泡沫金屬復合材料的研究進展

刁明霞，果春煥，高華兵，李海新，董 濤，肖明穎，楊振林，姜風春,*

(1 哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，哈爾濱 150001；2 哈爾濱工程大學 煙臺研究(生)院，山東 煙臺 264000)

泡沫金屬是一類用途廣泛的多孔材料，其研究已經取得了很多成果[1-7]。為進一步改善其性能，人們又開始著力于研究泡沫金屬復合材料(metal foam composites, MFCs)。不同于傳統的泡沫金屬材料，泡沫金屬復合材料是在傳統的金屬基體中以加入增強體的形式來制備得到有著多孔結構的復合材料，從而起到增強材料本征強度的目的[8-9]。填充中空顆粒的泡沫金屬復合材料不僅有著傳統泡沫金屬材料的特點優勢，還具有更高的力學性能、更好的隔熱性能和更低的熱膨脹系數，且其內部孔隙分布均勻，尺寸穩定性更高，在小型無人機、海洋管線、醫療器械等行業具有巨大的應用前景[7-10]。人們對泡沫金屬復合材料進行了較為深入的研究，發現在制備過程中作為增強體的空心顆粒與基體反應形成的界面對于材料的性能尤為重要，根據這類材料的結構特性，開發出了更多輕質、低密度以及高性能的復合材料[11-15]。理論上，泡沫金屬復合材料的基體可以是任何一種金屬，如鋁合金、鈦合金和銅合金等。然而，在實際研究中為降低復合材料的密度，基體多為輕質金屬，如鋁合金或鎂合金等。對于增強體而言，大多數研究采用飛灰[14-15]、微球[16]、玻璃微珠[17]或其他陶瓷中空顆粒[12-13，18]等作為各種合金的填料。填料可以是單一的，也可以是兩種及以上。不同種類的填料會導致泡沫金屬復合材料具有不同的性能。隨著金屬空心球生產工藝的發展，金屬空心球復合材料逐漸成為新一代的泡沫金屬復合材料，通過一定的制備工藝，空心球均勻分布于金屬基體中，使得材料具有更為優良的力學性能、吸能特性、屏蔽性能、阻尼性能和隔熱特性，成為現有多孔材料的一個研究熱點。

泡沫金屬復合材料作為一種新型多功能輕質復合材料，已成為多功能金屬復合材料領域的一個重要發展方向。然而，相關文獻對于泡沫金屬復合材料的進展多集中于顯微結構及力學性能方面[19-20]，對于其他性能及其影響因素鮮有報道。本文對泡沫金屬復合材料的制備方法、性能、影響相關性能的因素以及其主要應用進行論述，重點討論密度、基體、增強相和制備工藝等對泡沫金屬復合材料的性能影響的研究現狀，并對泡沫金屬新材料、新工藝等領域的未來研究方向進行展望。

1 泡沫金屬復合材料的制備技術

泡沫金屬復合材料的性能主要取決于填充材料的體積分數，其次填充材料的彌散程度以及尺寸對性能也有一定的影響。填充材料的彌散程度越均勻說明制備工藝越有效。制備泡沫金屬復合材料的方法一般有粉末冶金法、壓力浸滲法、攪拌鑄造法等。

1.1 粉末冶金法

粉末冶金(powder metallurgy，PM)是一種固相加工方法，將金屬粉末在保護或者非保護的條件下燒結成不同形狀的制品。在粉末冶金工藝中，將空心顆粒與金屬基體材料充分混合，在壓力下進一步壓實后得到組件“生坯(green compact)”，這種生坯再使用常規或微波輔助燒結技術進行燒結，從而獲得泡沫金屬復合材料[9]。該制備方法十分靈活，可用于制備具有不同體積分數填充材料的泡沫金屬復合材料。在合成體積分數較高的空心填充材料時，壓實階段會出現空心球破損或者斷裂的情況。因此，該方法最適合于合成體積分數較低的空心飛灰泡沫金屬復合材料[8]。

