鋁合金泡沫氣凝膠多夾層大板方艙的研究

馬 謖，曹 祥，熊 海，錢 瑞，母艷昌，余 康，孫 科，韋邱發

(1.云南建筑產業化研發中心有限公司，云南 昆明 650000；2.中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

方艙作為我國移動式、裝配型、模塊化建筑功能單元體形式之一，在軍事部署、抗震救災、訓練演習、應急預警等國家重大平戰、衛生、社會活動中發揮著至關重要的保障作用[1-2]。其主要由基礎框架、圍護體系、功能設備、配套裝置等部分組成，具備機動性強、拆裝快捷、功能集成等特點[3]。

我國方艙研究發展已有四十余年歷史，從軍備領域延伸至醫療衛生、衛勤保障等多體系，歷經骨架式衍變至復合大板式(見圖1)。骨架式方艙為方艙初代產品，荷重比小，多用于專用型運載設備。1982年空軍第二研究所與機電部4192廠聯合試制了我國第一臺骨架式方艙——F400電站方艙[4]。大板式方艙多采用整幅面的外蒙皮和內蒙皮板材作為圍護結構，并采用角件或角型件聯接構成整艙，其防護性好，拆裝便捷，針對多應用場景下的功能架構趨于完善。

圖1 方艙發展歷程概念圖[5-7]

由方艙研制歷程來看，新型地面裝載體系中大部分廂式載體骨架式方艙已被逐步取代，方艙技術水平呈現出新的發展趨勢，正朝功能集成化、預制標準化、模塊通用化、舒適生態化等多維方向發展。立足于近代材料科學，方艙的功能結構設計深化無法脫離大板材料、結構的研究。隨著近代科學研究的不斷深化，大板材料也逐漸朝復合型、輕量化、功能性方向發展。

本文按標準集裝箱規格，研究了一種超長型多夾層大板生物隔離艙。其圍護體系以聚氨酯鋁合金蒙皮復合板材作外夾芯板，鋁蜂窩-氣凝膠纖維復合夾層為內飾板，內外層物理結合。方艙經模擬驗證具備明顯隔熱效果。

1 概述

1.1 方艙大板簡介

以目前研究較為主流的2種方艙大板夾層為例。“蒙皮-聚氨酯”夾層強度高，成本低，但比重大，耐腐蝕性差；“玻璃鋼-聚氨酯”夾層比重小，耐腐蝕和酸堿，但技術工藝較復雜。由于工藝、成本等因素制約，我國普遍以“蒙皮-聚氨酯”夾層為主要研發方向。早在21世紀初，針對蒙皮材料，美國AN/TPS-75雷達系統便已用高強輕質復合材料蒙皮方艙取代鋁蒙皮發泡或蜂窩夾芯方艙復合材料[8]。隨著我國方艙領域技術發展，復合大板蒙皮和骨架逐漸以輕質材料替代傳統金屬，蒙皮-骨架間或蒙皮-聚氨酯夾層間除使用鉚接外還可采用膠粘技術或其他結合工藝。

傳統復合大板多以厚重金屬作蒙皮，發泡材料為芯層，雖保障了剛度、強度，卻增加了凈重。以鋁合金等更加輕質的材料取代傳統蒙皮，可使艙體的拆裝性、移動性、靈活性進一步提升，但隨之而來的是圍護體系承載能力、防護效能的降低。針對該研究，范蘭香等[9]做了大量分析和計算，結果表明，采用鋁合金板做蒙皮具備可行性。

1.2 存在的問題

1.2.1 結構熱橋

方艙結構多以金屬單元作為承載體。金屬的熱導率遠大于發泡材料，在結構導向連續及溫差影響下，熱導率大的材料會形成熱流密集(即熱橋)，該現象在圍護體系中較為常見?；诒Ｕ狭W性能、功能集成、材料復合等前提，應保證載荷傳遞、分攤的均勻性及連續性。故方艙大板多于保溫夾芯層中預制金屬加強筋、龍骨及其他承載件，內外墻板蒙皮多用平整連續的預制金屬薄層[10]。因此，良好隔熱性能的大板應關注結構斷橋。

1.2.2 大板失效

方艙圍護大板在山地、高原、海上等作業環境下，易出現外表面蒙皮與芯層間出現小面積脫粘、剝離等現象，多因板材受熱應力、水分侵入、化學侵蝕、粘接劑失效等影響，這將影響艙體質量，破壞結構穩定，削弱功能保障。目前，研究人員普遍認為熱應力是引起方艙大板鼓包、脫粘的主要原因，但又不足以引起塑性變形[11]。蒙皮和芯層材料之間引入的活性氣體和粘接劑的粘接性能也是造成大板鼓包、脫粘的內在因素。因此，該問題亟待在方艙大板研究領域深化探索。

