沫柱6表面及空心倾斜圆管5内壁，将实心倾斜泡沫柱6沿带倾斜圆孔板2中的孔插入空心倾斜圆管5中，置于电热鼓风干燥箱中，在60℃的恒温下固化2小时；

s5、采用激光焊接或胶粘方式，将实心板1与带倾斜圆孔板2连接起来，将实心板3与带倾斜圆孔板4连接起来，得到泡沫填充空心圆管金字塔点阵夹芯板。

所述真空钎焊方式，以不锈钢材为例，真空度为10^-2～10^-3pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h后冷却至室温。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)切割4块厚度2mm、边长100mm的2024-t3铝合金正方形板。其中两块方板为第一实心板1和第二实心板4；在另外两块方板上根据事先计算好的位置切割出45°倾斜圆孔(每块板各4个倾斜圆孔)，得到带倾斜圆孔的第一圆孔板2和第二圆孔板3；

(2)用数控切割机切割得到2024-t3铝合金制空心倾斜圆管5，管径为25mm，管口倾斜角为45°，用热电阻丝线切割技术将块状pmi泡沫切割成与空心圆管内径相匹配的实心倾斜泡沫柱6；

(3)将2024-t3铝合金制空心倾斜圆管5插入带倾斜圆孔的第一圆孔板2和第二圆孔板3中，并在圆管与面板接触处进行激光焊接；

(4)将铸工胶a胶及b胶置于101-3型电热鼓风干燥箱中加热至软化，以1:1比例混合，并均匀涂于实心倾斜pmi泡沫柱6表面及2024-t3铝合金制空心倾斜圆管5内壁，将实心倾斜泡沫柱6沿带倾斜圆孔的第一圆孔板2中的孔插入空心倾斜圆管5中，置于电热鼓风干燥箱中，在60℃的恒温下固化2小时；

(5)采用胶粘方式，将2024-t3铝合金第一实心板1与带倾斜圆孔的第二圆孔板2连接起来，将2024-t3铝合金第二实心板4与带倾斜圆孔的第二圆孔板3连接起来，得到pmi泡沫填充2024-t3铝合金空心圆管金字塔点阵夹芯板。

实施例2

(1)切割4块厚度2mm、边长100mm的304不锈钢正方形板。其中两块方板为第一实心板1和第二实心板4；在另外两块方板上根据事先计算好的位置切割出60°倾斜圆孔(每块板各4个倾斜圆孔)，得到带倾斜圆孔的第一圆孔板2和第二圆孔板3；

(2)用数控切割机切割得到304不锈钢制空心倾斜圆管5，管径为25mm，管口倾斜角为60°，用热电阻丝线切割技术将块状pmi泡沫切割成与空心圆管内径相匹配的实心倾斜泡沫柱6；

(3)将304不锈钢制空心倾斜圆管5插入带倾斜圆孔的第一圆孔板2和第二圆孔板3中，并在圆管与面板接触处进行激光焊接；

(4)将铸工胶a胶及b胶置于101-3型电热鼓风干燥箱中加热至软化，以1:1比例混合，并均匀涂于pmi实心倾斜泡沫柱6表面及304不锈钢制空心倾斜圆管5内壁，将实心倾斜泡沫柱6沿带倾斜圆孔的第一圆孔板2中的孔插入空心倾斜圆管5中，置于电热鼓风干燥箱中，在60℃的恒温下固化2小时；

(5)采用胶粘方式，将304不锈钢第一实心板1与带倾斜圆孔的第一圆孔板2连接起来，将304不锈钢第二实心板4与带倾斜圆孔的第二圆孔板3连接起来，得到pmi泡沫填充304不锈钢空心圆管金字塔点阵夹芯板。

实施例3

(1)切割4块厚度2mm、边长100mm的304不锈钢正方形板。其中两块方板为第一实心板1和第二实心板4；在另外两块方板上根据事先计算好的位置切割出45°倾斜圆孔(每块板各4个倾斜圆孔)，得到带倾斜圆孔的第一圆孔板2和第二圆孔板3；