1.2 壓力浸滲法

壓力浸滲(pressure infiltration，PI)工藝有很多種不同的類型。經典的壓力浸滲工藝主要分為3類：壓力浸滲技術、預鑄造與鑄造浸滲技術和重力與反重力浸滲技術。此方法是將填充材料預制于模具中，在真空或者保護氣氛下熔融的金屬通過一定的壓力滲透到模具中，充分結合后填充材料間的空間形成網格狀的泡沫金屬復合材料[10]。該方法的優點是可以制備填充材料體積分數較高(高達70%)的泡沫金屬復合材料，制備出的材料孔隙率較低。局限性在于，填充體的強度較低時，熔融金屬的高壓滲透會使得填充材料斷裂，難以成功制備泡沫金屬復合材料。以陶瓷空心球增強體為例，首先需要制備高強度的陶瓷空心球，其次在浸滲過程中要密切關注熔融金屬的過熱度以及填充材料的預熱程度，以防發生阻塞，滲透不完全。

1.3 攪拌鑄造法

攪拌鑄造(stir casting，SC)法也是用來制備泡沫金屬復合材料常用方法之一。高速旋轉的葉輪對熔體進行攪拌，將填充材料緩慢地加入熔體的漩渦中，最后鑄造成泡沫金屬復合材料[11]。這種方法成本低，易于實現，只需要在制備傳統材料的攪拌鑄造設備上簡單添加新的設施即可，在泡沫金屬復合材料的制備中得到極為廣泛的應用。當填充材料的密度低、體積分數低時，這種制備方法是首選，而在填充材料體積分數較高時，攪拌過程中高剪切應力會使顆粒大量破裂。但劉培生等[12-13]制備的高強度陶瓷空心球成功地打破了該項技術的桎梏，通過調控陶瓷空心球的尺寸以及壁厚制備出不同尺寸和不同強度要求的制品，采用這種工藝制備以陶瓷空心球為增強體的泡沫金屬復合材料可以改善復合材料的質量。另外，填充材料的潤濕性對于這項技術的影響也很重要。飛灰空心球鍍鎳可以增加與鋁基體的潤濕性，這在利用攪拌鑄造的方法制備鋁基泡沫復合材料已得到了廣泛的應用[11,14]。然而，該方法制備的泡沫金屬復合材料填充材料分布不夠均勻，鑄件頂部填充材料的體積分數高，底部體積分數低。

1.4 其他方法

除了上述三種主要方法外，泡沫金屬復合材料還有很多種制備方法，例如DMD(disintegrated melt deposition)方法和增材制造(additive manufacturing,AM)方法等。DMD是一種低成本的制備技術，集傳統鑄造和噴射制備優點于一身，利用較低的噴射速度和較高的過熱溫度來生產大尺寸復合材料。增材制造方法可以通過打印金屬粉末來制備開孔泡沫金屬復合材料，包括直接打印法和間接打印法兩種方式。利用AM技術制備得到的開孔泡沫金屬產品屬于網狀結構的多孔材料，可以參照劉培生等[2-4]提出的“八面體模型理論”進行其性能研究，有望獲得良好的應用效果。

2 泡沫金屬復合材料的顯微結構及性能

2.1 泡沫金屬復合材料的顯微結構

泡沫金屬復合材料的顯微結構是由基體與空心顆粒雙組分構成。顯微組織會形成多個相，這些相對泡沫金屬復合材料的性能有十分重要的影響。

2.1.1 孔隙

在泡沫金屬復合材料基體合金中夾雜著較大的孔隙，將會顯著影響復合材料的力學性能。泡沫金屬復合材料的微觀結構包括兩種類型的孔隙：基體孔隙和增強顆粒孔隙。這兩種孔隙均對復合材料的力學性能和密度影響較大。孔隙的增加會導致強度、模量以及密度的降低[10]。

2.1.2 孔壁組織以及形成機制

研究表明，在泡沫復合材料中與飛灰微珠相鄰的基體晶粒尺寸能夠得到細化[8]。主要原因是，飛灰顆粒周圍的熱應力場與基體本身的熱應力場不同，由于過冷度的變化，在凝固過程中會導致晶粒的細化。這些空心顆粒在金屬基體中具有細化基體析出相的作用。在AZ91合金中，金屬間化合物這類析出相沿晶界分布于基體中，研究發現在飛灰微珠/AZ91泡沫復合材料中，這些析出相的尺寸被細化了1個數量級[15]。另外，在飛灰微珠/ZC63泡沫復合材料中，孔壁中枝晶壁間距減小，主要原因是飛灰中大量的元素擴散至基體中[16]。

