金屬蜂窩芯的制備方法

　　金屬蜂窩芯材的制備方法有展開法、壓力粘接成形法、壓力釬焊成形法。

　　(1) 展開法：由印刷機(jī)（或手工）將芯條膠涂在金屬箔上形成膠條，相鄰兩層涂有膠條的金屬箔應(yīng)使膠條錯開，即上一層紙的膠條位置正好在下一層紙張的相鄰兩膠條的中間。以這種方法相互粘接在一起的金屬箔形成一塊蜂窩芯子板，待其中的膠粘劑充分固化，再將蜂窩芯子切成一條條具有所要求高度的蜂窩芯子條，然后將蜂窩芯子拉伸展開，再將其浸滯定形膠固化后即成定形蜂窩芯子。

　　(2) 壓力粘接成形法：首先在波形模具上，按手糊或模壓成形工藝制成半六角形的波紋板，然后用粘接劑粘成芯子。壓力成形法制成的蜂窩芯子，其蜂格尺寸正確，可制任何規(guī)格的蜂窩芯子。但需要大量模具，生產(chǎn)效率低，所以很少使用。

　　(3) 壓力釬焊成形法：日本山口進(jìn)吾等于1994年研制出用釬焊方法來制造蜂窩芯。其制造過程即將裁成一定寬度的板條按半正六角形的形狀進(jìn)行波紋加工，以形成蜂窩。再用上下兩塊板將蜂窩芯夾緊，用夾具固定后，采用激光點(diǎn)焊機(jī)在平行面上接觸點(diǎn)焊而成。

　　對于金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)來說，面板與芯子如何連接是非常重要的，就目前來說，有五種連接方式，下面分別加以介紹：

　　(1) 膠接法：膠接法是把金屬面和芯子用熱固化膠在連續(xù)成形機(jī)內(nèi)加熱加壓復(fù)合而成的建筑板材。膠接是目前人們較為關(guān)注的連接方法，連接過程中復(fù)合板不承受外加熱循環(huán)，但連接前需進(jìn)行表面預(yù)處理。

　　(2) 釬焊法：釬焊是材料連接的又一種方法。和其它焊接技術(shù)一樣，均能使材料間的連接形成不可拆卸的冶金結(jié)合。材料釬焊連接時，一般是以搭接形式裝配，接頭間保持很小的間隙，選用比母材熔點(diǎn)低的填充材料，在低于母材熔點(diǎn)、高于釬料熔點(diǎn)的溫度下，借助熔化釬料填滿母材間的間隙，并通過釬料與母材的相互作用，冷卻凝固成牢固的接頭。

　　(3) 縫焊法：縫焊是指焊件裝配成搭接或?qū)咏宇^并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓焊件并轉(zhuǎn)動，連續(xù)或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫的電阻焊方法。

　　(4) 激光焊接法：激光焊是利用高能量技術(shù)的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到各發(fā)達(dá)國家的重視，并應(yīng)用于航空、航天、汽車制造、電子、輕工等領(lǐng)域。

　　(5) 界面瞬間液相擴(kuò)散軋制連接法：界面瞬間液相擴(kuò)散軋制連接是利用過渡液相（Transient Liquid Phase--TLP）連接方法的原理使板材與金屬芯材形成良好的大面積冶金結(jié)合的復(fù)合方法。TLP連接是一種應(yīng)用于許多合金系統(tǒng)的連接方法。其原理是在母材與中間層之間形成低熔點(diǎn)液相，然后通過溶質(zhì)原子的擴(kuò)散發(fā)生等溫凝固，形成組織均勻的焊縫接頭。對于使用在金屬熱防護(hù)系統(tǒng)中的金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)來說，目前多采用真空釬焊的方法連接面板與芯子，增加其強(qiáng)度，有效避免了脫膠等問題。

　　金屬蜂窩板的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　國外在上個世紀(jì)六十年代開始將蜂窩板應(yīng)用于建筑、車船、家具等領(lǐng)域，國內(nèi)直到1990年左右才開始轉(zhuǎn)向民用，目前，蜂窩板主要用在以下幾個方面：

　　(1) 飛機(jī). 用蜂窩板制造的機(jī)翼、水平機(jī)翼以及民機(jī)的座艙、貨艙地板、艙門隔板等有效地減輕了飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，提高了活動件操縱的敏感性。如：俄羅斯將Nomex蜂窩作芯材組成的夾層結(jié)構(gòu)件用作安-124運(yùn)輸機(jī)的貨艙、圖-204的發(fā)動機(jī)短艙和垂尾。我國的直九機(jī)采用由Nomex蜂窩組成的夾層結(jié)構(gòu)件也達(dá)280多個，單機(jī)Nomex蜂窩用量260m2，占整機(jī)覆蓋面積的50%左右。

