中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所

方 楠 陜臨喆 王 敏

2019年10月21日，在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）蘭利中心內(nèi)部研發(fā)計(jì)劃（IRAD）資助下，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)利用熱輔助真空注射成型技術(shù)研發(fā)出一種新型復(fù)合金屬泡沫，其防腐、防污、防冰、耐磨性能均優(yōu)于目前常用于固定翼和旋翼飛機(jī)機(jī)翼前緣的航空鋁材（6061-T6），有望延長(zhǎng)機(jī)翼組件的使用壽命，減少組件維護(hù)和更換的成本，改善飛機(jī)的安全性和燃油效率。這種復(fù)合金屬泡沫是一種新型超輕金屬材料，其成功研制為拓展超輕金屬的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新思路。

一、超輕金屬材料概述

超輕金屬材料具有較高的孔隙率（甚至達(dá)到90%～99%），其微結(jié)構(gòu)按規(guī)則程度可分為無(wú)序和有序兩大類(lèi)，前者包括金屬泡沫材料，后者主要為點(diǎn)陣材料。超輕金屬材料具有千變?nèi)f化的微結(jié)構(gòu)，在保持高孔隙率的前提下，其孔徑可逐漸由毫米級(jí)減小到微米級(jí)甚至納米級(jí)，使得超輕金屬材料具有良好的可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)不同應(yīng)用需求對(duì)其進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化。

超輕金屬材料密度低（僅為基體材料的1/10甚至更低）、比強(qiáng)度高，是優(yōu)異的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料；其孔隙率高，可滿足溫度控制、減振降噪、屏蔽電磁輻射、沖擊能量吸收等要求，因此是理想的新型結(jié)構(gòu)功能一體化材料。目前，超輕金屬材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)主要包括復(fù)合金屬泡沫和金屬微點(diǎn)陣材料兩大類(lèi)。

復(fù)合金屬泡沫（CMF）是美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研發(fā)的一類(lèi)新型輕質(zhì)金屬材料，其由空心金屬球和金屬基體組成，空心金屬球緊密堆積在一起，通過(guò)鑄造（熔融金屬）或燒結(jié)（粉末狀金屬）填充金屬球之間的空隙。復(fù)合金屬泡沫中金屬的含量約為30%～40%，氣孔率達(dá)到60%～70%，純不銹鋼復(fù)合金屬泡沫的密度接近鋁。復(fù)合金屬泡沫具有如下特點(diǎn)：比強(qiáng)度是普通金屬泡沫的5～6倍；能量吸收性能比鋁或不銹鋼高2個(gè)數(shù)量級(jí)，是普通金屬泡沫的8倍以上；具有優(yōu)異的隔熱性能，鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫的熱導(dǎo)率比鋁低2個(gè)數(shù)量級(jí)；具有良好的防輻射性能，鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫屏蔽X射線輻射的能力約為鋁的4倍。

金屬微點(diǎn)陣材料的概念最早由隸屬于美國(guó)波音公司的休斯實(shí)驗(yàn)室（HRL）在2007年提出。2009年，在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）“具有可控微結(jié)構(gòu)材料”項(xiàng)目的資助下，HRL開(kāi)展了金屬微點(diǎn)陣材料制備技術(shù)攻關(guān)。2011年，HRL開(kāi)發(fā)出“自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)法”（SPWT）工藝（見(jiàn)圖1），并首次成功在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下制備出微點(diǎn)陣鎳樣件，其氣孔率達(dá)99.99%，密度為0.9mg/cm3，僅為泡沫塑料的1/100，比當(dāng)時(shí)世界上最輕的固體硅氣凝膠還輕10%，其在壓縮變形超過(guò)50%后仍能完全恢復(fù)，具備超強(qiáng)的能量吸收特性。SPWT的工藝流程是：用紫外光將光敏聚合物固化，制備出微觀尺度上孔洞均勻的微支架結(jié)構(gòu)；采用化學(xué)鍍的方法在微支架結(jié)構(gòu)上鍍一層厚度可控的超薄金屬膜；再利用刻蝕技術(shù)去除支架，最終形成由壁厚為100nm的空心管組成的微點(diǎn)陣材料。

二、超輕金屬材料最新研制進(jìn)展

（一）復(fù)合金屬泡沫材料

復(fù)合金屬泡沫材料在車(chē)輛輕質(zhì)裝甲、士兵個(gè)人防護(hù)、熱防護(hù)、輻射屏蔽、有害物質(zhì)運(yùn)輸、交通工具能量吸收器、直升機(jī)著陸能量吸收部件、可植入醫(yī)療設(shè)備等諸多領(lǐng)域有顯著的應(yīng)用潛力，并引起了軍方的高度重視。近年來(lái)，美國(guó)陸軍和NASA積極資助高校開(kāi)展復(fù)合金屬泡沫的相關(guān)研究，在比強(qiáng)度、抗沖擊性能等方面不斷取得新突破。美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)在復(fù)合金屬泡沫領(lǐng)域開(kāi)展了近13年的研究，目前已經(jīng)申請(qǐng)了4項(xiàng)專(zhuān)利，建立了1家初創(chuàng)公司，并持續(xù)取得技術(shù)進(jìn)步。

