用了这种材料，被吹起的不止骄傲放纵，还有你的小汽车？
2017/11/10 科学大院
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作者：邓浩然(西安理工大学)
设想一下，在未来的一天，当城市里又刮起大风的时候，天上不仅有随风飞舞的树叶啊、塑料袋啊、瘦子啊……还有来自停车场的汽车，它们像气球一样放飞自我，那将是多么魔性的场面。
可能很多人觉得不可思议，汽车怎么会被风吹起来!
但如果我说这些车辆的大部分构件都是由金属泡沫材料制成的，那么以上所描述的场景就真的有可能“实现”。
那这种神奇的材料究竟是何方神圣？且听我慢慢道来——
金属泡沫材料：从“传统”向“新兴”的跨越
在新材料的探索与创新中，人们在材料的研发与选用上似乎更钟爱高致密固体材料，这是因为人们长久以来都认为，致密材料具有强度大、高刚度等优异性能。
但是反观自然界，我们会发现，在自然界中更多选用的是多孔材料或泡沫材料，如蜂窝、珊瑚等。
图1 蜂窝采用的就是典型的多孔材料
这是否说明在一定条件下，泡沫材料也具有不输给高致密材料的优异性能呢？
随着科研工作的推进，这一答案是肯定的，以金属泡沫材料为例，其不仅具有高致密金属材料的优异性能，而且在某些方面甚至超过高致密金属材料。
金属泡沫材料是一种结构/功能一体化，并具有优异物理特性和良好机械性能的新型多用途工程材料。
它具有低密度(同体积金属密度的3/5～1/50)、高孔隙率、孔径大、比表面大等结构特征。其优异性能主要表现有高强度、减震性能好、消音效果好、电磁屏蔽性能高、低热电导率、阻尼性好等特点，使它在汽车、航空航天、船舶、生物、装甲、化工催化、电池极板等领域有着广泛的应用。
图2 金属泡沫材料(泡沫化结构正是实现材料轻量化的主要因素)
金属泡沫材料的发展历程
其实，金属泡沫材料已经“年岁”不小。
1948年，Sosnick提出用气化汞制备金属泡沫铝合金，这标志着人类首次拥有了金属泡沫体的概念，打破了长久以来金属只有致密结构的传统理论。
1951年，Elliot采用熔体发泡法成功制造出泡沫铝。
1983年，G.J.DVIES发表的论文是金属泡沫系统化研究正式开始的标志，金属泡沫的研究也开始进入活跃期。
1988年，由L.J.Gbson和M.F.Ashby出版的《多孔固体—结构和性能》至今仍是多孔材料研究领域的重要著作。
1991年，日本九州工业研究所开发出泡沫铝工业化生产的工业流程。2000年，M.F.Ashby等人首次系统性总结了金属泡沫的制备方式、性能与应用方向。
自2000年后，细微颗粒制备技术逐渐趋于成熟，金属泡沫研究领域也开始迅猛发展。
金属泡沫材料可以有多轻？
在2015年由深泉技术学院(DST)和美国纽约大学理工学院的研究人员小组共同研发的金属基复合泡沫材料，它的密度只有0.92克/立方米，完全可以漂在水上。
厉害的是，这种材料在实现轻量化的同时还具有令人满意的强度，其单一球体壳在断裂前能够忍受每平方英寸25000磅的压力。
与传统的金属泡沫材料相比，金属基复合泡沫材料的优势在于，它可以在制备生产中自定义密度、一定范围控制孔洞的尺寸形状和其它特性。
图3 金属基复合泡沫材料
90年代至今，国内的中科院、东南大学、哈尔滨工业大学、东北大学、昆明理工大学、西安理工大学等机构与高校也开始将注意力转到金属泡沫研发领域，并取得了一定科研成果。
例如，鉴于泡沫金属优异的热传输特性以及其巨大的工业应用潜力，中科院工程热物理研究所在多孔介质传热传质方面进行了两方面的应用研究：
一是泡沫金属内热传输特性的研究，主要用于热交换、储热、强化换热等方面，目前已对泡沫金属内导热特性、气固传热特性及辐射传热特性进行了较为系统的模拟研究；
二是耦合化学反应的热质传递机理的研究，实现各种催化反应设备的设计，主要面向于能源的热化学利用，目前是针对低温热能品位提升高效化学热泵内涉及的相关科学问题进行了研究，未来将进一步向其它能源热化学应用领域扩展。
金属泡沫材料的应用有哪些？
前面我们提到了金属泡沫材料具有强度高、轻量化、吸能性好、易加工、高渗透等特点。那么我们可以将金属泡沫材料应用在哪些领域呢？
在汽车制造领域，金属泡沫材料的使用可以减轻交通工具的重量、提高燃油效率、并利用它良好的吸能在发生事故时最大限度保证乘客的安全。
在实际生产中发现，汽车构件中如顶盖板、底盖板、座椅、保险杠、前后纵梁等部件都可采用泡沫铝制造。例如，德国卡曼汽车公司采用三明治式泡沫铝制造的顶盖板，刚度比原来采用钢构件时的刚度提高7倍左右，但重量却比钢构件轻了25%左右!
