泡沫铝合金如何解锁车用铝合金?
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发布日期:2017-10-11
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这年头,一说汽车黑科技少不了谈轻量化。一谈轻量化,大家言必称铝合金。一说铝合金,连它的来路也都跟邻家小李子一样被人摸的门儿清:不就是利用冲压工艺制作铝合金板材、利用铸造工艺制作铸铝件么?Too young。还有很多方法解锁铝合金哦,譬如——泡沫铝。泡沫铝如何解锁车用铝合金?泡沫铝历史在汽车圈,有这样一种材料。它像泡沫一样,孔隙率大、比表面积高、阻尼减震强;又像金属一样,比强度高..........
这年头,一说汽车黑科技少不了谈轻量化。一谈轻量化,大家言必称铝合金。一说铝合金,连它的来路也都跟邻家小李子一样被人摸的门儿清:不就是利用冲压工艺制作铝合金板材、利用铸造工艺制作铸铝件么?
 
Too young。还有很多方法解锁铝合金哦,譬如——泡沫铝。
 
泡沫铝如何解锁车用铝合金?
 
泡沫铝历史
 
在汽车圈,有这样一种材料。它像泡沫一样,孔隙率大、比表面积高、阻尼减震强;又像金属一样,比强度高、比刚度高、耐高温、质量还轻,简直是造车者的梦中情人。
 
但你并不是在做梦。早在20世纪40年代后期,美国就率先研究这种材料,并于1951年科学家Elliot率先成功生产出泡沫铝。
 
泡沫铝是一种在铝基体中包含无数个气泡的轻质多孔金属材料,它同时兼有金属相气泡特征,是一种具有广泛应用前景的物理功能材料。
 
主要结构特点
 
(1)孔结构可调。可分为两种情况:一种是具有独立孔洞结构,分散的气泡或空心的颗粒分布在金属基体中(有人称之为海绵铝);另一种是具有贯通的孔洞结构(有人称之为蜂窝铝)。
 
(2)孔径较大。变化范围为0.1——10.0mm(一般粉末冶海多孔金属孔径径不大于0.3mm)。
 
(3)空洞率高。变化范围为40%——90%(一般粉末冶金多孔金属空洞率不大于30%)。
 
(4)密度小。变化范圈为0.2——0.9/cm3(仅为同体积铝的1/10——1/3)。
 
然而这种材料在发泡工艺、泡的大小和均匀性上很难控制,生产难度很大,当时并没有得到大范围使用,且在此后40多年里泡沫铝的制造和应用一直处在停滞状态。直到80年代末,日本九州工业技术研究所改善了泡沫铝的生产技术,国际上再次兴起了关于泡沫铝材料的开发热潮。
 
那场在1999年德国不来梅举行的第一届世界泡沫金属学会议,堪称泡沫铝腾飞的里程碑事件。此后泡沫铝就真正意义上从幕后走向了台前,工业化程度也越来越高,再也不是实验室里无人问津的科研材料了。
 
主要性能特点
 
高阻尼减震性能及冲击能量吸收率:阻尼性能为金属铝的5-10倍。孔隙率为84%的泡沫铝发生50%变型时,可吸收2.5MJ/M3C以上的能量。
 
良好的声学功能:1、隔声性能(闭孔):声波频率上800-4000HZ之间时,闭孔泡沫铝的隔声系数达0.9以上。2、吸声性能(微通孔和通孔):声波频率在125——4000HZ之间时,通孔泡沫铝的吸声系数最大可达0.8,其倍频程平均吸声系数超过0.4。
 
优良的电磁屏蔽性能:电磁波频率在2.6-18GHZ之间时,泡沫铝的电磁屏蔽量可达60-90dB。
 
良好的热学性能:通孔泡沫铝由于其孔洞相互连通,在强制对流条件下具有良好的散热性。不燃烧且有较好的耐热性。耐腐蚀性、耐候性好,低吸湿,不老化,无毒性。
 
易加工:切割、钻孔、胶结方便;经模压可弯曲成所需形状;能用有机或无机漆进行表面处理;可以两面蒙皮,构成大尺寸的轻质、高刚度板。
 
易安装:泡沫铝材料可以被安装在高处而无需机械起重设备,如:天花顶棚、墙壁和屋顶等,可以采用机械方法或直接用螺钉连接和固定,也可以用粘接剂粘贴在墙或天花板上。
 
金属薄板——泡沫铝——金属薄板形成的“三明治”结构继承了泡沫铝的优异性能,并具有很高的抗弯强度,可用作新型建材、机车车辆的高刚度结构件等。
 
泡沫铝制备方法
 
泡沫铝制备工艺有20多种,涉及的领域非常广,但对于汽车工业来说,泡沫铝价格并不低廉,加工工艺也比较复杂,各种制备工艺的稳定性和再现性都不是很高,孔结构的不均匀问题也还没有得到彻底解决。
 
