建筑材料论文
泡沫铝是由连续金属相骨架和大量气泡组成的新型多功能金属材料，具有孔隙率高、比强度大和比刚度大等特点， 并且抗爆抗冲击性能良好，是较好的吸能缓冲材料[1,2].因此，泡沫铝在建筑中有很多应用，建筑防爆材料就是其重要用途之一。 例如：钢板泡沫铝复合防爆层能够保护建筑的框架结构柱[3]、泡沫铝和钢板制成三明治夹层板可以用做建筑的防护门[4]、泡沫铝夹芯梁可用于防护工程建筑[5]等。 因为泡沫铝属于新型功能材料，发展的时间并不长，但其优良的吸能抗冲击性能决定其在建筑防爆中将会有更大的用途。 本文对近年来泡沫铝的制备技术和在建筑防爆中的应用情况进行了总结。
1 泡沫铝夹芯材料的制备技术
尽管泡沫铝具有很多优点，但其强度较低则限制了它的应用。 泡沫铝夹芯材料是将泡沫铝芯材与强度较高的面板材料复合，如钢板和铝板等，使二者在结构和功能上实现优势互补[6]. 建筑防爆用的泡沫铝主要就是这种材料。 泡沫铝夹芯材料的制备方法很多，主要有两大类：一类是将预先制成的泡沫铝与面板材料连接，如胶粘法和焊接法等；另一类是将面板材料与铝基发泡粉末制成预制体， 然后加热发泡，冷却后即得到泡沫铝夹芯板[7]. 除这两类之外，还有一些其他方法也在探索中。
1.1 连接法
胶粘法是将泡沫铝和面板用胶合剂粘在一起，属于物理连接方法，工艺简单、产品精度也较高。 但是胶粘前对泡沫铝及面板表面清理过程比较复杂，且胶合剂耐高温、耐腐蚀性能较差，同时结合强度也比较低，这些缺点限制了该法的发展。焊接法相比胶粘法界面结合强度得到有效提升， 目前研究较多的有钎焊法和激光焊接等。
钎焊法是目前研究较多的泡沫铝夹芯材料的焊接方法。 该方法的关键在于钎料的选择和对泡沫铝表面氧化膜的去除。 Sn 基钎料因其与泡沫铝母材间的电极电位差，钎焊接头处容易出现电化学腐蚀，同时接头耐热性较差、强度较低。 王辉等[8]利用氮气保护来提高钎焊接头的强度。 研究结果表明界面没有形成连续膜层，而是由端细孔棱接触相交点组成。于冲冲等[9]以 Zn-Al-Cu 合金为钎料，由于该钎料具有一定的去膜功能，所以在焊接时无需再用钎剂，可以避免因使用钎剂带来的腐蚀问题； 采用机械刮擦去1铺展；焊接时施加超声振动，能使钎料流布并均匀填充孔隙；最终制得钎料与铝板、钎料与泡沫铝冶金结合的夹芯板。陈楠楠等[10]采用铜箔 - 铝片 - 铜箔复合层作为中间层，使得接头强度高于母材，并对焊接温度、 保温时间等参数进行了优化。 宋宇峰等[11]用Al-Si 基合金作为钎料、纯铝板为面板，通过钎焊法制得泡沫铝夹芯板，利用正交试验考察了焊接温度、时间以及退火工艺等对夹芯板性能的影响， 得出最优工艺参数为：焊接温度为 640 ℃、时间为 15 min、在 400℃下去应力退火 30min;此外，对比了钎焊法和胶粘法制得样品在 400 ℃下的失效情况， 表明钎焊法制得夹芯板在高温下稳定性要好于胶粘法。
激光焊接是将高强度高能量的激光束辐射在金属表面，使其熔化后连接在一起的方法。该方法的优点是焊接后工件变形小、生产效率高、能够实现连续生产。 张迪[12]等在孔隙率为 70%泡沫铝和面板中间加入 6061 铝合金， 用激光束的热量将 6061 铝合金熔化并渗入到泡沫铝的孔洞，从而实现较好的焊接，焊接接头的抗拉强度为 2.97 MPa,接近泡沫铝的强度。但是激光焊接时，由于泡沫铝中孔隙胞壁的反射作用以及孔隙空间限制， 使得泡沫铝母材对激光能量的吸收有限。在高温热源的作用下，泡沫铝内部的孔隙可能会因吸热熔化而坍塌， 从而形成密实结构的宽焊缝区[9]. 激光焊接目前还处于前期探索阶段，距工业化生产还有很长的研究道路要走。