熱處理后基體內的組織也會發生改變。Taherishargh等[17]通過反重力浸滲技術制備了膨脹珍珠巖/鋁基泡沫金屬復合材料，研究熱處理對其的影響。圖1為其熱處理前后的形貌。觀察圖1(a-1)，(b-1)發現，熱處理后孔壁的枝晶形貌、大小以及形態分布并沒有明顯的改變。觀察圖1(a-2)，(b-2)發現，熱處理改變了初生富Si相的形貌以及分布。另外，熱處理后的壓縮強度明顯優于未熱處理試樣的，這主要得益于熱處理極大地改善了孔壁的微觀結構，鋁基泡沫復合材料的孔壁針狀富Si相共晶組織經過T6處理后轉變為球狀不連續狀，在受到外載荷時，線彈性階段這些彌散分布的球狀析出相對位錯有一定的阻礙作用，具有彌散強化效應，同時彌散分布又能有效地緩解應力集中，釋放應力，所以熱處理后的壓縮強度普遍較高。

圖1 膨脹珍珠巖/鋁基泡沫金屬復合材料的形貌[17](a)未熱處理孔壁結構；(b)熱處理孔壁結構；(1)低倍；(2)高倍Fig.1 Morphologies of EP/Al matrix metal foam composites[17](a)untreated pore wall structure；(b)heat-treated pore wall structure；(1)low magnification;(2)high magnification

2.1.3 空心球與基體界面及其反應機制

除晶粒尺寸效應外，在泡沫金屬復合材料中還觀察到泡沫顆粒與基體界面存在反應。界面反應會產生脆性相，這對泡沫復合材料的性能是不利的。對飛灰微珠/鋁基泡沫復合材料進行透射電鏡分析，表明飛灰顆粒周圍由不同晶體結構的物質所包圍，即有界面反應物生成，這些脆性的金屬間化合物的存在使得材料在受到外載荷時呈現脆性斷裂[18]。Lin等[19]認為，泡沫金屬復合材料的界面對力學性能具有積極影響。發現通過重力浸滲的方法制備空心微珠/Al-Mg泡沫復合材料時，其空心微珠與鋁基體的表面會形成MgAl2O4。與玻璃微珠/純鋁泡沫復合材料相比，形成的MgAl2O4使得材料在受到壓縮載荷時，強度得到極大提升。三點彎曲實驗結果表明，界面的存在還提高了泡沫與基體的結合能，斷裂韌性得到提高，界面傳遞載荷的能力得到增強。同時，界面對屏蔽性能也有積極作用。Yu等[20]發現，當金屬空心球的體積分數增加時，基體與空心球的界面數量增加。由于界面兩側材料之間的聲阻抗差異較大，聲波在界面處會被反射，難以通過樣品，從而提高了其屏蔽性能。

并不是所有的填充材料與基體都存在界面反應，為了提高填充材料與基體間的潤濕性，填充顆粒往往會被鍍層，從而增加其與基體的結合程度[21]。

2.2 泡沫金屬復合材料的性能

2.2.1 力學性能及變形機理

不同類型的泡沫金屬復合材料的力學性能會有不同的表現[22-23]。圖2是泡沫金屬復合材料的壓縮性能曲線。圖2中A曲線為典型的壓縮性能曲線，主要包括線彈性區、平臺區和致密化區3個區。A曲線上有4個點，點1代表形變0.2%的屈服強度，點2代表線彈性區域末端的峰值強度，在一些研究中也指彈性應力或者壓縮強度[24]，通常情況下這是材料受損的開始。隨后可以觀察到材料的強度以及剛度開始下降，點3代表平臺區應變，點4代表致密化區應變，主要取決于材料的孔隙率(60%以上)。

圖2 泡沫金屬復合材料壓縮性能曲線Fig.2 Compression properties curves for metal foam composites

研究表明，屈服強度和峰值強度是很難區分開來的。實際上，平臺區難以清晰定義就會出現圖2中B曲線所示的形狀，這種情況下平臺應力以及致密化點的解釋就會有非常大的不同。屈服強度和壓縮強度分別對應圖2中的點1和點2，在大多數情況下，研究者只會給出這兩個數據中的其中一個。當復合材料中所包含的增強體體積分數較低時，壓縮強度并不清晰可見，所以材料的強度用屈服強度來定義。而當復合材料中所包含的增強體體積分數較高時，在壓縮強度附近復合泡沫開始斷裂并且斜率急劇轉變，這種情況下一般用壓縮強度作為強度。當二者的差別很小時，對不同金屬基體泡沫復合材料的強度進行比較才有意義。