　　(2) 火車內(nèi)飾. 蜂窩板可用來制造高速列車特別是輕軌、地鐵車輛內(nèi)飾板如控制面板、艙壁、天花板墊板、行李架、廁所單元、盟洗室、地板、四角門和隔離艙門以及外部構(gòu)件如車頂、前端、護(hù)板、整個車體等。最高速度達(dá)300km/h的世界上最高速車輛-500系“希望號”，其側(cè)面及底架部采用了釬焊鋁蜂窩板，其結(jié)果，獲得了質(zhì)量輕、耐高壓、高剛性的車體結(jié)構(gòu)，降低了車輛在高速運(yùn)行中車箱內(nèi)外的噪聲。國內(nèi)長春客車廠于1990年在25A型客車上采用了鋁蜂窩復(fù)合板結(jié)構(gòu)。據(jù)了解，深圳的第一輛地鐵機(jī)車車輛天花板、地板及車廂兩側(cè)的隔板采用了從德國引進(jìn)的熱塑性膠粘劑連續(xù)復(fù)合的鋁蜂窩板。我國正在開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地鐵列車的車頂也將采用鋁蜂窩板。

　　(3) 船舶. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)件分別比傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、FRP)制造的對應(yīng)構(gòu)件輕50%和75%。可用來制作快速渡輪的船殼和艙壁及賽艇的輕質(zhì)桅桿。如美國海軍采用了由Nomex蜂窩與鋁或FRP面板構(gòu)成的蜂窩板作艙壁以減少船重，改善船的靈活性和穩(wěn)定性。國內(nèi)也開始將鋁蜂窩板和紙蜂窩板用在船舶上。

　　(4) 汽車. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在汽車上己經(jīng)有了較多應(yīng)用，大部分是用于車身外蒙皮、車身結(jié)構(gòu)、車架結(jié)構(gòu)、保險杠、座椅、車門等處。如用PP蜂窩結(jié)構(gòu)和玻纖增強(qiáng)熱塑性面板材料復(fù)合而成的蜂窩板設(shè)計(jì)轎車的行李后擱板、承重地板等，可以產(chǎn)生非常大的損傷容限。用環(huán)氧系粘結(jié)劑將紙蜂窩芯與上下兩層防銹鋼板復(fù)合形成蜂窩板用作汽車地板和車頂襯里，具有較好的吸聲性能。日本許多概念車的底板采用了鋁蜂窩板，以減輕車重和增加車體剛性。

　　(5) 建筑. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域有較多應(yīng)用，如制作大型商場、地鐵站、會議室的天花板，賓館、銀行的屏風(fēng)、隔斷以及高層建筑的外墻裝飾板等。既美觀，又可以大大減輕地震導(dǎo)致的人員傷亡和財產(chǎn)損失。國內(nèi)鋁蜂窩板和紙蜂窩板也逐漸開始應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。如上海飛翼幕墻有限公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂膠接式飛冀鋁蜂窩幕墻板已用于東方明珠電視塔和上海兒童博物館球幕電影廳。由國內(nèi)某集團(tuán)生產(chǎn)的熱塑性膠粘劑連續(xù)復(fù)合的蜂窩鋁板已應(yīng)用于香港地鐵站臺裝修和候車亭、廣告牌等。

　　(6) 能源. (a)蓄能：金屬蜂窩具有優(yōu)良的吸光性能。就正六邊形的空心柱體蜂格而言，蜂格的透光率對于平行光可達(dá)到97%以上，對于不平行的光線，蜂格壁可以將不垂直蜂窩平面的大部分光線遮擋，如果在蜂窩的單面貼以面板，則蜂窩便具有良好的吸光性能。由于蜂格壁可以遮擋大部分陽光，使光線的多次反射都在蜂格壁上進(jìn)行，因此光線幾乎全被蜂窩吸收，如果蜂窩是黑色的，蜂窩的吸光性能將接近絕對黑體。利用蜂窩的吸光性能，可以制造蜂窩結(jié)構(gòu)太陽能集熱板。在這種集熱板中，隔熱層采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩芯可使用隔熱性能較好的紙蜂窩，內(nèi)、外面板可使用較薄的金屬板，面板與芯子之間用膠粘劑粘接。吸光蜂窩使用導(dǎo)熱性能較好的金屬蜂窩芯，玻璃板與吸光蜂窩之間用透明膠粘接，導(dǎo)熱板與吸光蜂窩之間用導(dǎo)熱膠粘接。這種蜂窩集熱板具有效率高、整體性強(qiáng)和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。金屬蜂窩還可開發(fā)應(yīng)用于太陽能熱水器水箱、太陽能收集器、太陽能電池等，也可用于地?zé)嵩吹拈_采和應(yīng)用等。(b)隔熱：利用金屬蜂窩的高孔隙率和耐高溫、耐溫度變化、抗氧化性能，可用其制作隔熱材料。蜂窩本身并不具有隔熱性能，但是蜂窩夾層板(金屬板-蜂窩-金屬板)卻具有良好的隔熱性能。在常用的蜂窩夾層板的蜂窩芯中，實(shí)體材料的體積僅占1%-3%，其余空間內(nèi)是處于密封狀態(tài)的空氣，由于空氣的隔熱性能優(yōu)于任何固體材料，所以蜂窩夾層板具有良好的隔熱性能。隔熱材料可廣泛應(yīng)用于航空航天器(如火箭發(fā)動機(jī)噴注器等)、消防器具外殼、消防機(jī)器人外殼、熱機(jī)外殼、鍋爐外殼等。(c)散熱：當(dāng)通孔金屬蜂窩處于高熱能流體之中時，由于其大的比表面積和復(fù)雜的三維流動，使之具有較高的散熱能力。自然對流條件下，在一定范圍內(nèi)增大孔徑和孔隙率可增大對流換熱能力，強(qiáng)迫對流可顯著提高換熱能力。多層蜂窩結(jié)構(gòu)已被廣泛用作聲學(xué)裝置和緊湊換熱器，可廣泛應(yīng)用于汽車等發(fā)動機(jī)散熱器、換熱器等。

