铝塑复合材料在储运装置中的技术应用

乔东 汲福岩 赵飞 邱宸

秦皇岛天秦装备制造股份有限公司 河北 秦皇岛 066004

引言

储运装置是产品储存的基本平台之一，主要功能有：安装、防护，在密封、贮存、运输等过程中起到至关重要的作用。

铝塑复合材料有较高的耐压，耐冲击性，具有一定的弹性为产品在运输、存贮以及勤务处理的过程中提供良好的保障。铝塑复合材料具有抗静电功能以及良好的电磁屏蔽功能；耐热性能优越，导热系数小，稳定性高且抗老化性能优越，冷脆温度低，防止紫外线性能强，其使用温度范围较广，一般为-40℃～95℃，采用铝塑复合材料成型的储运装置可以适用于大部分区域环境，提高了使用的可靠性。

我公司在装备制造中使用了该材料，应用到了储运装置中，取得了良好的经济和社会效益。

1 储运装置现状

1.1 国外研究现状

筒式储运装置是当今世界先进的储运装置设计技术，因其能够有效提高储运系统的贮存可靠性，并具有全天候适应能力及快速反应能力，被当今各种先进储运系统采用。随着储运技术的快速发展，对储运装置的体积、质量、环境适应性等方面提出更为严格的要求。

纤维增强复合材料是设计中技术较为成熟的新型材料，具有强度高、质量轻且便于加工等优点。目前，世界各大国针对纤维增强复合材料在装备上的应用进行了较为深入的研究[1-3]。复合材料储运筒以钢内衬为芯模，外缠碳纤维/环氧树脂符合材料为结构层，在 150℃下，经历 10h，高温固化成型。复合材料储运筒采用自动化设备连续纤维成型，工艺简便且材料制造和制品成型同时完成，但环保性方面有一定欠缺。

1.2 国内研究现状

随着储运功能的不断发展，对其储运装置也提出了更多要求，储运装置作为储运系统的重要组成部分，在平时正常储存和运输中，储运装置既可以保护产品免受外力损伤同时又可以使储运装置内的产品免受外界环境影响，保证产品的正常工作。

目前，国内储运装置采用纤维增强复合材料，大多采用玻璃纤维、芳纶纤维或者碳纤维材质。通过树脂浸纤维布并热卷或缠绕成型，用纤维丝加树脂压制储运装置筒体，再黏结成型。随着储运装置功能的不断发展，对储运装置也提出了更多要求，储运装置作为储运系统的重要组成部分，在产品平时正常储存和运输中，储运装置既可以保护产品免受外力损伤同时又可以使储运装置内的产品免受外界环境影响，保证产品的正常工作。当产品储运时，储运装置需承受产品燃气的压力，这就使储运装置需承受一定的压力。而且为了满足现代化的需要，还需具备电磁屏蔽的功能。目前电磁屏蔽功能是采用铝箔实现的，而添加铝箔降低了储运装置的强度。纤维增强材料目前工艺烦琐，生产效率低，且在生产过程中产生有毒有害气体、粉尘和固体废弃物。在环保要求严格的条件下，企业很难再继续生产纤维增强产品，因此采用新型的环保材料成为必然趋势。

2 铝塑复合储运装置工艺

2.1 储运装置的工艺路线示意图

储运装置是承放和储运产品的筒形专用装置，具有定位、防护、贮存等功能，在满足力学性能的同时，还应满足耐烧蚀、电磁屏蔽、适应环境等功能要求，其结构设计要根据产品外形结构的定位和导向方式及其他要求进行设计。

储运装置采用航空铝管与工程塑料复合技术代替玻璃钢卷制储运装置，并在航空铝管基础上预加工定位座、定位抱环、插座安装座、护线管、筒口圈等高精度预留座，然后采用专用高性能工程塑料材料进行复合成型为一体，工艺路线图如下。

图1 工艺路线示意图

2.2 储运装置薄壁铝管成型工艺

薄壁铝管是储运装置的主体结构，薄壁铝管采用模具加牵引工装挤压成型，材料选择硬度和强度较大的航空铝材制成铝管，铝管制备完成后需通过数控车床车削外形尺寸，通过定型工装固定薄壁铝管进行内径的加工，满足加工精度的要求。

2.3 储运装置薄壁铝管焊接工艺

储运装置将零部件焊接到储运装置中的筒身上，但由于壁厚较薄，焊接过程中易造成筒体变形，因此焊接工艺是薄壁铝管的关键技术。目前，铝材常用的焊接技术有电弧焊、氩弧焊、CO2保护焊、激光焊接等，目前储运装置的焊接采用激光焊接，激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，其焊接过程属于热传导型，利用激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。其具有激光束能量密度高，功率可调，焊接稳定，焊缝强度高等优点。除焊接设备外，还需要设计辅助定型工装，以减少后处理工序对薄壁管尺寸精度的影响，并保证管焊接作业一次成型。

2.4 储运装置铝塑复合工艺

依托铝塑复合技术，以铝合金管为骨架，铝管外层有一定层厚的高密度聚乙烯层，在高温下固化成型，铝塑复合过程中，以铝管为正电极，高密度聚乙烯为负电极，这样就形成了高压静电场，遵照“同性相斥，异性相吸”的原理，已带电的高密度聚乙烯塑料受电场力作用下，对铝管形成环抱效果，沿静电场定向地流向带电的铝管外观面上，堆积成一层均匀附着的塑料层。其具有塑料层均匀丰满，附着力强，塑料层质量高，生产效率高，适合批量生产。铝和塑料层之间通过表面处理，除掉铝管表面的油污、灰尘、锈迹，并在表面生成一层抗腐蚀且能够增加附着力的涂层，使二者结合成一体铝塑复合管，表面处理后不但外表面没有油、锈、尘，而且原来银白色有光泽的表面上生成了一层均匀的不容易生锈的膜，既能防锈又能增加表面附着力，工艺简便且材料制造和制品成型同时完成，体现了复合材料制品的材料和制造的紧密关系，制备方法和成型工艺已形成自主知识产权。产品同时具有金属和非金属特性，具备优异的透湿防潮性能和高低温环境适应性，可以满足产品长期密封贮存要求。