1.2 发泡法
梁晓军等[13]将铝合金粉末与发泡剂 TiH2混合，而后用铁、钛面板和粉末在模具中压制，先制成可发泡的预制体，而后在一定温度下加热使 TiH2分解出氢气， 从而使熔体发泡制得冶金结合的夹芯板。 由于该方法需要在模具中压制，限制了成品的尺寸。张敏等[14]将混有发泡剂的铝合金粉末置于面板间，再通过轧制复合法制成预制体， 从而避免了模具对尺寸的限制，而后再放置在电阻炉中加热发泡，这种工艺步骤简单，更易于连续性生产。轧制复合法存在的主要问题是： 预制坯在轧制过程中易出现粉末流失问题，致使成材率较低、板材的厚度和精度不高。 为了提高预制坯的质量，宋滨娜等[15,16]采用包套轧制法制作预制坯， 将待发泡的铝合金粉末装入铝管中密封轧制，再发泡处理，如图 1 所示。 该法解决了粉末流失和预制坯边部容易出现边裂等问题， 制得界面结合良好的夹芯板；宋滨娜等[16]研究了压下率对预制体以及夹芯板结构的影响。 研究表明， 压下率为70%时，预制坯表面平直完整、粉末均匀致密，最终得到的夹芯板质量也最好。 刘佳等[17]进一步研究了包套轧制制备工艺中， 发泡参数对夹芯板芯层中泡孔的演变行为的影响。 以上研究均是基于铝合金粉末的研究，而王耀奇等[18]则是用铝板作为发泡基体，采用累积叠轧法制备发泡预制坯。 具体做法是将发泡剂 TiH2粉末均匀铺撒在四层铝板之间，而后将铝板在 350 ℃下叠合轧制 2 道次， 制成泡沫铝的预制坯， 再将 TC4 钛合金面板或者 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面板叠合在泡沫铝预制坯两侧， 再在 450 ℃下轧制复合制得夹芯板，而后在电阻炉中发泡，从而制得泡沫铝夹芯板。
1.3 其他方法张太康等[19]以强度高、密度低的 Al2O3空心球为不可溶的造孔剂， 以 6063 铝合金为泡沫铝基体，以铝合金板作为复合板的表层材料， 通过反重力渗流铸造法制备出泡沫铝夹芯板。结果显示，芯部材料与铝合金面板实现了良好的冶金结合。
2 泡沫铝夹芯板在建筑防爆中的应用
泡沫铝夹芯板在爆炸或强冲击载荷下， 可以通过塑性变形来吸收能量。相比单层板，其具有较高的准静态强度和较高的抗爆性能[20]. 近年来，由于爆炸和恐怖袭击等事件的增加， 泡沫铝夹芯板作为建筑防爆材料逐渐得到了学界的重视， 其抗爆性能也成为一个研究热点。
2.1 在建筑防爆中的应用研究
石少卿等[21]研究认为，钢板泡沫铝多层复合结构比单一的泡沫铝防爆效果更好， 可以运用到军事建筑的防爆设计中。 康建功等[22]通过数值模拟的方法，采用相同的泡沫铝芯材，对比了工业纯铝面板和304 号不 锈钢面板对泡沫铝夹芯梁抗爆性能的影响。结果表明，采用工业纯铝面板制成的泡沫铝夹芯梁在爆炸冲击下具有更好的防爆性能。 隋顺彬等[23]在此基础上考察了由 HRB335 级钢板做面板制得泡沫铝夹芯梁的抗爆性能， 与纯铝板和 304 号不锈钢板相比， 其跨中位移及芯材压缩应变都是三者中最小的。 付学燃等[24]对比研究了在建筑防护中广泛使用的碳纤维布和泡沫铝防护层的抗爆性能。 结果表明，泡沫铝防护层的防爆效果要远远高于碳纤维布，防爆设计时应优先选用泡沫铝材料。 张东新[4]根据泡沫铝夹层板的抗爆效果， 提出在门前后外包钢板中 间 填 充 泡 沫 铝 , 制 得 新 型 防 护 门 , 并 用ANSYS/LS-DYNA 对防护门的防爆效果进行验证。
结果表明， 新型防护门对爆炸冲击波有很好的衰减性能，能够起到保护作用。