泡沫金屬復合材料的服役工況多數是在壓縮的情況下，所以復合材料的壓縮性能得以十分廣泛地研究[19,25]。在受到壓縮載荷時，高強度的空心球能提高復合材料的模量及強度[26]。泡沫金屬復合材料的壓縮力學性能受到諸多因素的影響，例如孔隙率、密度、空心球材料、基體材料、制備工藝和熱處理等。其中孔隙率是對其力學性能影響較大的一個因素，同一種泡沫金屬復合材料在不同孔隙率下的力學性能會有很大的差別[27]。大多數情況下，鋁基體和鎂基體泡沫復合材料的密度在一個較小的范圍內，即1～2.2 g/cm3，由于其密度較低且力學性能基本在同一水平，所以在應用上也是互相競爭的。

密度對泡沫金屬復合材料的屈服強度有很重要的影響。圖3是鋁基泡沫復合材料的屈服強度與密度的關系曲線[14,23,25,28-39]。可以看出，鋁基泡沫復合材料經過T6熱處理后的屈服強度最高，其次是經過固溶處理的，最低的是鑄造態的屈服強度。圖3中大多數數據都集中在密度為1.4～1.7 g/cm3的區間，表明屈服強度隨著密度的增加而增加。圖3左下角復合材料的密度值低于0.4 g/cm3，這些主要是飛灰微珠與基體孔隙組成的具有混合結構的復合材料，具有這種結構的復合材料的強度往往較低。

圖3 鋁基泡沫復合材料屈服強度與密度的關系Fig.3 Relationship between yield strength and density of aluminum matrix foam composites

圖4為不同基體泡沫金屬復合材料的密度與屈服強度的關系曲線[10-11,15-16,30,37,40-48]。主要包括鋁基、鎂基、鈦基、鐵基、鋅基、鋯基和高熵合金基泡沫復合材料。其中，青色區域[10,30,37,42,47]是鋁基泡沫金屬復合材料，金色區域[11,15-16，44]是鎂基泡沫金屬復合材料，紅色區域[40,45]是鋅基泡沫金屬復合材料；藍色區域[48]是鈦基泡沫金屬復合材料；紫色區域[43]是高熵合金基泡沫金屬復合材料；灰色區域[46]是鐵基泡沫金屬復合材料；綠色[41]是鋯基泡沫金屬復合材料。可見隨著密度的增加屈服強度也隨之增大。

圖4 鋁、鎂、鋅、鈦、鐵、鋯、高熵合金基泡沫復合材料密度與屈服強度的比較Fig.4 Comparison of density and yield strength of aluminum, magnesium,zinc,titanium,iron,zirconium and high-entropy alloy matrix foam composites

通常，復合材料的強度隨著基體強度的增加而增加，然而，鎂基泡沫復合材料卻打破了這個趨勢，與其他同等密度金屬基體的泡沫復合材料相比，其具有更高的強度。在相同的密度下，鋁基和鈦基泡沫復合材料的屈服強度值比鎂基泡沫復合材料的屈服強度值低30%～70%。鐵基泡沫復合材料的屈服強度與鎂基泡沫復合材料的屈服強度相當，但其密度比鎂基泡沫復合材料高2～3倍。表明在某些應用中，用鎂基泡沫復合材料代替鋁基和鈦基泡沫復合材料來降低結構質量是可行的。高熵合金基泡沫復合材料的屈服強度也較高，同時由于高熵合金基體為FCC結構，具有更多的滑移系，在受到載荷時，位錯的平面滑移容易開動，不易塞積，致使伸長率較高，所以高熵合金基泡沫復合材料的吸能特性會比其他金屬基體泡沫復合材料優異。

圖5為鋁基泡沫金屬復合材料密度與動態壓縮強度關系[31,38,49-53]。可以看出，動態壓縮強度隨著泡沫金屬復合材料的密度增加而增大。另外，動態壓縮強度還會受到變形速率的影響，在一定的速率范圍內，隨著加載速率的增加，動態壓縮強度也會越大。一些學者研究了動態壓縮變形的機制，發現在高應變速率條件下，顆粒斷裂先于致密化，主要原因是脆性顆粒存在于相對韌性的基體中，導致顆粒先被剪切破壞，隨后是微觀組織致密化，這與靜態壓縮變形的順序是相反的[24]。

