超輕多孔金屬在航天\\航空及軍事領域的應用

【摘要】超輕多孔金屬具有比重小、阻尼減振、能量吸收、吸聲、隔聲、隔熱、電磁屏蔽及多功能兼容等性能，在航天、航空、軍事防護、武器裝備等領域有重要應用前景。

【關鍵詞】超輕多孔金屬；泡沫鋁；軍事應用

超輕多孔金屬是一種在鋁或鋁合金基體中分布大量孔隙的新型材料，包括閉孔泡沫鋁和通孔泡沫鋁，集結構性和功能性于一身。以往將金屬中的孔隙，如縮孔、疏松、氣孔等作為一種缺陷來對待。而超輕多孔金屬恰恰是利用了材料的這種缺陷，具有比重小、高比強、高比剛度、阻尼減振、能量吸收、吸聲、隔聲、隔熱、電磁屏蔽及多功能兼容等性能，實現了結構材料的輕質多功能化，在航天、航空、軍事防護、武器裝備等領域有重要應用前景，已經成為二十世紀末及二十一世紀美、中、英、德日競相研究的前沿熱點材料之一。

1.超輕多孔金屬在航天領域的應用

輕質并同時具有多項優良性能的超輕多孔金屬是航天工程一直追尋的理想結構材料。例如，目前運載火箭的運載能力雖相對過去已經大大提高，但實際運載能力還是很有限的，減輕航天器的重量是航天產品設計的重要課題之一。即便是在火箭運載力足夠的條件下，如能減輕結構重量，增加有效載荷則可大大降低發射費用。據分析，目前每送入軌道1公斤有效載荷，需發射費用上萬美元。如果把超輕多孔金屬用在航天器上，經濟效益顯而易見。利用輕質超輕多孔金屬結構隔熱雙重性能，可將其用在航天結構隔熱部件、電子設備防護層等領域；如果在超輕多孔金屬結構中有選擇地引入傳感元件和促動元件，則可實現機敏結構的各種功能，用于飛行器形貌的主動控制、展開式空間望遠鏡及衛星反射等。利用超輕多孔金屬散熱、隔熱（閉孔泡沫）、隔音、重量輕等優勢，在滿足強度等其他性能要求的條件下，空間站以及一些大型航天器中的非承力件或次承力件，如散熱件、隔熱件、隔板、艙門等等都可用超輕多孔金屬替代現有材料。

法國國家研究中心（French Space Agency CNES）、德國空間局（German Space Agency DLR）與Alm gMbH 公司合作展開泡沫鋁夾芯結構在空間飛行器的應用研究，其中Alm gMbH 公司負責設計、計算和部件制造，法方負責檢驗、組對裝配和測試。采用12塊泡沫鋁夾芯復合板拼焊成型的歐洲航天局Ariane V運載火箭大型錐體結構件，上直徑2.6m，下直徑3.9m，高0.8m，總重僅200Kg-210Kg，其中泡沫鋁夾芯復合板重為140Kg，節省了自結構重量，改善了結構承載狀態，提高了航天器的結構安全性和有效載荷。

2.超輕多孔金屬在航空領域的應用

用泡沫鋁三明治板代替以前各向異性的蜂窩結構不僅具有良好的力學性能，而且還可以降低成本。這是因為一方面泡沫鋁具有較高的抗彎曲性能；另一方面泡沫鋁具有各向同性的均勻機械性能，并且可以用來制作各種結構件。泡沫鋁焊接、膠粘到結構體上，可做成夾層承載構件，作為機翼金屬外殼的支撐體，以及宇宙飛船的起落架等。美國波音公司已經研究了泡沫鋁芯材夾層件在直升機尾梁中的應用。與一般平板式蜂窩結構相對照，這樣夾層結構的一個顯著優點是可以制成彎曲的甚至三維的形狀。目前，直升機制造商試圖用超輕多孔金屬部件來替換一些目前正在使用的蜂窩結構元件。在空間技術方面，超輕多孔金屬已被研究用于航天飛機著陸架中沖擊能吸收元件以及衛星中承載結構的增強件。超輕多孔金屬良好的剛度及阻尼性能，非常利于應用在渦輪及渦輪葉片上；如將超輕多孔金屬與外表面吸波材料結合，將可以更好地在飛機上實現隱身和降噪；利用超輕多孔金屬的高阻尼性能，可用于航空航天設備中的保護封套和緩沖器。國外已經用超輕多孔金屬設計制作了預警飛機雷達的防振支座，并獲得了較佳的效果。此外，超輕多孔金屬還可被用作輕質、傳熱的支撐結構。

3.超輕多孔金屬在軍事領域的應用

超輕多孔金屬在軍事防護包括爆炸緩沖液具有重要的應用價值。將超輕多孔金屬用在軍事通信設備、機房及軍事指揮所的電磁屏蔽，能防止核輻射引起的電磁脈沖效應EMP（該效應能燒毀半導體或產生因數據傳輸損失引起電子混亂，最終摧毀電子設備）。軍艦中的升降機平臺、結構性艙壁、天線平臺和信號艙等，均可用到超輕多孔金屬。焦麗娟等[2]研究了超輕多孔金屬在防爆復合裝甲板設計中充當吸能夾芯層的應用，表明其非常適合應用在輕型裝甲車輛對爆炸沖擊波的防護結構設計上。C.J.Yu等研究了泡沫鋁在輕質復合裝甲系統中應用，表明不論在激波屏蔽，還是在吸收沖擊能量、減緩或防止背板層裂等方面，超輕多孔金屬都具有明顯效果。在國防領域的武器裝備中海可以制作魚雷的隔音板，減小魚雷的噪聲；導彈鼻錐的防外殼倒坍支持體（因其良好的導熱性）。東南大學采用超輕多孔金屬作為機槍槍托緩沖體主體，在減輕槍體重量的同時，在彈性范圍內使后坐力明顯降低。

綜上，航天、航空及軍事領域的應用研究成果表明，超輕多孔金屬因其獨特的結構和多功能兼容，在上述領域有重要的應用前景。立足我軍部隊實際需要，以戰場需求為目標牽引，深入開展與超輕多孔金屬相關的軍事應用技術研究是該研究領域非常富有前瞻性的課題。

參考文獻：

[1]鄭偉，孫悅年.泡沫鋁在航天工程中的應用展望[J].航天器工程，2001，

10(30):24-29.

[2]焦立娟，韓輝.泡沫鋁材料在防爆復合裝甲板設計中的應用[J].車輛與動力技術，2009(3):42-48.