超輕多孔金屬材料的多功能特性及應(yīng)用分析

戴耀斌

摘 要：超輕多孔金屬是近年來隨著材料制備和機械加工技術(shù)的快速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型多功能材料。這是材料選擇及其性能研究中的一個新課題。本文介紹了多孔金屬材料和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，包括材料制備、性能表征等方面，重點介紹了多孔金屬的多功能復(fù)合特性及其在國民經(jīng)濟和高新技術(shù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多孔金屬；復(fù)合特征

引言：超輕多孔金屬具有高孔隙率的特點。根據(jù)它們的規(guī)律性，它們的微觀結(jié)構(gòu)可以分為兩類：無序和有序。前者包括泡沫材料，而后者主要是格子材料。

與傳統(tǒng)材料相比，超輕多孔材料具有不斷變化的微結(jié)構(gòu)。在保持高孔隙率的前提下，孔徑可以從毫米逐漸減小到微米甚至納米級。因此，多孔金屬具有良好的可設(shè)計性，可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求進行優(yōu)化設(shè)計，并且可以在制備前進行多功能和多學科的協(xié)同設(shè)計。一般來說，多孔金屬材料的單位體積重量僅為固體材料的十分之一或更少，而不同結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)對材料的機械和其它物理性能有顯著影響。這些材料除了承載載荷外，還可以同時發(fā)揮其他功能，如利用材料的多孔特性進行對流換熱，以滿足溫度控制要求，吸收和降低噪聲，屏蔽電磁輻射，吸收沖擊能量、阻尼和阻尼振動等。

一、多孔金屬的復(fù)合特征的概述

超輕多孔金屬材料的高孔隙率使其具有獨特的多功能復(fù)合特性，它具有超輕，高強韌，耐撞擊，高效散熱、隔熱，噪聲管理等優(yōu)勢，并且超輕多孔金屬的內(nèi)部空間巨大，更加易實現(xiàn)多功能的集成。多孔金屬不僅可以用作許多應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料，而且在某些場合也可以用作功能材料。一般來說，它既有功能也有結(jié)構(gòu)功能。它是一種性能優(yōu)異的多功能工程材料，在交通、微電子、海洋石油開采、航空航天、生物、醫(yī)療、建筑等高新技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義。特別值得指出的是，多孔金屬材料和結(jié)構(gòu)在高能耗設(shè)備（汽車、高速列車、航空飛行器、船舶等）中的廣泛應(yīng)用。）不僅會大大減少對常規(guī)能源的需求，還會減少環(huán)境污染。與世界先進國家相比，我國在這一領(lǐng)域起步并不晚，甚至在一些國家目標和學科上處于領(lǐng)先水平。結(jié)合我們在人才、原材料和生產(chǎn)成本方面的優(yōu)勢，我們可以完全開發(fā)出一系列可以大規(guī)模應(yīng)用并擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)。

二、多孔金屬的多功能特性

2.1超薄多孔金屬夾層結(jié)構(gòu)

超輕多孔金屬是汽車工業(yè)中的典型應(yīng)用。超輕結(jié)構(gòu)、能量吸引、緩沖絕緣代表了不同的應(yīng)用領(lǐng)域。整個應(yīng)用說明了與這3種應(yīng)用相對應(yīng)的多孔金屬的優(yōu)點。理想的應(yīng)用方法是得到一個更輕的控制盤，并且可以在碰撞的情況下使用。它吸收能量，吸收聲音和隔熱。以微型不銹鋼纖維為芯材，薄不銹鋼板為面板的夾層結(jié)構(gòu)，是一種具有強度、剛度和延展性等獨特性能的超輕結(jié)構(gòu)材料。與傳統(tǒng)的金屬板一樣薄且易于成形，它比鋁輕，具有更好的剛性，材料的中空芯使汽車具有優(yōu)異的減震、隔音和防震性能。用該材料設(shè)計的單片式防火墻板可以代替較厚的橡膠隔離層，可以保護乘客免受機艙內(nèi)的熱量和噪聲的干擾。除了在汽車擋泥板、防護罩和車頂?shù)闹圃熘刑娲饘侔宓拿黠@潛力外，還可以將管狀部件用作結(jié)構(gòu)部件。

