金属蜂窝的开发、应用及发展

金属蜂窝的开发、发展及应用摘要系统介绍了金属蜂窝的结构特性，综述了金属蜂窝在汽车、飞机、能源、化工以及由其嗣成的复合材料中的用途，剖析了其应用产品具有的优势和不足，展示了金属蜂窝的发展方向和应用前景。关键词金属蜂窝性质应用AbstractPropertiesofhoneycombedmetalsaredescribedsystematically.Theirapplicationsisvariousareassuchasautomobile,aircraft,chemicalindustry,energyandcompositematerialsbasedonhoneycombedmetalarereviewed.Futuredirectionsandpotentialapplicationsarealsodiscussed.Keywordshoneycombedmetal,properties,applications金属蜂窝是金属骨架和蜂窝孔(形状与蜜蜂的巢穴极其相似)相间的一种新型功能复合材料。因其内部结构含有许多蜂窝状直通孔而得名。这种材料具有独特的性能：抗冲击能力、耐热防腐、导电、导热、隔热、隔音、蓄能、吸能减震、电磁屏蔽等。其性能主要取决于蜂窝的种类、蜂窝的结构(形状、类型、孔径、孔隙率、开口度、壁厚、密度、比表面积等)、金属基体材料等三大方面。在最近几年，金属蜂窝得到多方面的研究、开发与应用。应用已涉及到航空航天、交通运输、军工、电子、环保、能源、机械、化工、建筑等。目前，金属蜂窝的开发与应用己初步形成一种高新技术产业。1.金属蜂窝的结构参数与结构特点1．1结构参数金属蜂窝的主要结构参数有；孔径、孔型(正六边形、正四边形、正三角形等，如图1所示)、孔隙率、开口度、密度等。根据应用目的的不同，对金属蜂窝物理性能要求不同，与其密切相关的结构参数也不同。如蓄能性能主要与孔径、孔隙率及孔型有关；渗透性能主要与孔隙率、孔表面光洁度、孔径大小有关。1．2结构特点①均匀孔径：孔径非常均匀，几何形状规则；金属蜂窝的孔径根据用途和成形方法的不同，可大可小。②高开口度：金属蜂窝的开口度随制作方法的不同而变化，一般而言，在6O～98的范围内变化。③小密度：金属蜂窝是一种多孔的不连续材料，实体部分截面积很小，所以金属蜂窝的密度很低，一般为同体积金属的3／5～1／50不等。密度小的金属蜂窝结构完全可以浮在水面上。④高比表面积：金属蜂窝的比表面积很大，达1000～4000m0／m。⑤小壁厚：金属蜂窝壁厚很小，一般在0．2mm以下。蜂窝单元间距为1～3mm。图1金属蜂窝各孔型几何外观注：n是单位面积上的孔穴数目，e是开口度，例如三角形金属蜂窝，设D—lmm，t一0．05ram，则每平方厘米上的孔个数为209，开口度为84。2.金属蜂窝的应用一般来说，材料的性质决定了它的用途。金属蜂窝所具有的多方面优良性能，必须决定其多领域、多功能、多形式的应用。现阶段较为成熟的应用主要集中在两大方面：汽车等地面交通工具(利用其高比表面积、高比刚度)和飞机等航空航天器(利用超轻质结构、高比刚度)。金属蜂窝通常有两种使用形式：一种是把蜂窝作为夹芯来制作蜂窝夹层结构；另一种是根据其结构特点而直接应用。2．1汽车等地面交通工具目前所有汽车基本上使用的净化器均是“陶瓷芯体”的催化净化器，但是陶瓷载体普遍存在着机械强度低、易脆性等缺点，。另一方面，陶瓷材料荲青石对催化剂的毒化作用使其转化率与使用时间成反比，一般其同一标准实际达标寿命仅在３～５万公里范围内。目前陶瓷载体的净化器，由于导热性较差，一般在汽车启动后至少120秒以后才能开始工作。因此，近年来研制开发性能更为优良的金属蜂窝载体及其催化转化器在国内外都备受关注，这是因为金属蜂窝载体一般具有蜂窝陶瓷载体所不能比拟的独特的性能，例如：金属载体良好的导热性能和低的热容量有利于催化剂的快速起燃，并且能够及时将催化剂燃烧所产生的热量散发从而避免局部过热；金属载体壁厚的可减薄性有助于减少发动机功率损耗；金属载体的高机械强度，不易发生脆裂，使得金属载体的净化器能使用到与汽车的“法定”寿命同步；另外还具有如高温耐久性及加工便利等诸多优点。