圖5 鋁基泡沫金屬復合材料密度與動態壓縮強度的關系Fig.5 Relationship between dynamic compressive strength and density of aluminum matrix metal foam composites

可以看到，密度對泡沫金屬復合材料的靜態力學性能與動態力學性能影響都很大，二者均隨著密度的增加而呈現出增加趨勢。泡沫金屬復合材料的密度又受空心球、基體以及制備工藝的影響，三者綜合影響著材料的密度，進而影響著材料的力學性能。

空心顆粒的種類繁多，其體積分數是影響性能的主要原因。以空心微珠為例，研究人員制備了不同體積分數的空心微珠/鎂基泡沫復合材料，發現隨著空心微珠體積分數的增加，彈性模量從13.5 GPa下降至11.5 GPa。圖6為鎂基泡沫復合材料中飛灰微珠的體積分數對材料壓縮強度和斷裂應變的影響[15-16,22,54]。從圖6中紅色、綠色和藍色區域可以看出，鎂基泡沫復合材料的壓縮強度和斷裂應變均隨飛灰微珠體積分數的增加而減小。在其他金屬基體中也發現了與上述一致的規律，Luong等[24]研究了不同基體空心微珠體積分數變化對力學性能的影響，發現隨著空心玻璃微珠含量的增加，復合材料的壓縮強度降低，但是比強度隨著空心微珠含量的增加而增加。在常規的制備工藝中，泡沫金屬復合材料的力學性能均會隨著填充材料體積分數的增加而降低。然而，Nguyen等[54]通過DMD技術制備了空心微珠/鎂基泡沫復合材料，發現隨著微珠體積分數的增加，斷裂應變得到了提升(紫色區域)。這主要是因為，空心微珠顆粒本身就具有很高的壓縮強度，能抵抗壓縮載荷。利用常規的增強材料來改善復合材料的壓縮斷裂行為，在空心微珠/鎂基泡沫復合材料壓縮斷裂應變的改變中是極為罕見的。

圖6 鎂基泡沫復合材料中空心微珠體積分數和壓縮強度與斷裂應變的關系(圖中數字代表空心微珠體積分數)Fig.6 Relationship between volume fraction of hollow microbeads and compressive strength and strain at break of magnesium matrix foam composites(numbers in the figure represent the volume fraction of hollow microbeads)

Xue等[55]研究了粉末冶金法制備厚壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復合材料的力學性能。發現，厚壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復合材料的實際孔隙率低于薄壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復合材料的實際孔隙率；此外，由于厚壁陶瓷空心微珠具有較高的抗壓強度，隨著其體積分數的增加，復合材料的壓縮強度也隨之提高；在燒結過程中，鈦基體與厚壁陶瓷空心微珠之間存在界面反應，生成的反應產物鈦硅化物具有較強的抗壓強度，可以減少二者界面處的缺陷，從而提高鈦基體泡沫復合材料的抗壓強度；厚壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復合材料的彈性模量也略高于薄壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復合材料。

另外，同種基體添加不同種類的空心顆粒，力學性能也是不同的。SiC空心球/A356鋁基泡沫復合材料的壓縮強度高于飛灰空心球/A356鋁基泡沫復合材料的壓縮強度[51]。

空心顆粒的強度也會影響泡沫金屬復合材料的力學性能。當空心顆粒的強度不足時，采用壓力浸滲的方法制備泡沫金屬復合材料時，空心球易被壓碎，干擾其分布程度，從而影響其性能，為此Cao等[56]和Yu等[57]制備了一系列具有高強度的金屬空心球；劉培生等[12]提出“類比強度”指標，既可有效地適用于不同質地材料的空心球顆粒產品之間的強度比較，也可有效地適用于同種材質不同尺度結構規格的空心球產品之間的強度比較，通過對比分析即可優選出其中強度指標最高的空心球顆粒制品。

所以，在制備泡沫金屬復合材料時，要考慮空心球的體積分數、尺寸、種類、強度和分布程度等因素對其力學性能的影響。

圖4中可以明顯看到不同的金屬基復合材料具有不同密度，當密度不同時，泡沫金屬復合材料的力學性能也是不同的。泡沫金屬復合材料在近些年的研究中主要集中在鋁基、鎂基、鈦基、鐵基、鋅基、銅基等。