泡沫铝制备主要为凝固法、烧结法、沉积法等,其中溶体发泡法相对简单,孔隙可控,成本较低,比较适合规模化生产大规格的泡沫铝材料。
 
泡沫铝在汽车工业中的运用
 
由于泡沫铝具有轻质、高比强度、高比刚度、阻尼减震、吸声隔热、电池屏蔽等特点,在航空航天、高速芯片,建筑材料中均有所应用,近些年这种材料又逐渐进入汽车领域。
 
泡沫铝经典应用之一就是泡沫铝夹层结构,由于综合了泡沫铝和金属板件的性能,这种结构强度较好,刚度提高2倍以上,阻尼、防撞能力提高3倍以上,且同比质量大大降低。
 
OME公司曾经设计过一款汽车,底盘采用了泡沫铝三明治板结构,这种材料使用后,在同种结构下可以减低25%的重量。
 
据报道,如果将泡沫铝零件代替传统的汽车铸件,在零件强度不变的情况下,质量可以减轻50%以上。
 
此前,BMW曾联合澳大利亚轻金属性能研讨中心(LKR),研发了一种泡沫铝结构的发动机支架,在强化车架刚度,提高构架稳定性的同时还能耗散机械振荡和热能。
 
而德国卡曼汽车公司则采用三明治式复合泡沫铝材来制造吉雅轿车(Ghiaroadster)的顶盖板,在质量下降25%的同时,刚度比原来的钢构件大7倍左右,真可谓一石二鸟。
 
泡沫铝作为吸能缓冲结构存在时,多是应用在吸能盒、门梁结构、保险杠中,能够达到缓冲吸能的目的。例如用泡沫铝作夹芯制作轿车保险杠,具有吸收撞击动能的功能,由于回弹率很小(小于3%),可以有效避免二次碰撞伤害。
 
我们再详细聊聊大家比较陌生的几项:
 
吸能盒
 
这种填充结构吸能能力,大于吸能盒与泡沫铝单独吸收能量之和,而且由于泡沫铝的各向同性,在偏置碰撞中也能获得很好的能量吸收。
 
随着人们安全意识的提高,行人安全概念也逐渐成形。而这种结构能够完全吸收掉车辆以15Km/h速度撞击的所有能量,正能对行人安全起到保护作用。
 
NVH
 
吸热隔音上,泡沫铝也能起到立竿见影的功效。比如它就被使用在了客车消音器中。
 
客车泡沫消音器,泡沫铝吸声板经过耐火处理,可以适用在近600℃的尾气温度。降噪效果为阻抗型消声内芯、并联共振式消声内芯消声器的2——3倍,重量减轻1/3左右。
 
此外,用泡沫铝材料制作轿车地板、间隔、车门夹心板等也能达到隔音、隔震的效果。
 
顶盖
 
汽车顶盖作为汽车上最大面积的覆盖件,如何综合重量和强度的要求一直让厂家头疼。采用泡沫铝夹心板,厚度仅为2mm左右,刚度为钢板顶棚的7倍,重量还能减轻50%以上。
 
对未来的预期
 
当然了,看似完美的东西总归有着让人无奈的缺点,现阶段来说,泡沫铝的优点与高成本相比并不占优势。
 
未来,单独的泡沫铝结构在汽车上的使用可能会遇到瓶颈,但如果将这种材料和其他材料如金属、高分子等进行结合或许是种启发。
 
比如将泡沫铝和铝合金或碳纤维复合材料等结合,可以一定程度上缓解碳纤维材料成本高、脆性大,易断裂的缺点,同时又能获得良好的隔热静音、耐高温性能。
 
反过来也是一样的,将碳纤维作为辅材应用于泡沫铝中,提高泡沫铝本身的性能也是大有前景。现在已经出现了一些关于碳纤维增强铝基泡沫材料的研究,实验效果也说明其在保持泡沫铝原有功能的基础上,进一步提高了材料的物理性能,最终获得高吸能、阻尼减震、孔壁韧性较好的泡沫铝材料。
 
如何获得更好的三明治结构,加强泡沫铝和其他材料之间的结合力,强化各材料的性能特点,或者是寻求出一种新的结构,如多层的夹层结构等也不失为一种比较好的选择。
 
总之,尽管泡沫铝的研究已经比较深入,在其他工业中得到了多方面的应用,但是对于汽车工业来说,它还远远没有达到完全成熟的地步,目前也仅在一些汽车零部件上使用,但作为一种性能优良的材料,它的应用远远不止如此,将来泡沫铝和多种材料之间的结合会是一种趋势。
 
小结:
 
泡沫铝作为一种性能优良的材料,在汽车领域的地位应该更高,在铝合金大行其道的现代汽车工业中,它应该得到更多的重视。解决其成本和单一性,找到更好的结构和材料复合方法,或许是这种材料的新发展方向。
 
 
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