本發(fā)明涉及一種金屬-泡沫填充材料復(fù)合材料，具體涉及一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板及其制備方法。
背景技術(shù)：
：泡沫鋁和PVC泡沫等泡沫材料具有高孔隙率，是一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料，在爆炸沖擊載荷下有良好的緩沖吸能特性，但其橫向抗剪強(qiáng)度和承載能力較弱，不適合單獨(dú)作為承載結(jié)構(gòu)。而鋼制波紋夾層板剛度和承載能力較高，但波紋芯層的支撐強(qiáng)度較低，芯層壁板容易發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)，不能充分發(fā)揮波紋夾層板的沖擊吸能效應(yīng)。將泡沫材料填充至波紋夾層板芯層的孔隙中，形成雜交夾層板，能夠給芯層壁板提供側(cè)向支撐，提高芯層壁板的壓潰強(qiáng)度。這種雜交夾層板能將兩種材料的性能進(jìn)行綜合互補(bǔ)，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的多功能化。目前的雜交夾層板通常為全填充，即在芯層的所有孔隙中塞滿(mǎn)泡沫填充材料。在進(jìn)行防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡可能減小夾層板下面板的塑性變形。而在一定的爆炸沖擊載荷下，由于泡沫填充材料對(duì)上、下面板及波紋芯層的連續(xù)支撐，上面板獲得的速度和動(dòng)能減小，通過(guò)泡沫填充材料傳遞到下面板的沖量增大，使下面板的速度和動(dòng)能增大，導(dǎo)致下面板的塑性變形增大。最終上面板的吸能量減少，波紋芯層通過(guò)壓縮變形和塑性失穩(wěn)吸收的能量減少，下面板的吸能量增加。同時(shí)，由于芯層所有的孔隙中均塞滿(mǎn)泡沫填充材料，當(dāng)泡沫材料密度較大時(shí)，填充所帶來(lái)的重量增量較為明顯，且遠(yuǎn)離中心區(qū)域的泡沫填充材料對(duì)結(jié)構(gòu)的吸能貢獻(xiàn)不大，導(dǎo)致填充的增益有所下降。如何使泡沫材料和金屬材料二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高雜交夾層板的防護(hù)性能，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)的重量，提高雜交夾層板的比吸能，是本發(fā)明要解決的問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于解決波紋芯層壁板的側(cè)向支撐強(qiáng)度和壓潰強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，提供一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板，增強(qiáng)芯層壁板的動(dòng)力穩(wěn)定性，提高夾層板的抗沖擊能力和比吸能。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板，包括：上面板、波紋芯層、泡沫填充材料、以及下面板，波紋芯層位于上面板和下面板之間；泡沫填充材料制成柱狀，其橫截面形狀尺寸與波紋芯層的孔隙形狀尺寸相匹配；在波紋芯層靠近上面板一側(cè)的所有孔隙中均塞滿(mǎn)泡沫填充材料，或者在波紋芯層靠近下面板一側(cè)的所有孔隙中塞滿(mǎn)泡沫填充材料。進(jìn)一步地，波紋芯層的孔隙為梯形棱柱狀；泡沫填充材料制成梯形棱柱狀，其橫截面形狀尺寸與波紋芯層的孔隙形狀尺寸相匹配。進(jìn)一步地，上面板、下面板和波紋芯層的材料為304不銹鋼。進(jìn)一步地，泡沫填充材料為泡沫鋁、PVC泡沫或聚氨酯泡沫。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板的制備方法，包括以下步驟：(1)采用激光切割技術(shù)將金屬板材切割成上下面板；(2)采用模壓、折疊技術(shù)將金屬板材制成波紋芯層；(3)采用激光焊接技術(shù)將波紋芯層和上下面板連接起來(lái)，形成金屬夾層板；(4)將泡沫材料加工成棱柱形狀的泡沫填充材料，其橫截面形狀尺寸與波紋芯層中孔隙的空間形狀尺寸相匹配；(5)將泡沫填充材料插入金屬夾層板波紋芯層的孔隙中進(jìn)行填充，將靠近上面板一側(cè)的孔隙全部塞滿(mǎn)，或者將靠近下面板一側(cè)的孔隙全部塞滿(mǎn)，形成半填充波紋雜交夾層板。