1.2.3 平整度、內飾、走線

大板式方艙在醫療領域的應用，受限于艙體內表面平整度、內飾裝修、電控走線等一系列標準規范及工藝要求。陳海民[12]對目前國內方艙的內飾設計提出了一系列改進性方案，提出以人性化設計理念，使方艙野外特殊作業在效率、安全、健康、舒適等多方面特性得以提高。趙懌[13]提出了內飾板材針對于方艙空間利用、功能改造等方面的重要意義及發展方向。但目前能結合內表面平整裝飾、預制電控走線、隔熱高強輕質等功能為一體的方艙數量較少，研究尚不成熟。

2 設計與分析

本文研究了一種新型多夾層復合大板生物隔離艙，分別采用定性與定量分析進行研究論述。

2.1 材料選擇

2.1.1 鋁蒙皮&鋁蜂窩板

方艙大板蒙皮材料對比分析表見表1。鋁合金在拉伸、剪切強度方面性能優于玻璃鋼，同時充分考慮成本化、商品化等因素，本文采用鋁合金作為蒙皮材料。

表1 方艙大板蒙皮材料對比分析表

該復合大板采用“蜂窩式多夾層”結構(見圖2)[14-16]，目前針對鋁蜂窩板常見的復合成型方法主要有材料表面涂覆、高溫高壓復合壓制等。鋁蜂窩板整幅面尺寸可特殊定制，并保持極佳平整度，且重量較輕。本文所述鋁蜂窩氣凝膠夾芯板結合涂覆與熱壓成型技術，于蜂窩芯內嵌氣凝膠纖維，并以高強合金鋁板壓制作面板、底板，同時基于蜂窩芯材有序多孔結構，預制電控走線通道。

a) 鋁蜂窩板表面涂覆材料

2.1.2 聚氨酯

聚氨酯分子鏈中碳氫比例高，從化學結構上屬易燃高分子材料。其密度小，比表面積大，燃燒時可與氧氣充分接觸。目前商品化的阻燃聚氨酯泡沫主要采用共混金屬氧化物及溴系阻燃劑的方式，但該方式通常會使聚氨酯的發泡過程受到影響，力學及保溫性能也會下降。

2.1.3 氣凝膠

氣凝膠的熱導率極低且阻燃性能優異，相對僅需1/3～1/5厚度，即可達到同等保溫效果。與傳統有機保溫材料相比，氣凝膠的防火性能突出，結構力好，性能穩定，壽命長，且具有良好的防水效果。還可根據復雜的形狀、彎曲度和空間限制等要求來剪裁、安裝[17]。筆者認為，將氣凝膠與聚氨酯泡沫結合，將有望賦予復合大板優異的性能。

2.2 板材設計

研究人員以聚氨酯鋁蒙皮復合板材為外夾芯板，鋁蜂窩-氣凝膠纖維復合夾層為內飾板，內外板物理結合，研制出一種保溫隔熱、力學性能良好的多夾層復合大板(見圖3)。其單位大板尺寸達2 216 mm×1 200 mm。針對上述提出的問題，該多夾層大板聚氨酯復合層蒙皮間設置有加強筋，以實現結構斷橋并保障力學強度。鋁蜂窩板同內飾鋁蒙皮間采用氣凝膠-纖維復合材料進行涂覆填充，并以改性硅烷密封劑作金屬型材間結構膠，采用雙組分漢高8103聚氨酯膠結劑和漢高8103固化劑(UK5400)作復合粘接劑，可有效解決大板失效性問題。同時鋁蜂窩芯層預制有電控走線通道，以簡化艙體安裝流程，增加作業便捷，實現預制板材的功能化集成設計模式。

圖3 鋁合金泡沫氣凝膠多夾層大板示意圖

現根據下式計算該鋁合金泡沫氣凝膠多夾層大板的總熱阻系數：

(1)

式中，R是大板熱阻系數，單位為(m2·℃)/W；λ是各層材料熱導率，單位為W/(m·℃)；δ是各層材料的厚度，單位為m；n是各種材料的總層數；i是材料的層間次序。

該大板第一層聚氨酯夾芯板面由1 mm鋁合金蒙皮、50 mm聚氨酯泡沫組成，第二層鋁蜂窩內飾板面由0.8 mm鋁合金蒙皮、15 mm蜂窩鋁芯、3 mm氣凝膠纖維材料組成，對標各子材料熱導率值可計算出該復合大板的綜合熱阻系數R≈2.365，熱導率為1/R≈0.423。該值小于GJB 6109—2007《軍用方艙通用規范》中的標準1/R(1/R=1.5)，滿足國軍標。