目前在国外金属载体已经开始批量化生产。金属载体由薄片状、耐高温、耐腐蚀的金属带由特制的滚压机压制成波纹行条状，再沿条状金属平面卷制而成，形成正弦波蜂窝结构。高度及波纹间距可以控制蜂窝尺寸及单位面积上蜂窝数量。其外壳一般由具有良好抗氧化性、可焊接性以及对耐高温气体腐蚀性的低合金钢来制作，而对于其中的载体卷制材料则要求要有高的可塑性及可焊接性，目前最具应用价值的是FeCrAl合金。H．Nakamure等认为[2]，HSCT(highspeedciviltransport)成功的关键在于耐热、轻质、低成本材料／结构的开发与发展，而金属蜂窝夹层结构便是这样一种有希望的结构，可广泛应用于船舶、高速火车、汽车及房屋建筑和高桥结构。具体来说，利用金属峰窝吸能减震、高比刚度的优良性能，可制造汽车、火车、轮船等地面交通工具的前部和尾部的防护杆以及顶篷，还可以用作减震装置；利用其隔音性能，制成金属蜂窝隔音夹层板。但就目前来看，技术和工艺还不够完善和成熟，应用还局限在一定范围之内，还需要加强理论研究和加大开发力度。相对而言，已进入实际应用领域并渐显优越性的则是汽车尾气催化净化器。金属蜂窝具有的优良特性，在汽车尾气催化处理器上有着很好的应用潜力。与传统的陶瓷载体相比，金属蜂窝载体具有起燃温度低(据报道[3]，汽车排放污染物的6O～8O来自于冷启动后的120s，因此要求催化净化器载体热容量小，起燃温度低)、净化效率高、排气背压小、高比表面积、高机械强度、抗氧化性和震动性优良等优点。利用金属的导热性，金属蜂窝载体使人们利用非尾气加热催化剂成为可能；利用金属的导电性，采用电加热金属蜂窝载体，命名催化剂能在30s内达到起燃温度(350℃)。近几年，国外一些高级轿车上，已开始采用抗氧化性优良的不锈钢箔或合金制成的金属峰窝载体。表2是金属蜂窝载体与陶瓷蜂窝载体的部分比较数据[4]。从表2可以看出，金属载体的壁厚不到陶瓷载体的3O，开孔率比陶瓷载体提高了近1／3，单位体积表面积明显高于陶瓷载体，对降低排气背压有利[5]。早在2O世纪6O年代初，美国就开发出第一代金属蜂窝载体催化器，它的载体是由平楞和瓦楞型的金属薄片相叠后卷绕而成的圆柱型基体和外壳组合而成，但是金属薄片之间以及基体与外壳之间的粘接问题没有解决，直到20世纪80年代，使用真空硬焊接工艺[6]，才解决了金属蜂窝载体的固定问题。近来，一种具有径向结构(transversalstructure，简称TS)的金属蜂窝载体[7]应运而生。该载体孔道表面为波纹状，使气体从层流变为湍流，从而大大提高了废气与孔道表面的接触面积、传热与传质，进一步提高了催化效率。图2是金属蜂窝载体的一般结构。图2金属蜂窝载体的一般结构[8]金属蜂窝载体的不足在于：耐热性较差；制备工艺更严格；在剧烈温度变化下载体和催化剂涂层结合的牢固性问题难以解决。解决办法：加强耐热合金材料的开发与研究；多元复合材料将是其发展方向之一。研究在合金中添加稀土金属的工艺与配方，例如在耐热合金中加入铈、铱、钍等可提高其抗氧化能力，只需加入0．2Ce，便可使使用寿命提高5倍，还可以增强表面膜和合金之间的结合力[9]。寻求载体成型的简化工艺或新工艺，净成型工艺将是其发展方向之一。例如，作者所在课题组采用粉末挤压成型技术已成功开发出高性能的金属蜂窝载体，基本解决了上述问题。2.2航空航天器金属蜂窝结构最早[2]是应用于飞机工业，由于其具有优良的轻质结构、高温强度、耐热、耐腐蚀、吸能减震等性能，再加上它易焊接、表面处理、变形等加工，便迅速技术性渗透到其他工业。目前，金属蜂窝已经广泛应用于飞机整流罩、阻流板、副翼、方向舵、侧壁、车门等承受载荷不大，但是刚性要求高、重量轻的次要结构部件。更可望在电子设备减震垫、宇宙飞船起落架、减震元件和精密仪器的保护、机内装饰等方面有更广泛、更优势的应用。