進(jìn)一步地，波紋芯層的孔隙為梯形棱柱狀，步驟(3)將上面板和下面板分別與波紋芯層兩側(cè)的孔隙梯形上底焊接。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：泡沫填充材料一方面能通過(guò)自身的壓潰變形吸收沖擊能量，另一方面能提供支撐剛度的貢獻(xiàn)，其對(duì)波紋芯層壁板的側(cè)向支撐有利于提高芯層壁板的壓潰強(qiáng)度和動(dòng)力失穩(wěn)臨界載荷，使面板和波紋芯層的局部屈曲性能得以改善，能有效減小面板的塑性變形，兩種材料的耦合提高了夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。由于泡沫材料只填滿(mǎn)了波紋芯層一半的孔隙，由此帶來(lái)的重量增量并不明顯，提高了填充的增益和夾層結(jié)構(gòu)的比吸能。同時(shí)，這種半填充波紋雜交夾層板結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，易于制備且制備耗材較少。附圖說(shuō)明圖1為波紋夾層板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為梯形棱柱狀泡沫填充材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為靠上面板一側(cè)芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為靠下面板一側(cè)芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為半填充波紋雜交夾層板制備工藝流程圖。其中：1.上面板，2.波紋芯層，3.下面板，4.泡沫填充材料。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。如圖3和圖4所示是本發(fā)明半填充波紋雜交夾層板的結(jié)構(gòu)示意圖，為了進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容和特點(diǎn)，下面結(jié)合附圖5及實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施案例1：1)首先，采用模壓、折疊技術(shù)將304不銹鋼板材制成波紋芯層，再用電火花線(xiàn)切割(EDM)方法切割成設(shè)計(jì)尺寸，面內(nèi)尺寸長(zhǎng)300mm，寬288mm，將304不銹鋼板材采用激光切割技術(shù)制成上、下面板，其面內(nèi)尺寸長(zhǎng)452mm，寬440mm，將制成的波紋芯層和面板清洗去除加工過(guò)程中殘留的油污，采用激光焊接技術(shù)連接起來(lái)，制成無(wú)填充的波紋夾層板；2)然后，根據(jù)波紋芯層孔隙的尺寸，將泡沫材料板材用切割機(jī)切割成與孔隙尺寸相匹配的梯形棱柱；3)最后，將梯形棱柱狀的泡沫材料填充到所有靠近上面板一側(cè)的波紋芯層孔隙中，得到半填充波紋雜交夾層板。實(shí)施案例2：1)首先，采用模壓、折疊技術(shù)將304不銹鋼板材制成波紋芯層，再用電火花線(xiàn)切割(EDM)方法切割成設(shè)計(jì)尺寸，面內(nèi)尺寸長(zhǎng)300mm，寬288mm，將304不銹鋼板材采用激光切割技術(shù)制成上、下面板，其面內(nèi)尺寸長(zhǎng)452mm，寬440mm，將制成的波紋芯層和面板清洗去除加工過(guò)程中殘留的油污，采用激光焊接技術(shù)連接起來(lái)，制成無(wú)填充的波紋夾層板；2)然后，根據(jù)波紋芯層孔隙的尺寸，將泡沫材料板材用切割機(jī)切割成與孔隙尺寸相匹配的梯形棱柱；3)最后，將梯形棱柱狀的泡沫材料填充到所有靠近下面板一側(cè)的波紋芯層孔隙中，得到半填充波紋雜交夾層板。采用下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果：試件編號(hào)TP-1和TP-2為全填充波紋雜交夾層板，由上面板、波紋芯層、泡沫填充材料和下面板構(gòu)成，其中上面板厚度為1.38mm，芯層厚度為0.7mm，下面板厚度為1.38mm，材料均為304不銹鋼，泡沫填充材料密度為0.25g/cm3,材料為PVC泡沫材料。試件編號(hào)TP-3和TP-4為靠上面板一側(cè)芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板，由上面板、波紋芯層、泡沫填充材料和下面板構(gòu)成，其中上面板厚度為1.38mm，芯層厚度為0.7mm，下面板厚度為1.38mm，材料均為304不銹鋼，泡沫填充材料密度為0.25g/cm3,材料為PVC泡沫材料。