圖1“自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)法”（SPWT）制備過(guò)程

2018年3月，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)和美國(guó)陸軍航空應(yīng)用技術(shù)理事會(huì)合作開(kāi)發(fā)出一種不銹鋼復(fù)合金屬泡沫，并證實(shí)10mm厚的板材可抵擋速度為1.52km/s的燃燒彈的爆炸和碎片沖擊。研究表明：該復(fù)合金屬泡沫的能量吸收性能比金屬基體高2個(gè)數(shù)量級(jí)，比強(qiáng)度是相同質(zhì)量金屬泡沫的3倍。有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在同等質(zhì)量和厚度條件下，這種復(fù)合金屬泡沫板的抗沖擊性能優(yōu)于目前常用的5083鋁質(zhì)裝甲。

2019年6月，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)制造出一種鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫芯材，其與陶瓷面板、鋁制薄背板共同構(gòu)成新型裝甲系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠像傳統(tǒng)的鋼制裝甲一樣承受速度為500～885m/s的穿甲彈的沖擊，而質(zhì)量卻不足鋼制裝甲的一半，其中，復(fù)合金屬泡沫芯可吸收穿甲彈68%～78%的動(dòng)能。利用這種新的裝甲系統(tǒng)，未來(lái)可開(kāi)發(fā)出更輕的軍用車(chē)輛，而且在不犧牲安全性或不加重車(chē)輛自重的前提下改善防護(hù)性能。此外，研究還表明，這種復(fù)合金屬泡沫還能有效屏蔽X射線、γ射線和中子輻射，耐高溫性能是鋼的2倍，其在太空探索、核廢料和爆炸物及危險(xiǎn)材料的運(yùn)輸、軍事安全、公共交通等諸多領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

飛機(jī)機(jī)翼對(duì)所用材料的要求較高，昆蟲(chóng)附著、冰霜積聚和顆粒撞擊等都會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)翼的金屬前緣腐蝕或磨損，因此每5～10年就需對(duì)機(jī)翼進(jìn)行維修或更換。而昆蟲(chóng)撞擊帶來(lái)的殘留物附著等還會(huì)造成飛機(jī)前緣表面氣流不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致層流減少、飛機(jī)氣動(dòng)效率降低。此外，飛機(jī)機(jī)翼前緣積聚的冰霜會(huì)影響飛行的安全性，需要設(shè)置機(jī)載除冰設(shè)備，造成飛機(jī)負(fù)載和油耗增加。目前，鋁是制造固定翼和旋翼飛機(jī)機(jī)翼前緣的首選材料，可通過(guò)涂覆具有良好防冰、防昆蟲(chóng)附著的聚合物涂層來(lái)提升飛機(jī)的安全性。但是，這些材料存在耐用性不足、需反復(fù)涂覆等問(wèn)題。為此，亟待開(kāi)發(fā)一種兼具金屬的耐用性和聚合物涂層的良好防腐防污防冰性能的多功能材料。

為滿足對(duì)材料防腐防污防冰性能的要求，2019年10月，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)在2018年研制的不銹鋼復(fù)合泡沫的基礎(chǔ)上，通過(guò)在表層填充環(huán)氧樹(shù)脂獲得了新型復(fù)合金屬泡沫。制備過(guò)程是先通過(guò)粉末冶金法，利用平均直徑為2mm、壁厚為100～106μm的不銹鋼空心球和316L不銹鋼基體，制備出兩種形狀尺寸不同的鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫試樣（見(jiàn)圖2），平均密度為2.8g/cm3；隨后將試樣浸沒(méi)在裝有環(huán)氧樹(shù)脂的燒杯中，并在70°C、270Pa的真空烘箱中加熱2.5h，以降低環(huán)氧樹(shù)脂的黏度，加速?gòu)?fù)合金屬泡沫中氣體的排出，促進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂填充到孔隙結(jié)構(gòu)中；然后在大氣環(huán)境下，將樣品在100℃和177℃下分別固化2h和4h，完成注射成型過(guò)程；最后將樣品從燒杯中取出，并通過(guò)電切割除去殘余的環(huán)氧樹(shù)脂，從而得到樹(shù)脂填充的不銹鋼復(fù)合金屬泡沫。復(fù)合金屬泡沫的制備工藝示意圖如圖3所示。

圖2 采用粉末冶金法制備的兩種復(fù)合金屬泡沫試樣

圖3 復(fù)合金屬泡沫的制備工藝示意圖

這種新型復(fù)合金屬泡沫表現(xiàn)出較好的疏水性，傾斜度為0°和60°時(shí)，與水的接觸角為94°和76°，比航空鋁材高30%和130%；具有優(yōu)異的耐用性，摩擦系數(shù)低于0.4，比鋁低30%，在噴砂處理120s后，其磨損深度為104μm，磨損率為0.9μm/s，表面粗糙度比鋁低33%，240s后比鋁低17%；具有良好的防污性能，昆蟲(chóng)殘留物的高度和區(qū)域覆蓋率分別比航空鋁材低60%和30%。

