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

Abstract Properties of honeycombed metals are described systematically.Their applications is various areas such as automobile,aircraft,chemical industry,energy and composite materials based on honeycombed metal are reviewed.Future directions and potential applications are also discussed.

Key words honeycombed metal,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(high speed civil transport)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