图4 奥迪A8(保险杠、前后纵梁、支柱均为金属泡沫材料制品)
固然，车辆轻量化是目前的发展趋势，但并不是过度的轻量化，这是安全性与制造成本所不允许的，所以大家也不必担心未来自己的车会真被吹上天。
那么，为什么在实际工程应用中是使用三明治板而不是直接使用金属泡沫材料？
这是因为大多数情况下，单独使用金属泡沫材料还不足以满足实际工程应用的要求。一般在车辆制造方面，有上下两板面的三明治板具有更令人满意的刚度、强度，所以出于对结构与性能的实际考量，单独使用金属泡沫材料是行不通的。
图5 用三明治式金属泡沫材料制成的列车车身部件
在航空制造领域，金属泡沫材料可用于机翼的金属支撑体、飞机刚性支撑板等支撑结构，其优异的减振吸能能力与良好的消音能力使它也可用于飞机引擎的辅助材料。
图6 NASA对泡沫金属材料制备的飞机引擎消音衬垫进行消音效果测试
在生物材料领域，因为部分多孔材料与人体组织有良好的相容性和无害性，所以可用于一些医疗领域，例如骨科、牙科等。例如，用钛金属泡沫材料制成的人造骨骼，既有利于相应组织细胞的附着生长，又具有很好的减振效果，在保证力学性能的同时又使替换部分的生物特性接近原有水平。
在电池材料领域，随着电动汽车的逐步市场化，重量轻、高比能、转化率高成为电池材料发展的关键。传统烧结多孔电极存在孔隙率较低、电极强度不够等问题，使用金属泡沫材料作为电极的结构材料可以在很大程度弥补烧结多孔电极的缺陷。轻量化、高孔率的纤维基板与传统烧结基板相比，金属使用量降低50%左右，基板质量可以减轻10%左右，并且可以较大幅度地提高电池的能量密度。
在化工领域，可以利用金属泡沫材料的比表面积大、强度高、韧性好的特点，用来制造高效催化剂或者催化剂的载体。金属泡沫材料的催化剂可用于碳氢化物的深度氧化、乙醇的选择性氧化等化工反应。
图7 三维网状金属多孔体催化器部件
在军事应用领域，可用于防弹衣插板等防护装备。
美国北卡罗莱纳州立大学Afsaneh Rabiei教授的团队通过试验证明：使用金属泡沫材料制成的防弹插板不仅可以抵挡住穿甲子弹的射入，甚至可以将弹体变成粉末。
除了防弹衣，还可用于军用船舶制造方面作为船体或者是潜艇的壳体。
图8 朱姆沃尔特号驱逐舰(于2016年10月15日服役)
例如，美国海军朱姆沃尔特号驱逐舰便是第一艘使用金属复合泡沫船体的海军战舰，使用复合金属泡沫船体既可以为舰体提供很高的强度和很好的抗冲击能力、又可以减轻舰体重量、还可以一定程度上滤除敌方雷达的电磁波，增强舰艇隐身的效果；使用金属泡沫材料制成的夹心壳体可以使潜艇的壳体强度提高3至5倍，大幅度提升下潜深度，提高潜艇的隐蔽性能。
金属泡沫材料的发展趋势
自问世近七十年以来，金属泡沫材料因其兼顾结构材料与性能材料的特性，而逐渐引起世界各国的重视。随着金属泡沫生产工艺的不断创新与完善，它在国内外的基础工业领域与高技术领域正在得到越来越广泛的应用。
未来，金属泡沫材料在组成上将从单一金属逐渐向多种金属和金属/非金属复合发展，实现材料功能的多元化，基体也从低熔点金属逐渐向高熔点金属转变。在结构方面由不规则构型向可控规则构型发展，对该材料的研究也逐渐从单学科研究向多学科交叉领域研究过渡，以实现更好更快地发掘金属泡沫材料在高技术领域的发展潜能。而在市场化方面，工艺上将逐渐从宏观向精细升级，产品也会向高质量、低成本、多功能迈进。
参考文献
[1] 姚广春 、曹卓坤 . 抗爆、柔性甲板和高强潜艇壳体的研究 . 东北大学 . 2012
[2] 张士卫 . 泡沫金属的研究与应用进展 . 中国空空导弹研究院 . 2016
[3] 新型多孔材料——泡沫金属 . 中科院工程热物理研究所 . 2017
(文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn)
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