泡沫鋁合金如何解鎖車用鋁合金?
專欄:行業資訊
發布日期:2017-10-11
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作者:佚名
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這年頭,一說汽車黑科技少不了談輕量化。一談輕量化,大家言必稱鋁合金。一說鋁合金,連它的來路也都跟鄰家小李子一樣被人摸的門兒清:不就是利用沖壓工藝制作鋁合金板材、利用鑄造工藝制作鑄鋁件么?Too young。還有很多方法解鎖鋁合金哦,譬如——泡沫鋁。泡沫鋁如何解鎖車用鋁合金?泡沫鋁歷史在汽車圈,有這樣一種材料。它像泡沫一樣,孔隙率大、比表面積高、阻尼減震強;又像金屬一樣,比強度高..........
這年頭,一說汽車黑科技少不了談輕量化。一談輕量化,大家言必稱鋁合金。一說鋁合金,連它的來路也都跟鄰家小李子一樣被人摸的門兒清:不就是利用沖壓工藝制作鋁合金板材、利用鑄造工藝制作鑄鋁件么?
 
Too young。還有很多方法解鎖鋁合金哦,譬如——泡沫鋁。
 
泡沫鋁如何解鎖車用鋁合金?
 
泡沫鋁歷史
 
在汽車圈,有這樣一種材料。它像泡沫一樣,孔隙率大、比表面積高、阻尼減震強;又像金屬一樣,比強度高、比剛度高、耐高溫、質量還輕,簡直是造車者的夢中情人。
 
但你并不是在做夢。早在20世紀40年代后期,美國就率先研究這種材料,并于1951年科學家Elliot率先成功生產出泡沫鋁。
 
泡沫鋁是一種在鋁基體中包含無數個氣泡的輕質多孔金屬材料,它同時兼有金屬相氣泡特征,是一種具有廣泛應用前景的物理功能材料。
 
主要結構特點
 
(1)孔結構可調。可分為兩種情況:一種是具有獨立孔洞結構,分散的氣泡或空心的顆粒分布在金屬基體中(有人稱之為海綿鋁);另一種是具有貫通的孔洞結構(有人稱之為蜂窩鋁)。
 
(2)孔徑較大。變化范圍為0.1——10.0mm(一般粉末冶海多孔金屬孔徑徑不大于0.3mm)。
 
(3)空洞率高。變化范圍為40%——90%(一般粉末冶金多孔金屬空洞率不大于30%)。
 
(4)密度小。變化范圈為0.2——0.9/cm3(僅為同體積鋁的1/10——1/3)。
 
然而這種材料在發泡工藝、泡的大小和均勻性上很難控制,生產難度很大,當時并沒有得到大范圍使用,且在此后40多年里泡沫鋁的制造和應用一直處在停滯狀態。直到80年代末,日本九州工業技術研究所改善了泡沫鋁的生產技術,國際上再次興起了關于泡沫鋁材料的開發熱潮。
 
那場在1999年德國不來梅舉行的第一屆世界泡沫金屬學會議,堪稱泡沫鋁騰飛的里程碑事件。此后泡沫鋁就真正意義上從幕后走向了臺前,工業化程度也越來越高,再也不是實驗室里無人問津的科研材料了。
 
主要性能特點
 
高阻尼減震性能及沖擊能量吸收率:阻尼性能為金屬鋁的5-10倍。孔隙率為84%的泡沫鋁發生50%變型時,可吸收2.5MJ/M3C以上的能量。
 
良好的聲學功能:1、隔聲性能(閉孔):聲波頻率上800-4000HZ之間時,閉孔泡沫鋁的隔聲系數達0.9以上。2、吸聲性能(微通孔和通孔):聲波頻率在125——4000HZ之間時,通孔泡沫鋁的吸聲系數最大可達0.8,其倍頻程平均吸聲系數超過0.4。
 
優良的電磁屏蔽性能:電磁波頻率在2.6-18GHZ之間時,泡沫鋁的電磁屏蔽量可達60-90dB。
 
良好的熱學性能:通孔泡沫鋁由于其孔洞相互連通,在強制對流條件下具有良好的散熱性。不燃燒且有較好的耐熱性。耐腐蝕性、耐候性好,低吸濕,不老化,無毒性。
 
易加工:切割、鉆孔、膠結方便;經模壓可彎曲成所需形狀;能用有機或無機漆進行表面處理;可以兩面蒙皮,構成大尺寸的輕質、高剛度板。
 
易安裝:泡沫鋁材料可以被安裝在高處而無需機械起重設備,如:天花頂棚、墻壁和屋頂等,可以采用機械方法或直接用螺釘連接和固定,也可以用粘接劑粘貼在墻或天花板上。
 
金屬薄板——泡沫鋁——金屬薄板形成的“三明治”結構繼承了泡沫鋁的優異性能,并具有很高的抗彎強度,可用作新型建材、機車車輛的高剛度結構件等。
 
泡沫鋁制備方法
 
泡沫鋁制備工藝有20多種,涉及的領域非常廣,但對于汽車工業來說,泡沫鋁價格并不低廉,加工工藝也比較復雜,各種制備工藝的穩定性和再現性都不是很高,孔結構的不均勻問題也還沒有得到徹底解決。
 
