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【摘要】超轻多孔金属具有比重小、高比强、高比刚度、阻尼减振、能量吸收、吸声、隔声、隔热、电磁屏蔽及多功能兼容等性能，在航天、航空、军事防护、武器装备等领域有重要应用前景。
【关键词】超轻多孔金属；泡沫铝；多功能兼容
超轻多孔金属是一种在铝或铝合金基体中分布大量孔隙的新型材料，包括闭孔泡沫铝和通孔泡沫铝，集结构性和功能性于一身。以往将金属中的孔隙，如缩孔、疏松、气孔等作为一种缺陷来对待。而超轻多孔金属恰恰是利用了材料的这种缺陷，具有比重小、高比强、高比刚度、阻尼减振、能量吸收、吸声、隔声、隔热、电磁屏蔽及多功能兼容等性能，实现了结构材料的轻质多功能化，在航天、航空、军事防护、武器装备等领域有重要应用前景，已经成为二十世纪末及二十一世纪美、中、英、德日竞相研究的前沿热点材料之一。
1.超轻多孔金属的结构特点
超轻多孔金属按其结构特点可分为闭孔泡沫铝（Cellular foam）和通孔（Open-cell foam）两种，孔径和孔隙率是其基本结构参数。孔径在一定范围内可变，通常为0.5mm-5.5mm，孔隙率一般在40%-90%。其孔结构具有可调性，密度大大低于传统金属材料，可在很大范围内变化。当孔隙率P=63%时，ρ=1g/cm3；P=80%时，ρ=0.54 g/cm3；P=90%时，ρ=0.27 g/cm3，约为铝密度的1/10、钛密度的1/20、钢密度的1/30及木材密度的1/3。
2.超轻多孔金属的性能
2.1 高能量吸收
泡沫铝能量吸收的物理本质是：孔隙的塑性形变吸能及应力波在多孔介质塑性范围内衰减。大量的实验结果表明，泡沫铝的σ-ε曲线有一个比较平坦的平台区，能在比较低的应力状态下吸收较多的能量。在承受压力时，σ-ε曲线上的塑性变形阶段（名义应变在0.5%-75%范围）的应力几乎恒定不变。它们在变形时大量的能量被转变为塑性能，以热量形式耗散，是用作冲击防护的优良材料。此外，泡沫铝还是典型的韧性材料，可以防止构件存在裂纹和缺陷时发生瞬间的灾难性破坏，有利于人们监测其损伤及发展。
2.2 高阻尼性能
泡沫铝阻尼减振的物理本质为：应力波在多孔介质弹性范围内的衰减。泡沫铝可以看作铝或铝合金基体与空气两相共存的一种特殊情况，空气相与铝或铝合金骨架两相不均匀以及应力——应变存在相位差，其孔洞本身弹性模量近乎为零的软质性、孔洞与基体之间形成的大量界面、内部存在的其它大量微观和宏观的缺陷（界面、孔隙、位错、点缺陷等），使其具有高阻尼合金3倍以上的阻尼性能，内耗值(Q-1)比致密铝高一个量级以上。通过力学性能的提高，将是一种很有前途的具有高能量吸收特性的减振、降噪、轻质、高阻尼材料。
2.3 热物理性能
热物理性能的物理本质为：热物理场在多孔介质中的衰减。因大量孔隙的存在，泡沫铝截面上实体金属比例小，其余部分充满了导热性很低的气体的气孔，因此闭孔泡沫铝的传热能力比实体金属都小得多。在室温下孔隙率P=90%的泡沫铝导热系数相当于实体合金的1/60，隔热性能相当于大理石。此外，一般铝合金的熔解温度范围为560oC-700oC，而泡沫铝通常在500oC以上才开始软化，即使加热到1400oC也不熔化，因而具有良好的耐热性及阻燃性。
2.4 声学性能
声学性能的物理本质是声波在多孔介质中的反射及衰减。具有闭孔结构的泡沫铝，各个孔洞之间相互独立，使得声波难以通过，因而具有良好的隔声效果。闭孔泡沫铝（P=83%、厚度20mm）在125Hz-4000Hz范围内的倍频平均隔声系数为0.769。压缩或轧制后具有微通孔结构的闭孔泡沫铝具有良好的吸声性能。厚度大于10mm的泡沫铝试样（孔隙率为65%-88%），在频率3kHz-30kHz的范围内的水下隔声系数均大于0.95，且随孔隙率的增大而明显提高。通常用吸声系数来衡量材料的吸声性能，吸声系数越大，吸声性能也就越好。
2.5 电磁屏蔽性能
超轻多孔金属的基体相连接的网状结构，使交变电磁场穿过泡沫铝时产生感应电势，形成感应涡流。涡流产生的磁场和原磁场方向相反，从而抵消了一部分场强，就起到了电磁屏蔽的作用。而传统的电磁屏蔽金属铜网因接触电阻较高，降低了涡流电流强度，会使电磁屏蔽效果下降。基于电磁波折射、反射和涡流屏蔽原理，电磁波在多孔介质中的衰减及反射，使它适合作为电磁屏蔽及电磁兼容材料。
2.6 其它与应用有关的性能
超轻多孔金属具有不燃烧、无污染、低吸附、不老化以及可回收等良好的使用性能，同时还具有良好的加工成型能力。采用电火花线切割工艺可以获得高精度的表面，在制备中可以采取合适的预埋技术、木螺丝连接、粘接或钎焊获得一定的外形，也可以用两面蒙皮形成高强度、轻质的三明治结构。
基于上述特点，超轻多孔金属用做功能材料具有结构化，用做结构材料具有功能化的优势，反映了结构材料和功能材料互相渗透及多学科互相渗透，在应用研究上有广泛的空间。
参考文献：
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