超輕多孔金屬的性能

【摘要】超輕多孔金屬具有比重小、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，在航天、航空、軍事防護、武器裝備等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】超輕多孔金屬；泡沫鋁；多功能兼容

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(jié)構(gòu)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(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)多功能化，在航天、航空、軍事防護、武器裝備等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景，已經(jīng)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.超輕多孔金屬的結(jié)構(gòu)特點

超輕多孔金屬按其結(jié)構(gòu)特點可分為閉孔泡沫鋁（Cellular foam）和通孔（Open-cell foam）兩種，孔徑和孔隙率是其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。孔徑在一定范圍內(nèi)可變，通常為0.5mm-5.5mm，孔隙率一般在40%-90%。其孔結(jié)構(gòu)具有可調(diào)性，密度大大低于傳統(tǒng)金屬材料，可在很大范圍內(nèi)變化。當孔隙率P=63%時，ρ=1g/cm3；P=80%時，ρ=0.54 g/cm3；P=90%時，ρ=0.27 g/cm3，約為鋁密度的1/10、鈦密度的1/20、鋼密度的1/30及木材密度的1/3。

2.超輕多孔金屬的性能

2.1 高能量吸收

泡沫鋁能量吸收的物理本質(zhì)是：孔隙的塑性形變吸能及應(yīng)力波在多孔介質(zhì)塑性范圍內(nèi)衰減。大量的實驗結(jié)果表明，泡沫鋁的σ-ε曲線有一個比較平坦的平臺區(qū)，能在比較低的應(yīng)力狀態(tài)下吸收較多的能量。在承受壓力時，σ-ε曲線上的塑性變形階段（名義應(yīng)變在0.5%-75%范圍）的應(yīng)力幾乎恒定不變。它們在變形時大量的能量被轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄阅埽詿崃啃问胶纳ⅲ怯米鳑_擊防護的優(yōu)良材料。此外，泡沫鋁還是典型的韌性材料，可以防止構(gòu)件存在裂紋和缺陷時發(fā)生瞬間的災(zāi)難性破壞，有利于人們監(jiān)測其損傷及發(fā)展。

2.2 高阻尼性能

泡沫鋁阻尼減振的物理本質(zhì)為：應(yīng)力波在多孔介質(zhì)彈性范圍內(nèi)的衰減。泡沫鋁可以看作鋁或鋁合金基體與空氣兩相共存的一種特殊情況，空氣相與鋁或鋁合金骨架兩相不均勻以及應(yīng)力——應(yīng)變存在相位差，其孔洞本身彈性模量近乎為零的軟質(zhì)性、孔洞與基體之間形成的大量界面、內(nèi)部存在的其它大量微觀和宏觀的缺陷（界面、孔隙、位錯、點缺陷等），使其具有高阻尼合金3倍以上的阻尼性能，內(nèi)耗值(Q-1)比致密鋁高一個量級以上。通過力學(xué)性能的提高，將是一種很有前途的具有高能量吸收特性的減振、降噪、輕質(zhì)、高阻尼材料。

2.3 熱物理性能

熱物理性能的物理本質(zhì)為：熱物理場在多孔介質(zhì)中的衰減。因大量孔隙的存在，泡沫鋁截面上實體金屬比例小，其余部分充滿了導(dǎo)熱性很低的氣體的氣孔，因此閉孔泡沫鋁的傳熱能力比實體金屬都小得多。在室溫下孔隙率P=90%的泡沫鋁導(dǎo)熱系數(shù)相當于實體合金的1/60，隔熱性能相當于大理石。此外，一般鋁合金的熔解溫度范圍為560oC-700oC，而泡沫鋁通常在500oC以上才開始軟化，即使加熱到1400oC也不熔化，因而具有良好的耐熱性及阻燃性。

2.4 聲學(xué)性能

聲學(xué)性能的物理本質(zhì)是聲波在多孔介質(zhì)中的反射及衰減。具有閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁，各個孔洞之間相互獨立，使得聲波難以通過，因而具有良好的隔聲效果。閉孔泡沫鋁（P=83%、厚度20mm）在125Hz-4000Hz范圍內(nèi)的倍頻平均隔聲系數(shù)為0.769。壓縮或軋制后具有微通孔結(jié)構(gòu)的閉孔泡沫鋁具有良好的吸聲性能。厚度大于10mm的泡沫鋁試樣（孔隙率為65%-88%），在頻率3kHz-30kHz的范圍內(nèi)的水下隔聲系數(shù)均大于0.95，且隨孔隙率的增大而明顯提高。通常用吸聲系數(shù)來衡量材料的吸聲性能，吸聲系數(shù)越大，吸聲性能也就越好。

2.5 電磁屏蔽性能

超輕多孔金屬的基體相連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使交變電磁場穿過泡沫鋁時產(chǎn)生感應(yīng)電勢，形成感應(yīng)渦流。渦流產(chǎn)生的磁場和原磁場方向相反，從而抵消了一部分場強，就起到了電磁屏蔽的作用。而傳統(tǒng)的電磁屏蔽金屬銅網(wǎng)因接觸電阻較高，降低了渦流電流強度，會使電磁屏蔽效果下降。基于電磁波折射、反射和渦流屏蔽原理，電磁波在多孔介質(zhì)中的衰減及反射，使它適合作為電磁屏蔽及電磁兼容材料。

2.6 其它與應(yīng)用有關(guān)的性能

超輕多孔金屬具有不燃燒、無污染、低吸附、不老化以及可回收等良好的使用性能，同時還具有良好的加工成型能力。采用電火花線切割工藝可以獲得高精度的表面，在制備中可以采取合適的預(yù)埋技術(shù)、木螺絲連接、粘接或釬焊獲得一定的外形，也可以用兩面蒙皮形成高強度、輕質(zhì)的三明治結(jié)構(gòu)。

基于上述特點，超輕多孔金屬用做功能材料具有結(jié)構(gòu)化，用做結(jié)構(gòu)材料具有功能化的優(yōu)勢，反映了結(jié)構(gòu)材料和功能材料互相滲透及多學(xué)科互相滲透，在應(yīng)用研究上有廣泛的空間。

參考文獻：

[1]Ashby M F，Evans A G.Metal Foams:A Design Guide[M].Boston:B-H Press，2000:1-5.

[2]Ashby M F，Lu T J.Metal foams: A survey[J].Science in China.Ser B，2003，46:521-532.

[3]Zhang Yong-Ming， Chu Xu-ming， Wang Hui， et al. Fabrication of Al-Mg-RE foams and their corrosion resistance properties[J].Corrosion Science. 2009，51(6):1436-1440.