泡沫鋁制備主要為凝固法、燒結法、沉積法等,其中溶體發泡法相對簡單,孔隙可控,成本較低,比較適合規模化生產大規格的泡沫鋁材料。
 
泡沫鋁在汽車工業中的運用
 
由于泡沫鋁具有輕質、高比強度、高比剛度、阻尼減震、吸聲隔熱、電池屏蔽等特點,在航空航天、高速芯片,建筑材料中均有所應用,近些年這種材料又逐漸進入汽車領域。
 
泡沫鋁經典應用之一就是泡沫鋁夾層結構,由于綜合了泡沫鋁和金屬板件的性能,這種結構強度較好,剛度提高2倍以上,阻尼、防撞能力提高3倍以上,且同比質量大大降低。
 
OME公司曾經設計過一款汽車,底盤采用了泡沫鋁三明治板結構,這種材料使用后,在同種結構下可以減低25%的重量。
 
據報道,如果將泡沫鋁零件代替傳統的汽車鑄件,在零件強度不變的情況下,質量可以減輕50%以上。
 
此前,BMW曾聯合澳大利亞輕金屬性能研討中心(LKR),研發了一種泡沫鋁結構的發動機支架,在強化車架剛度,提高構架穩定性的同時還能耗散機械振蕩和熱能。
 
而德國卡曼汽車公司則采用三明治式復合泡沫鋁材來制造吉雅轎車(Ghiaroadster)的頂蓋板,在質量下降25%的同時,剛度比原來的鋼構件大7倍左右,真可謂一石二鳥。
 
泡沫鋁作為吸能緩沖結構存在時,多是應用在吸能盒、門梁結構、保險杠中,能夠達到緩沖吸能的目的。例如用泡沫鋁作夾芯制作轎車保險杠,具有吸收撞擊動能的功能,由于回彈率很小(小于3%),可以有效避免二次碰撞傷害。
 
我們再詳細聊聊大家比較陌生的幾項:
 
吸能盒
 
這種填充結構吸能能力,大于吸能盒與泡沫鋁單獨吸收能量之和,而且由于泡沫鋁的各向同性,在偏置碰撞中也能獲得很好的能量吸收。
 
隨著人們安全意識的提高,行人安全概念也逐漸成形。而這種結構能夠完全吸收掉車輛以15Km/h速度撞擊的所有能量,正能對行人安全起到保護作用。
 
NVH
 
吸熱隔音上,泡沫鋁也能起到立竿見影的功效。比如它就被使用在了客車消音器中。
 
客車泡沫消音器,泡沫鋁吸聲板經過耐火處理,可以適用在近600℃的尾氣溫度。降噪效果為阻抗型消聲內芯、并聯共振式消聲內芯消聲器的2——3倍,重量減輕1/3左右。
 
此外,用泡沫鋁材料制作轎車地板、間隔、車門夾心板等也能達到隔音、隔震的效果。
 
頂蓋
 
汽車頂蓋作為汽車上最大面積的覆蓋件,如何綜合重量和強度的要求一直讓廠家頭疼。采用泡沫鋁夾心板,厚度僅為2mm左右,剛度為鋼板頂棚的7倍,重量還能減輕50%以上。
 
對未來的預期
 
當然了,看似完美的東西總歸有著讓人無奈的缺點,現階段來說,泡沫鋁的優點與高成本相比并不占優勢。
 
未來,單獨的泡沫鋁結構在汽車上的使用可能會遇到瓶頸,但如果將這種材料和其他材料如金屬、高分子等進行結合或許是種啟發。
 
比如將泡沫鋁和鋁合金或碳纖維復合材料等結合,可以一定程度上緩解碳纖維材料成本高、脆性大,易斷裂的缺點,同時又能獲得良好的隔熱靜音、耐高溫性能。
 
反過來也是一樣的,將碳纖維作為輔材應用于泡沫鋁中,提高泡沫鋁本身的性能也是大有前景。現在已經出現了一些關于碳纖維增強鋁基泡沫材料的研究,實驗效果也說明其在保持泡沫鋁原有功能的基礎上,進一步提高了材料的物理性能,最終獲得高吸能、阻尼減震、孔壁韌性較好的泡沫鋁材料。
 
如何獲得更好的三明治結構,加強泡沫鋁和其他材料之間的結合力,強化各材料的性能特點,或者是尋求出一種新的結構,如多層的夾層結構等也不失為一種比較好的選擇。
 
總之,盡管泡沫鋁的研究已經比較深入,在其他工業中得到了多方面的應用,但是對于汽車工業來說,它還遠遠沒有達到完全成熟的地步,目前也僅在一些汽車零部件上使用,但作為一種性能優良的材料,它的應用遠遠不止如此,將來泡沫鋁和多種材料之間的結合會是一種趨勢。
 
小結:
 
泡沫鋁作為一種性能優良的材料,在汽車領域的地位應該更高,在鋁合金大行其道的現代汽車工業中,它應該得到更多的重視。解決其成本和單一性,找到更好的結構和材料復合方法,或許是這種材料的新發展方向。
 
 
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