試件編號(hào)TP-5和TP-6為靠下面板一側(cè)芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板，由上面板、波紋芯層、泡沫填充材料和下面板構(gòu)成，其中上面板厚度為1.38mm，芯層厚度為0.7mm，下面板厚度為1.38mm，材料均為304不銹鋼，泡沫填充材料密度為0.25g/cm3,材料為PVC泡沫材料。將本實(shí)驗(yàn)中的試件進(jìn)行空中爆炸實(shí)驗(yàn)，其中編號(hào)為T(mén)P-1、TP-3和TP-5的試件爆炸距離為50mm，編號(hào)為T(mén)P-2、TP-4和TP-6的試件爆炸距離為100mm。實(shí)驗(yàn)在海軍工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的爆炸筒中完成，在爆炸實(shí)驗(yàn)中直接采用TNT炸藥引爆后產(chǎn)生的高強(qiáng)度沖擊波進(jìn)行加載。實(shí)驗(yàn)中采用的TNT炸藥為圓柱體形狀，裝藥密度約為1.61g/cm3，爆速為6.95×103m/s，爆熱為6.74×106kJ/m3，裝藥重量為55g，對(duì)應(yīng)直徑R＝35.0mm，高度h＝37.2mm。各夾層板的重量統(tǒng)計(jì)如表1所示。表1試件編號(hào)TP-1TP-2TP-3TP-4TP-5TP-6試件總重量/kg5.025.084.954.944.904.88實(shí)驗(yàn)后夾層板上、下面板中心最大變形值以及結(jié)構(gòu)總的吸能量如表2所示。表2試件編號(hào)TP-1TP-2TP-3TP-4TP-5TP-6上面板最大撓度/mm38.2422.5139.9925.93-28.22下面板最大撓度/mm30.9511.7029.4015.50-14.24結(jié)構(gòu)總的吸能量/kJ2.361.362.361.392.381.65結(jié)構(gòu)抗沖擊性能改善的兩個(gè)重要指標(biāo)是結(jié)構(gòu)最大變形極小化和能量吸收最大化。通過(guò)對(duì)夾層板中心凹陷深度的測(cè)量可獲得夾層板結(jié)構(gòu)上下面板的變形情況，通過(guò)有限元計(jì)算可獲得結(jié)構(gòu)總的吸能量，表2為試件各個(gè)面板變形值實(shí)測(cè)值以及各試件總吸能量的數(shù)值結(jié)果。當(dāng)爆距為50mm時(shí)，試件TP-1和TP-3上下面板均產(chǎn)生塑性大變形，TP-5上下面板中心區(qū)域產(chǎn)生破口，而各試件總的吸能量基本一致，TP-3的結(jié)構(gòu)總重量和下面板中心最大撓度值均小于TP-1，因此若以下面板中心最大撓度值為衡量標(biāo)準(zhǔn)，靠上面板一側(cè)芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板抗爆性能最好，相比較全填充波紋雜交夾層板塑性變形降低5％，同時(shí)重量還減輕1.4％。當(dāng)爆距為100mm時(shí)，各試件上、下面板均產(chǎn)生塑性大變形，其中，TP-6結(jié)構(gòu)總重量最小，而總的吸能量最多，結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量的吸能比最大，因此若以結(jié)構(gòu)的吸能比為衡量標(biāo)準(zhǔn)，靠下面板一側(cè)芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板抗爆性能最好，相比較全填充波紋雜交夾層板吸能量增加21.3％，并且重量減輕2.8％。綜上所述，由于泡沫填充材料的支撐，波紋芯層的側(cè)向失穩(wěn)現(xiàn)象減少，芯層壁板的失穩(wěn)波長(zhǎng)減小，而泡沫填充材料主要產(chǎn)生壓縮大變形，吸收了較多的能量，證明了半填充波紋雜交夾層板有著良好的沖擊防護(hù)性能，可作為一種新型的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮吸能作用。在實(shí)際應(yīng)用中，建議根據(jù)具體的載荷工況和功能需求，選用合適的半填充雜交夾層板結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3