例如某公司生产的飞机用蜂窝芯铝箔厚度只有0．O3～0．04mm，应用典型如图3和图4。德国Alusuisse—Aingen公司[11,12]最近开发出一种蜂窝单元为六边形的铝蜂窝复合板(如表3所示)，具有重量轻、刚性高、易回收、易开槽、冷弯弧、折边和压缩成型等优点。可广泛应用于航天器室内幕墙、隔板、装饰板等；也可应用于建筑外墙翻新与室内装修等。金属蜂窝芯夹层结构的不足在于，制造、使用过程中容易产生脱胶、剥离等缺陷，造成大量的能源、材料、人力物力的浪费。近来，针对这一问题，有许多的科研工作者在这一方面展开了深入的研究。表4为有人就金属蜂窝夹层结构件胶粘剂改用SY一14C载体胶膜[10]后的实验结果。金属蜂窝复合板的不足在于抗弯能力与承载力欠佳。有人[13]便采用加强边框、用厚槽型钢或镀锌铁板代替铝板制成一种新型金属蜂窝复合板，具有弹性恢复好(其破坏为延性破坏)、抗弯能力强、承载力高等优点。但造型单一、工艺复杂。由于工艺方法及制造成本的原因，目前结构上常用的是金属或非金属材料制成的六角蜂窝芯材。于是有人[14]便将平面板材通过按一定有规律的线系进行皱褶，从而形成各种不同构造形式，不同几何尺寸的高度、变高度或曲面构型等复杂形状的芯材，可满足航空航天各种不同结构和功能的要求。2.3金属蜂窝材料在消防方面的应用用做隔焰防爆材料，在油箱中放人金属蜂窝材料，其孔隙结构可以把油箱分成许多根小的空间。一方面，这些孔隙骨架可灶遏制火焰的传播i另一方面，由于蜂窝材料具有很大的表面积，从而具有报高的表面吸热效应．当止焰中的高温气体或微粒通过多孔材料时，由于发生迅速的热交换，热量被吸收和散失，致使气体的温度降低t使燃烧反应后的最终温度大为降低，反应气体的膨胀程度大为缩小，容器内的压力值增加速度放慢而达不到爆破极限，从而防止了爆炸的发生用于隔焰防爆的金属多孔材料是利用吸收爆炸气体的热量来进行防爆的，因此应该说在一定容积内加入量越多其防爆效果越好，但此时防爆材辩的成本和所占体积也相应增加，因此，应找到一个最佳装入量．这可以根据容器的强度和工作温度来确定。从金属多孔材料的隔焰防爆原理可职看出．为了得到良好的防爆效果，所用的材料应当具有良好的导热性、高的热容量、低的比重以及一定的强度且前国内外多采用铝台金作为原料来制造由于防爆材料直接和可燃气体，液体接触，不受抑爆装置接受动作信号后开启灭火荆罐所受的时间限制，抑爆教能高，且有耐腐蚀、不会影响燃料的性能、可以长期使用而不需特别的维护等优点，日益引起各界的关注2.4能源（1）蓄能金属蜂窝具有优良的吸光性能。就正六边形的空心柱体蜂格而言，蜂格的透光率对于平行光可达到97以上，对于不平行的光线，蜂格壁可以将不垂直蜂窝平面的大部分光线遮挡，如果在蜂窝的单面贴以面板，则蜂窝便具有良好的吸光性能。由于蜂格壁可以遮挡大部分阳光，使光线的多次反射都在蜂格壁上进行(见图5)，因此光线几乎全被蜂窝吸收，如果蜂窝是黑色的，蜂窝的吸光性能将接近绝对黑体。利用蜂窝的吸光性能，可以制造蜂窝结构太阳能集热板。图6是关世伟等设计的一种蜂窝结构太阳集热板示意图。在这种集热板中，隔热层采用蜂窝夹层结构，蜂窝芯可使用隔热性能较好的纸蜂窝，内、外面板可使用较薄的金属板，面板与芯子之间用胶粘剂粘接。吸光蜂窝使用导热性能较好的金属蜂窝芯，玻璃板与吸光蜂窝之间用透明胶粘接，导热板与吸光蜂窝之间用导热胶粘接。这种蜂窝集热板具有效率高、整体性强和重量轻等优点。金属蜂窝还可开发应用于太阳能热水器水箱、太阳能收集器、太阳能电池等，也可用于地热源的开采和应用等。（2）隔热利用金属蜂窝的高孔隙率和耐高温、耐温度变化、抗氧化性能，可用其制作隔热材料。蜂窝本身并不具有隔热性能，但是蜂窝夹层板(金属板一蜂窝一金属板)却具有良好的隔热性能。在常用的蜂窝夹层板的蜂窝芯中，实体材料的体积仅占1～3％，其余空间内是处于密封状态的空气，由于空气的隔热性能优于任何固体材料，所以蜂窝夹层板具有良好的隔