2.2多孔金屬降噪材料

多孔材料作為一種有效的吸聲材料，在噪聲治理中得到了廣泛的應(yīng)用。雖然木纖維板、微孔板等也具有較好的降噪功能，但它們的應(yīng)用范圍往往受到強度和剛度不足的限制。多孔金屬降噪材料具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、防火、防潮、無毒、美觀等特點。多孔金屬介質(zhì)在解決阻抗匹配和水溫和壓力效應(yīng)方面具有罕見的優(yōu)點，同時也避免了化學纖維的容易污染。多孔金屬因其重量輕、強度高等優(yōu)點，在汽車、船舶和航空結(jié)構(gòu)中具有很好的應(yīng)用前景。

2.3換熱緊湊效能高

由銅或純鋁制成的具有高導(dǎo)熱性的金屬泡沫可用作緊湊型熱交換器。在這種情況下，需要開孔結(jié)構(gòu)。當金屬泡沫被冷卻或加熱時，熱量可以通過強制對流的形式從氣體或液體中通過氣體或液體散發(fā)或加熱。通過實驗和理論計算，泡沫材料開孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可以使壓降降到最低，滿足汽車和微電子器件緊湊型換熱器的嚴格要求。這樣的微電子器件通常具有高能量耗散密度，例如計算機芯片或能量電子器件。

三、多孔金屬的應(yīng)用分析

3.1多孔材料的動態(tài)力學性能和耐撞性

在實際應(yīng)用中，多孔金屬由于其特殊的理化性能和力學性能，特別是其承受基本恒定和低水平壓縮應(yīng)力的能力，具有廣泛的變形特性。對于許多包裝和減震系統(tǒng)來說，這是最理想的。通過選擇基質(zhì)材料、孔結(jié)構(gòu)形態(tài)和孔隙率來控制變形特性，可以使多孔金屬成為理想的吸能材料。與有機泡沫材料相比，多孔金屬在實際應(yīng)用中要求更高的損傷應(yīng)力，需要吸收相同或更多的能量，在汽車、航天、鐵路運輸、造船、建筑、包裝等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，研究多孔金屬在高變形速率下的動態(tài)力學性能、破壞機理和耐撞性，對其在上述領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。

3.2對于電磁波的影響

研究表明，多孔材料對電磁屏蔽有顯著影響，如多孔SiC的吸收性能是固體材料的2倍以上。吸收特性的改善主要是由于電磁波在多孔介質(zhì)中的反射和散射，孔隙率和孔徑是影響吸收能量的兩個重要參數(shù)。金屬絲被制成有序的空間結(jié)構(gòu)，并且可以形成一種特殊的功能材料：左手材料。這種材料具有特殊的反常性質(zhì)，如負折射率。這種材料的反射和折射性能與傳統(tǒng)材料完全不同。基于電磁波的反射和折射原理（如雷達隱身技術(shù)、成像技術(shù)等），有可能帶來相關(guān)技術(shù)的根本性變化。

3.3應(yīng)力波介質(zhì)中的傳播

制造多孔介質(zhì)的材料在許多情況下不能被視為彈性介質(zhì)（特別是作為減震、防震包裝、保護材料，其應(yīng)力波和能量衰減是其主要設(shè)計目標）。因此，應(yīng)該考慮應(yīng)力波的衰減。此外，它通常只處于低壓力的情況下。在彈性波及其衰減理論的情況下，這是有效的。在大多數(shù)多孔介質(zhì)的應(yīng)力波問題中，相對于結(jié)構(gòu)，應(yīng)力波很強，超出了材料的彈性范圍。如果材料本身不是線性的，則有必要在非線性應(yīng)力應(yīng)變定律下考慮波的傳播問題。

結(jié)束語：

追求輕質(zhì)高性能材料不僅是過去幾十年材料科學研究的一個重要目標，也是未來幾十年不變的主題之一。隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們不再滿足于單純的輕質(zhì)材料，而是尋求將輕質(zhì)材料與其他優(yōu)異性能結(jié)合在一起以滿足不同需要的先進材料。

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