泡沫鋁三明治夾層復(fù)合材料的性能特點

　　

　　相較于普通鋼制或鋁制控制臂，這種三明治復(fù)合材料具有更好的抗沖擊和抗彎曲性能。泡沫鋁的芯層使得其更適用于承受彎曲應(yīng)力的部件，金屬外殼提供了較好的抗沖擊性。這種三明治復(fù)合材料讓承受復(fù)雜載荷部件實現(xiàn)輕量化設(shè)計成為可能。

　　

　　作為德國政府“多功能輕量化結(jié)構(gòu)的技術(shù)融合”項目MERGE卓越集群（Federal Cluster of Excellence MERGE）中的A、B、C子項目，研究者們通過夾層的結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功開發(fā)了泡沫金屬基的輕量化夾層材料。該部件的成功開發(fā)依賴于多種材料技術(shù)的融合。由于涉及包括金屬、塑料、發(fā)泡材料在內(nèi)的多種材料，材料性能的差異使得其間的連接較難實現(xiàn)。因此，各種材料的復(fù)合順序以及各半成品間的連接技術(shù)成為該研究中的重大難點。

　　

　　在MERGE卓越集群項目中，這種復(fù)合材料分別被用于制作車輪盤、車頂橫梁以及控制臂（如下圖1）。與普通的纖維增強復(fù)合材料相比，泡沫鋁芯層的加入使得新材料具有更高的容損性和抗失效性能。特別是對于控制臂這樣的承載部件，不會發(fā)生突然失效，且其損傷在表面可以輕易發(fā)現(xiàn)，便于及時更換。工藝方面，由于控制臂呈雙彎曲的幾何形狀，因此，其在制造時不能像輪盤一樣直接采用泡沫鋁作為基材，而是需要嵌入金屬嵌件，從而實現(xiàn)零件的功能。

 

　　

　　多材料復(fù)合層板的制造過程

　　

　　研究者們先嘗試采用多種纖維增強復(fù)合材料和薄鋁板制作了一種獨特的混合層壓材料，如圖2所示。纖維增強復(fù)合材料基體保證了足夠的強度和剛性，減輕了部件重量，并提升了耐疲勞性能。而鋁合金外殼則提供了優(yōu)異的抗沖擊性和延展性。

　　

　　鋁合金外殼可以保護(hù)纖維增強復(fù)合材料不吸收水分，隔離外界環(huán)境影響，提升耐腐蝕性。金屬表層可實現(xiàn)切割、鉆孔等機(jī)械加工。同時，金屬表面也可以進(jìn)行更好的涂裝修飾。在纖維增強復(fù)合材料中，不僅有碳纖維增復(fù)合材料，還加入了玻纖增強復(fù)合材料層。一方面是為了避免碳纖維與鋁合金直接接觸發(fā)生電腐蝕，另一方面可減少由于不同楊氏模量和熱膨脹系數(shù)的材料復(fù)合所產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力。

　　

　　研究人員先將鋁合金覆蓋層通過施壓進(jìn)行預(yù)成型，然后通過機(jī)械噴砂和火焰處理，增加其表面粗糙度，用以提升其與塑料復(fù)合材料的結(jié)合強度。隨后將干燥后的纖維基半成品與鋁合金殼體一起放入模具中加熱、加壓、成型。加熱使得纖維基復(fù)合材料表面熔融，加壓，與鋁合金殼體充分結(jié)合，再冷卻定型。

　　

　　泡沫鋁芯層材料

　　

　　由于具有泡孔結(jié)構(gòu)，金屬泡沫材料具有低密度、高強度、良好的吸能性以及良好的阻尼性能，是較為理想的輕量化材料。泡沫鋁的工藝難點在于發(fā)泡過程的控制，特別是用作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件時，既需要成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還需要保證足夠的強度。與發(fā)泡塑料相比，泡沫鋁具有高剛性、高強度以及高穩(wěn)定性，更適合作為高承載結(jié)構(gòu)件的芯材。

　　

　　泡沫鋁具有網(wǎng)狀的泡沫結(jié)構(gòu)，適用于覆蓋層的壓縮成型。表面的閉合泡孔結(jié)構(gòu)適用于覆蓋層的壓縮成型。通過材料體積和泡沫設(shè)計密度計算出基體材料的質(zhì)量，然后放入模具成型。

　　

　　同時，由于鋁具有較高的熱膨脹系數(shù)，在設(shè)計時需要通過縮放泡沫模具以避免泡沫材料冷卻期間鋁殼體的收縮。

　　

　　在脫模過程中需要考慮模具對泡沫組織的破壞，且需要防止手工操作過程中泡沫結(jié)構(gòu)的塌陷。因此，需要盡可能地縮短脫模時間。總體而言，發(fā)泡過程需要確認(rèn)溫度、預(yù)熱和起泡時間、冷卻脫模時間等參數(shù)。

　　

　　三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的設(shè)計

　　

　　多材料混合的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料可承受較高的壓縮、剪切和扭轉(zhuǎn)載荷，因此夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料特別適合用作承受彎曲載荷的部件。控制臂的復(fù)合材料截面結(jié)構(gòu)如下圖所示。

　　

　　芯層采用泡沫鋁，中間采用PA6/玻纖增強PA/碳纖增強PA組成的多層復(fù)合材料，外層采用金屬鋁。由于泡沫鋁具有較高的熱穩(wěn)定性，且表面具有粗糙的閉合泡孔結(jié)構(gòu)，因此其可以與熱塑性PA直接復(fù)合。再通過加熱，使得外層的PA融化，在壓力作用下與鋁外殼連接。

　　

　　總結(jié)

　　

　　控制臂的成功設(shè)計是多材料技術(shù)融合實現(xiàn)輕量化的典型案例。通過泡沫鋁與多材料復(fù)合層板的結(jié)合，解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、變厚度部件的輕量化設(shè)計。這一研究成果又豐富了底盤控制臂輕量化方案。