（二）金屬微點(diǎn)陣材料

金屬微點(diǎn)陣材料的概念一經(jīng)提出，NASA就開(kāi)始高度關(guān)注，并隨即開(kāi)始資助HRL開(kāi)展材料研制、工藝開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，寄希望于未來(lái)可將該材料用于深空探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器減重40%的目標(biāo)。

2014年，NASA資助HRL進(jìn)一步推動(dòng)SPWT工藝改進(jìn)優(yōu)化。2015年4月，NASA宣布通過(guò)“改變游戲規(guī)則”項(xiàng)目資助HRL實(shí)驗(yàn)室，研究人員以具有微晶格結(jié)構(gòu)的超輕金屬為芯材，開(kāi)發(fā)航天器用超輕金屬夾芯板。該項(xiàng)目分為兩個(gè)階段：第一階段為期13個(gè)月，經(jīng)費(fèi)55萬(wàn)美元，主要 開(kāi) 展30.48cm×30.48cm×2.54cm的 超輕金屬夾芯板的制備工作；第二階段為期18個(gè)月，經(jīng)費(fèi)200萬(wàn)美元，主要進(jìn)行60.96cm×60.96cm×2.54cm超輕金屬夾芯板的制備及性能演示驗(yàn)證，并最終成功研制出尺寸為3.05m×3.35m×2.54cm的超輕金屬夾芯板。2015年10月，HRL實(shí)驗(yàn)室宣布開(kāi)發(fā)出世界上最輕的金屬材料，并表示會(huì)將該材料應(yīng)用于旗下客機(jī)的地板、座椅與墻壁，以減輕飛機(jī)質(zhì)量；同時(shí)還表示可利用目前研制完成的超輕金屬材料制備夾芯板，未來(lái)爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)NASA提出的深空探測(cè)器減重40%的目標(biāo)。上述成果標(biāo)志著HRL實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的新型超輕金屬已從實(shí)驗(yàn)室研制階段邁向了實(shí)際應(yīng)用探索階段。

2018年7月，在美國(guó)海軍研究署的資助下，HRL通過(guò)多步增材制造實(shí)現(xiàn)了復(fù)合中空微點(diǎn)陣材料的規(guī)?；苽?。這種復(fù)合中空微點(diǎn)陣材料由彈性體芯材和金屬包覆層組成，彈性體芯材起到阻尼的作用，金屬包覆層則提供剛度和強(qiáng)度。制備過(guò)程主要包括5個(gè)步驟：（1）利用SPWT制備聚合物模板；（2）在模板上沉積鎳薄膜；（3）在金屬薄膜上沉積熱塑性聚亞安酯薄膜；（4）在聚合物薄膜上再次沉積鎳薄膜；（5）用氫氧化鈉溶液通過(guò)化學(xué)刻蝕除去聚合物模板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種三明治結(jié)構(gòu)的中空微點(diǎn)陣材料（見(jiàn)圖4）的阻尼系數(shù)比純金屬中空微點(diǎn)陣材料高20%。

三、軍用潛力分析

超輕金屬材料兼具極低的密度、優(yōu)越的力學(xué)性能和良好的能量吸收性能等，在軍用領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，主要包括：

（1）可滿足當(dāng)前裝備飛速發(fā)展對(duì)材料輕量化的要求，提高結(jié)構(gòu)的承載效率，改善武器裝備的靈活性和穩(wěn)定性，增加戰(zhàn)略武器的射程；降低飛機(jī)、艦船的能耗，增加其續(xù)航能力，從而顯著提升武器裝備的作戰(zhàn)效能。

（2）可用于軍事裝甲車(chē)、坦克、艦船、戰(zhàn)機(jī)等軍事裝備防護(hù)裝甲結(jié)構(gòu)，起到一定的緩沖作用，還可防止裝甲結(jié)構(gòu)因裂紋和缺陷的擴(kuò)展而失效。

（3）用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)襯的聲襯材料和艦艇外層的吸聲材料，起到良好的減震降噪作用。

（4）與聚合物等其他材料結(jié)合，形成新型多功能一體材料，延長(zhǎng)金屬部件的使用壽命。

四、結(jié)束語(yǔ)

圖4 三明治結(jié)構(gòu)微點(diǎn)陣材料

目前，超輕金屬材料已經(jīng)完成概念探索、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室研制工作，正在向規(guī)模化制備和應(yīng)用探索階段邁進(jìn)。隨著增材制造技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，超輕金屬材料的實(shí)用化進(jìn)程有望進(jìn)一步加速，未來(lái)將滿足航空航天、探月工程、高性能裝甲車(chē)輛、新型船舶等領(lǐng)域?qū)Ω咝芰课?、減振降噪、散熱、節(jié)能的輕量化高性能材料的迫切需求。