3 储运装置的试验验证

3.1 储运装置的技术要求

储运装置应符合高温贮存要求、低温的贮存要求、盐雾试验要求、湿热试验要求、太阳辐射试验要求、霉菌试验要求和500km公路运输试验要求（试验顺序见图2）。

图2 试验顺序图

3.2 储运装置的试验情况

3.2.1 高温贮存试验。考核储运装置在规定时间连续暴露在极限高温条件下，其贮存和操作的适应性。将储运装置放置在高温试验箱中，然后升到高温贮存试验温度65℃，并在相对湿度不大于15%的试验条件下，保温48h。试验结束后恢复到正常大气条件下，直至储运装置达到温度稳定。

通过高温贮存试验考核后，储运装置未出现高温膨胀引起材料或零部件的变形失效、永久性硬化、表面产生裂解或龟裂纹现象，满足要求。

3.2.2 低温贮存试验。考核储运装置在规定时间连续暴露在极限低温条件下，其贮存和操作的适应性。将储运装置放置在低温试验箱中，然后降至低温贮存试验温度-50℃，并在相对湿度不大于15%的试验条件下，保温24h。试验结束后恢复到正常大气条件下，直至储运装置达到温度稳定。

通过低温贮存试验考核后，储运装置未出现低温收缩引起材料或零部件的变形失效、永久性硬化、表面产生裂解或龟裂纹现象，满足要求。

3.2.3 盐雾试验。考核储运装置在盐雾大气条件下的贮存和使用性能的变化。将储运装置放置在盐雾试验箱中，然后达到预定盐雾条件，试验结束后检验储运装置表面情况。

通过盐雾试验考核，储运装置外表面未出现严重的腐蚀及电解现象，腐蚀面积为总面积的5%，未发生其他影响使用的电化学变化，满足要求。

3.2.4 湿热试验。考核储运装置在高温及高湿环境条件下的贮存适应性。将储运装置放置在湿热试验箱中，然后达到预定湿热条件，试验结束后检验储运装置表面情况。

通过湿热试验考核，储运装置外表面未出现氧化、腐蚀现象，储运装置材料由于吸附作用引起膨胀或出现强度失效，表面未出现较严重的冷凝水现象，满足要求。

3.2.5 太阳辐射试验。考核储运装置在露天存放时太阳辐射对其产生的热效应和光化学效应的影响。将储运装置放置在太阳辐射试验箱中，达到预定循环热效应条件，试验结束后检查储运装置。

通过太阳辐射试验考核，储运装置未发生龟裂、粉化现象，满足要求。

3.2.6 霉菌试验。考核储运装置在霉菌生长环境中的储存性能。将储运装置放在霉菌试验箱中，将黑曲霉、黄曲霉、杂色曲霉、绳状青霉、球毛壳霉接种在储运装置外表面，试验结束后记录菌种名称、霉菌生长部位、覆盖面积、颜色、生长形式、生长密度和生长厚度。

通过霉菌试验考核，储运装置表面未出现霉烂、腐蚀现象，霉菌生长范围小于被试包装总面积的10%，未发生化学、物理与结构的变化，满足要求。

3.2.7 500 km公路运输试验。考核在模拟前线公路运输条件下储运装置保护产品的能力。将储运装置放置在运输试验用卡车上，且载重量不小于4t，并用尼龙网罩覆盖车厢。试验结束后储运装置结构完整，标识可以辨识。

通过500km公路运输试验考核，储运装置结构完整，标识清晰可辨，满足要求。

通过上述试验验证，铝塑复合储运装置既满足了预期的性能指标，降低了使用成本、重量且生产周期短，效率高、劳动强度低，又有利于实现高度机动性和快速反应；同时原材料立足国内，货源稳定充足，不受自然条件的制约，即保护了生态环境，又节约了社会资源，使其经济效益整体最佳。目前，储运装置满足储运的高强度和高精度要求，达到国内领先水平。

4 储运装置的发展趋势

随着现代技术的发展，未来储运装置会向着轻便、机动、灵活、快速全方发展，因此需要发展新型结构和功能材料，储运装置作为一类常用装备，也开始大力开发和应用新型材料，其中铝塑复合材料具有环保性好、耐腐蚀、强度高、疲劳寿命高等优点，是目前比较理想的材料，这种储运装置作为一类新型复合材料结构，将被广泛应用到新型装备中。

铝塑复合材料代替纤维增强材料制作的储运装置，不但解决了纤维增强材料的环境污染问题，而且具有成本低、环保性好、生产周期短、效率高、劳动强度低、加工速度快和适合大批量生产等特点；铝塑复合产品机械性能好，质量可靠，有利于实现战时部队的高度机动性和快速反应，保障作战安全。未来铝塑复合材料的储运装置更适合推广和应用。

5 结束语

结合实际情况，铝塑复合储运装置和纤维增强储运装置对比，铝塑复合储运装置在工艺性上环保性好，加工速度快，适合大批量生产，成本低，性能稳定，质量可靠；在性能上既满足了预期的性能指标，降低了使用成本、重量且生产周期短，效率高、劳动强度低，有利于实现高度机动性和快速反应；同时原材料立足国内，货源稳定充足，不受自然条件的制约，既保护了生态环境，又节约了社会资源，使其经济效益整体最佳，预期已经达到国内领先水平。