(2)用数控切割机切割得到304不锈钢制空心倾斜圆管5，管径为40mm，管口倾斜角为45°，用热电阻丝线切割技术将块状闭孔泡沫铝切割成与空心圆管内径相匹配的实心倾斜泡沫柱6；

(3)将304不锈钢制空心倾斜圆管5插入带倾斜圆孔的第一圆孔板2和第二圆孔板3中，并通过真空钎焊连接圆管与带倾斜圆孔板；

(4)将铸工胶a胶及b胶置于101-3型电热鼓风干燥箱中加热至软化，以1:1比例混合，并均匀涂于实心倾斜闭孔泡沫铝柱6表面及304不锈钢制空心倾斜圆管5内壁，将实心倾斜泡沫柱6沿带倾斜圆孔的第一圆孔板2中的孔插入空心倾斜圆管5中，置于电热鼓风干燥箱中，在60℃的恒温下固化2小时；

(5)采用激光焊接方式，将304不锈钢第一实心板1与带倾斜圆孔的第一圆孔板2连接起来，将304不锈钢第二实心板4与带倾斜圆孔的第二圆孔板3连接起来，得到闭孔泡沫铝填充304不锈钢空心圆管金字塔点阵夹芯板。

实施例4

(1)切割4块厚度2mm、边长100mm的2024-t3铝合金正方形板。其中两块方板为第一实心板1和第二实心板4；在另外两块方板上根据事先计算好的位置切割出30°倾斜圆孔(每块板各4个倾斜圆孔)，得到带倾斜圆孔的第一圆孔板2和第二圆孔板3；

(2)用数控切割机切割得到2024-t3铝合金制空心圆管5，管径为15mm，管口倾斜角为30°，用热电阻丝线切割技术将块状pmi泡沫切割成与空心圆管内径相匹配的实心倾斜泡沫柱6；

(3)将2024-t3铝合金制空心倾斜圆管5插入第一圆孔板2和第二圆孔板3中，并在圆管与面板接触处进行激光焊接；

(4)将铸工胶a胶及b胶置于101-3型电热鼓风干燥箱中加热至软化，以1:1比例混合，并均匀涂于pmi实心倾斜泡沫柱6表面及2024-t3铝合金制空心倾斜圆管5内壁，将实心倾斜泡沫柱6沿带倾斜圆孔的第一圆孔板2中的孔插入空心倾斜圆管5中，置于电热鼓风干燥箱中，在60℃的恒温下固化3小时；

(5)采用胶粘方式，将2024-t3铝合金第一实心板1与带倾斜圆孔的第一圆孔板2连接起来，将2024-t3铝合金第二实心板4与第二圆孔板3连接起来，得到pmi泡沫填充2024-t3铝合金空心圆管金字塔点阵夹芯板。

请参阅图2，阴影部分表示空心圆管金字塔点阵夹芯板和pmi泡沫金字塔结构在面外压缩下的耦合增强效应，极大幅度提升了压缩承载和能量吸收。

请参阅图3，阴影部分表示空心圆管金字塔点阵夹芯板和pmi泡沫金字塔结构在面内剪切下的耦合增强效应，极大幅度提升了剪切承载和能量吸收。

根据以上实施例获得的泡沫填充圆管金字塔夹芯版，该结构可同时发挥泡沫材料在能量吸收方面的优势和金字塔点阵结构中薄壁金属管件在强度方面的优势。在准静态压缩和剪切工况下，泡沫填充物的引入，对芯体有强化作用同时改变了结构的压溃模式，从而大幅增加了结构的压缩强度和单位质量能量吸收。

经研究分析发现，在面外压缩和面内剪切载荷作用下，由于泡沫填充物与芯体管件之间的接触耦合作用，改变了结构的变形模式，使得该泡沫填充空心圆管金字塔复合结构的力学性能较对应的空心金字塔点阵结构有显著提升。在面外压缩载荷作用下，泡沫填充空心圆管金字塔复合结构的峰值应力较对应的空心金字塔点阵结构提升了45.2％，能量吸收提升约100％。在面内剪切载荷作用下，泡沫填充空心圆管金字塔复合结构的峰值应力较对应的空心金字塔点阵结构提升了41.7％，能量吸收提升约80％。

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。