泡沫鋁三明治夾層復合材料的性能特點

　　

　　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力的部件，金屬外殼提供了較好的抗沖擊性。這種三明治復合材料讓承受復雜載荷部件實現輕量化設計成為可能。

　　

　　作為德國政府“多功能輕量化結構的技術融合”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構設計，成功開發了泡沫金屬基的輕量化夾層材料。該部件的成功開發依賴于多種材料技術的融合。由于涉及包括金屬、塑料、發泡材料在內的多種材料，材料性能的差異使得其間的連接較難實現。因此，各種材料的復合順序以及各半成品間的連接技術成為該研究中的重大難點。

　　

　　在MERGE卓越集群項目中，這種復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，不會發生突然失效，且其損傷在表面可以輕易發現，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，從而實現零件的功能。

 

　　

　　多材料復合層板的制造過程

　　

　　研究者們先嘗試采用多種纖維增強復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異的抗沖擊性和延展性。

　　

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

　　

　　研究人員先將鋁合金覆蓋層通過施壓進行預成型，然后通過機械噴砂和火焰處理，增加其表面粗糙度，用以提升其與塑料復合材料的結合強度。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。加熱使得纖維基復合材料表面熔融，加壓，與鋁合金殼體充分結合，再冷卻定型。

　　

　　泡沫鋁芯層材料

　　

　　由于具有泡孔結構，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泡過程的控制，特別是用作結構復雜的部件時，既需要成型復雜結構，還需要保證足夠的強度。與發泡塑料相比，泡沫鋁具有高剛性、高強度以及高穩定性，更適合作為高承載結構件的芯材。

　　

　　泡沫鋁具有網狀的泡沫結構，適用于覆蓋層的壓縮成型。表面的閉合泡孔結構適用于覆蓋層的壓縮成型。通過材料體積和泡沫設計密度計算出基體材料的質量，然后放入模具成型。

　　

　　同時，由于鋁具有較高的熱膨脹系數，在設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構的塌陷。因此，需要盡可能地縮短脫模時間。總體而言，發泡過程需要確認溫度、預熱和起泡時間、冷卻脫模時間等參數。

　　

　　三明治結構復合材料的設計

　　

　　多材料混合的夾層結構復合材料可承受較高的壓縮、剪切和扭轉載荷，因此夾層結構的復合材料特別適合用作承受彎曲載荷的部件。控制臂的復合材料截面結構如下圖所示。

　　

　　芯層采用泡沫鋁，中間采用PA6/玻纖增強PA/碳纖增強PA組成的多層復合材料，外層采用金屬鋁。由于泡沫鋁具有較高的熱穩定性，且表面具有粗糙的閉合泡孔結構，因此其可以與熱塑性PA直接復合。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

　　

　　控制臂的成功設計是多材料技術融合實現輕量化的典型案例。通過泡沫鋁與多材料復合層板的結合，解決了結構復雜的、變厚度部件的輕量化設計。這一研究成果又豐富了底盤控制臂輕量化方案。