3 熱模擬

該復合大板生物隔離艙按40GP標準集裝箱規格設計，主要由底框架、頂框架、立柱、維護板材等組成，長×寬×高=12 192 mm×2 438 mm×2 591 mm，底框架8角件設計模式充分考慮方艙吊裝轉運。艙體結構示意圖如圖4所示。

圖4 復合大板式方艙整體示意圖

該艙圍護結構的傳熱系數根據GB 50736—2012標準規范進行計算：

(2)

式中，K是圍護結構的傳熱系數，單位為W/(m2·℃)；αn是圍護結構內表面換熱系數，單位為W/(m2·℃)；αw是圍護結構外表面換熱系數，單位為W/(m2·℃)；δ是圍護各層材料厚度，單位為m；λ是圍護各層材料熱導率，單位為W/(m·℃)；αλ是材料熱導率修正系數；Rk是封閉空氣間層的熱阻，單位為(m2·℃)/W。依照計算式對標計算，得到傳熱系數值為K=0.435 7。

該熱模擬基于ANSYS內Fluent板塊，模擬溫度范圍采用GJB 6109—2007《軍用方艙通用規范》中存儲溫度范圍：-45～55℃，設定2種極端溫度條件下大板方艙的環境溫度。本次計算僅考慮環境溫度對艙體的影響，采用自然對流換熱方式，傳熱系數為0.435 7，壓力求解方式選體積力求解，為讓計算更好收斂，求解方式選瞬態模式，時間步自定義為3 s/步。并分別監控熱流體區域的最高溫度和最低溫度，以此判斷計算是否收斂。模擬結果經數據分析處理可得(見圖5和圖6)。

圖5 -45 ℃環境大板方艙室內溫度-時間變化圖

圖6 55 ℃環境大板方艙室內溫度-時間變化圖

當設定方艙室外環境溫度為-45 ℃時，室內溫度為26 ℃，圖5所示給出了艙內最高、最低溫度與時間的變化關系?？芍獪囟入S時間逐漸降低，溫度變化率由快漸慢，最高、最低溫度在約9 000 s后逐漸趨向一致。當設定方艙室外環境溫度為55 ℃時，室內溫度為26 ℃，圖6展示了艙內最高、最低溫度與時間的變化關系。分析可知溫度隨時間逐漸升高，溫度變化率由快漸慢，最高、最低溫度在約7 200 s后逐漸趨向一致。55 ℃環境下，艙內最高溫度在初始時間段內存在溫度曲線突變現象，即先急速增長后急速減少，再緩慢增長，筆者考慮為仿真偏差原因所致；同時溫度梯度最大時，熱交換考慮存在自適應過程。

隨著時間推移，艙內最高溫度與最低溫度整體變化一致，-45 ℃條件下呈指數遞減趨勢，55 ℃條件下呈指數遞增趨勢，最終艙內最高溫度與最低溫度近似重合。艙體內外溫度梯度較大時，會使艙內最高、最低溫度以較大速率變化，一定時間后艙體內外溫度梯度下降，溫度變化率逐漸趨緩。

分別以3 h狀態下2種溫度環境的室內流體分布作中間截面云圖分析(見圖7)。即在-45和55 ℃環境溫度、艙體內無熱源的情況下，艙內溫度在3 h時溫度場分布均勻且平均溫度極接近環境溫度，此時可近似看作熱穩定狀態。艙體隔熱效果明顯。

圖7 3 h狀態下方艙內中心截面溫度云圖

4 結語

本文基于圍護體系結構斷橋、輕質材料復合、電控模塊預設，研制了一種高強度、隔熱優良且滿足國軍標GJB 6109—2007的方艙用泡沫氣凝膠大板，其由氣凝膠纖維復合材料、鋁蜂窩板、聚氨酯、鋁蒙皮等組分構成，方艙按40GP標準集裝箱規格設計，圍護體系傳熱系數為0.435 7。通過Fluent模擬仿真，考慮環境溫度對艙內溫度隨時間變化的影響。在-45和55 ℃條件下，最高、最低溫度分別在約9 000和7 200 s后逐漸趨向一致，溫度變化率由快漸慢，10 800 s觀測點均達到熱穩定狀態。數據分析可得：該鋁合金泡沫氣凝膠多夾層大板生物隔離艙隔熱效果明顯。溫度曲線偏差主要由仿真偏差原因所致；同時考慮由于溫度梯度最大時，熱交換存在自適應過程。下一步有待持續聚焦并深化試制樣艙綜合實驗分析及模擬，以推進方艙在軍備醫療領域的應用拓展和深化研究。