2.2 应用中存在的问题
泡沫铝夹芯板在具有优良的防爆功能， 但是目前在建筑防爆中的使用还比较少。 主要原因有以下两个方面：首先，当前泡沫铝夹芯板材料还处于研究阶段，还没有比较经济的工业化生产方法。泡沫铝本身生产成本就比较高， 夹芯板还要在其基础上增加成本，成本较高限制夹芯板的应用范围；再者，泡沫铝夹芯板的防爆机理还没完全清楚， 夹芯板材料微观组织与宏观形貌本构间的定量关系还没建立，夹芯板在动载作用下的响应尚不清楚。鉴于以上原因，夹芯板在建筑防爆工程实践中的应用， 还有很长的研究之路要走。
3 总结与展望
（1） 基于泡沫铝成品的常用连接方法有胶粘法和焊接法。 胶粘法工艺简单，但结合强度差、耐高温性能差；焊接法能够实现泡沫铝和面板的冶金结合，有效提高界面强度和耐高温性能。 其中钎焊法的关键问题是钎料的选择和泡沫铝表面氧化膜的去除方法，目前国内已经进行了较多这方面的研究。激光焊接法国内也有研究，但尚处于探索阶段。
（2） 发泡法是将面板和发泡材料制成预制坯再进行发泡处理的制备方法； 基于铝合金和发泡剂粉末称为轧制复合法，再进行发泡处理，在此法的基础上又开发出包套轧制粉末冶金法， 累积叠轧法则是基于铝板；此外，还有学者采用渗流铸造法制备夹芯板。随着各种制备方法的研究深入，适合大规模工业化生产的方法将会出现。
（3）泡沫铝夹芯板是极具潜力的建筑防爆材料，可以用来防护建筑中支承柱、梁、门等关键部门。 由于泡沫铝夹芯板材料的生产成本较高和防爆机理还有待研究， 当前夹芯板在建筑防爆中的应用还处于研究阶段。未来，随着泡沫铝夹芯板制备技术的发展和防爆机理的深入研究， 其在建筑防爆的应用中将有广阔的前景。
参考文献：
[1] 史春芳， 徐赵东。 工程结构抗爆技术的研究现状[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2007, 39（5）： 616-620.
[2] 胡中芸，杨东辉，李军，等。 泡沫铝的制备方法及其发展 现状[J]. 热加工工艺，2014,43（12）： 25-28.
[3] 刘仁辉，石少卿，汪敏。 钢板泡沫铝复合减振层在军事建筑结构 中 的 应 用 研 究 [J]. 四 川 建 筑 科 学 研 究 ,2008,34 （4）：153-157.
[4] 张东新。 新型复合泡沫铝夹层板抗爆性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[5] 康建功，石少卿，刘颖芳，等。 泡沫铝夹芯梁抗爆性能的数值模拟分析[J].爆破，2009,26（3）： 10-13.
[6] 张敏 ,陈 长军 ,姚广春。 泡沫铝夹芯板的制备技术[J]. 材料导报，2008,22（1）： 85-89.
[7] 杨益， 李晓军， 郭彦朋。 夹芯材料发展及防护结构应用综述[J]. 兵器材料科学与工程，2010,33（4）： 91-95.
[8] 王辉，何德坪，褚旭明，等。 泡沫铝氮气保护炉中钎焊界面结构及力学性能[J]. 焊接学报，2008（29）： 1-4.
[9] 于冲冲。 泡沫铝夹芯三明治结构制备及可靠性评价 [D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2012.
[10] 陈 楠 楠 ,凤仪 ,陈杰 ,等。 泡沫铝接触反应钎焊工艺及性能[J]. 焊接学报，2013,34（4）： 77-80.
[11] 宋宇峰，肖来荣，曾德露，等。 泡沫铝三明治结构材料的制备及其组织性能分析[J]. 矿冶工程，2014,34（3）：119-123.