　　(7)化工. 利用金屬蜂窩的高比表面積、高孔隙率、流體可透過性與可選擇性等特點(diǎn)，在化工領(lǐng)域(制成的金屬蜂窩，可以在化肥、制藥、水處理、有機(jī)化工、食品等行業(yè)的液-液分離，固-液分離，氣-固分離等工藝中發(fā)揮積極的作用)將會有潛在的廣闊應(yīng)用空間。例如將之應(yīng)用在填充床，將大大提高流體傳熱傳質(zhì)性能。一般來說，在蜂窩顆粒固定填充床中流體流速不是太高，傳質(zhì)模式為對流傳質(zhì)和分子擴(kuò)散；填充床容器壁面與床內(nèi)蜂窩顆粒層之間，傳熱模式為導(dǎo)熱、對流、熱輻射(高溫)等。作為具有極強(qiáng)生命力的新興功能材料結(jié)構(gòu)，金屬蜂窩將會廣泛應(yīng)用于化工分離領(lǐng)域、高效催化劑載體、高效電池電極、反應(yīng)塔填料、熱管吸液芯等。

　　鎂合金蜂窩板的軌道車輛應(yīng)用前景

　　軌道車輛是軌道交通運(yùn)輸裝備中的核心設(shè)備，特別是客運(yùn)車輛在安全、正點(diǎn)、便捷等一系列要求下，技術(shù)含量高、設(shè)計(jì)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，是軌道交通運(yùn)輸裝備中的技術(shù)制高點(diǎn)。我國經(jīng)過近十年的高速發(fā)展，業(yè)已形成了以高速客運(yùn)專線網(wǎng)為骨干、支線鐵路、地方區(qū)域鐵路、城際高速鐵路、城軌鐵路（地鐵和輕軌等）為支撐的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，其后數(shù)十年內(nèi)，必將形成更加完善、密集、國土覆蓋面比例更大的國家軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)，大大促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的全面健康發(fā)展。

　　以動車組列車為代表的客運(yùn)列車，除了結(jié)構(gòu)要求外，需要艙內(nèi)具有良好的乘坐條件。如恒溫、恒濕、隔聲、隔振、絕緣，而且既能拒絕外來電磁場的輻射，圖15為900900mm蜂窩板實(shí)物。注意該蜂窩板采用了鋁合金的蜂窩芯。

　　

　　大規(guī)格鎂合金蜂窩板照片

　　又能發(fā)射內(nèi)部無線通訊信號功能。因此，車底板、車頂板、側(cè)墻板、端墻板、車門、臥鋪、儀器儀表艙等均采用夾層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)中，最具有強(qiáng)度、效能優(yōu)勢的就是金屬蜂窩板。圖15為新一代動車組全鎂合金臥鋪：框架、懸掛機(jī)構(gòu)采用鎂合金擠壓型材和鍛造件，鋪板采用鎂合金蜂窩板。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單張臥鋪減重約9公斤，僅僅臥鋪本身，一趟動臥就可減重3900公斤。如果按照全鎂合金臥鋪單元設(shè)計(jì)，則可實(shí)現(xiàn)減重約4500-5000公斤。

　　除此以外，客運(yùn)車輛的車體為空心設(shè)計(jì)，車體組裝單元如圖16所示。這種設(shè)計(jì)除了增加車體強(qiáng)度和剛度外，仍舊希望達(dá)到隔聲、隔熱等物理功能效果。

　　

　　

　　 車體組裝單元（上：車頂板；下：頭車錐部）

　　鎂合金蜂窩板其他應(yīng)用

　　當(dāng)前的風(fēng)電扇葉清一色是玻璃鋼產(chǎn)品，具有重量大、易于損傷和斷裂、無法回收和廢棄物為限制級的污染物，需要新材料來代替。

　　鎂合金蜂窩板是一種通用結(jié)構(gòu)，除了軌道車輛應(yīng)用外，飛機(jī)、汽車（客車）、船舶、風(fēng)力發(fā)電（能源）等領(lǐng)域皆有主要用途。圖17為作者設(shè)計(jì)的鎂合金風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇扇葉。

　　該設(shè)計(jì)師通過鎂合金骨架，外覆蓋鎂合金版制成的蒙皮，成為像飛機(jī)機(jī)翼一樣的風(fēng)能結(jié)構(gòu)，可以大幅度減輕重量。