當基體材料的強度較高時，泡沫金屬復合材料往往也表現出較高的強度。Lin等[19]通過壓力浸滲的方法制備了玻璃微珠/Al以及玻璃微珠/Al-Mg兩種不同鋁基體的泡沫復合材料。壓縮實驗對比發現，兩種復合材料的壓縮曲線均呈現出典型的3個區域，即線彈性區、平臺區以及致密化區。然而玻璃微珠/Al-Mg的壓縮強度明顯高于玻璃微珠/Al的壓縮強度，且二者壓縮斷裂的方式存在明顯的不同，玻璃微珠/Al的斷裂是由兩條剪切帶在中心相交導致的材料失效，而玻璃微珠/Al-Mg斷裂是由一條剪切帶導致的材料失效。其中的一個主要原因就是純鋁的強度比鋁鎂合金低，在受到外載荷時候容易變形，釋放應力集中。

制備工藝對復合材料的力學性能也有很重要的影響。Huang等[58]通過調整熔體的保溫工藝制備了AZ91D鎂基泡沫復合材料，發現復合材料的強度為87～146 MPa。Mondal等[59]深入研究了粉末冶金制備工藝對微珠/鈦基泡沫復合材料力學性能的影響，并利用經驗公式預測微珠/鈦基泡沫復合材料的強度以及模量。發現在粉末冶金燒結之前給與粉末不同的壓力會對力學性能有很大的影響。隨著壓力的增加，燒結前后微珠/鈦基泡沫復合材料的密度均增大，孔隙率降低，這就使得材料的楊氏模量以及強度均呈現增加的趨勢；當壓力增加時，會導致空心微珠的破碎，這些破碎的空心微珠通過燒結混合在基體中，使得復合材料基體的硬度增加。微珠/鈦基泡沫復合材料的強度為[59]：

σtif=[Cσtimul(1-Vfceno(1-fcc))n]+

[Cσcs(1-Vfcp)nVfceno(1-fcc)]

(1)

式中：σtif為空心微珠/鈦基泡沫復合材料的強度；C與n為經驗常數，一般取0.75和2.19；σtimul為破碎微珠/鈦基泡沫復合材料的強度；Vfceno為空心微珠體積分數；fcc為冷壓實力的許用應力；σcs為空心微珠殼的強度；Vfcp為空心微珠中孔隙所占的體積分數。

分析表明，泡沫金屬復合材料的力學性能受密度、基體材料、空心球材料和制備工藝等的影響，所以，在制備所需要泡沫金屬復合材料時，要兼顧多個方面。

2.2.2 屏蔽機理及性能

空心顆粒與基體具有較大的比表面積使得泡沫金屬復合材料具有優異的吸收以及反射電磁波的能力。另外，泡沫金屬復合材料制備加工簡單，易于安裝，能滿足相關精密儀器的屏蔽要求，可作為一款理想的電磁屏蔽材料。

實體金屬或者合金的電磁屏蔽作用原理是電磁波入射到屏蔽材料表面，產生反射和吸收并且在材料內部多次反射，消耗電磁波能量，從而達到屏蔽目的。通常用電磁屏蔽效能(shielding effectiveness, SE)來表示材料的屏蔽效果，在給定的頻段內，以分貝的損耗來表示。根據Schelkunoff電磁屏蔽理論，材料的SE為[60]：

SE=R+A+M

(2)

式中：R為表面單次反射損耗；A為吸收損耗；M為屏蔽體內的多次反射損耗。

泡沫金屬復合材料與實體金屬的內部構造有所不同，所以電磁波遇到二者后的傳輸過程也會有所不同，如圖7所示。當電磁波在傳輸過程中遇見泡沫金屬復合材料時，會在復合材料的表面、內部以及孔壁內多次反射并損耗，起到了屏蔽的效果。基于電磁波在泡沫金屬復合材料中的傳播特點，對式(2)做出適當的修正，定量表征電磁SE，修正模型見式(3)[61]。

SE=R+A+Mw+Mp+W+E+O

(3)

式中：Mw是泡孔壁內的多次反射損耗；Mp是泡孔內的多次反射損耗；W是波-流相互作用引起的波動因子；E是渦流損耗；O是微觀缺陷引起的波動因子。

圖7 泡沫金屬內部電磁波傳輸示意圖Fig.7 Schematic diagram of electromagnetic wave transmission in metal foam

對于屏蔽效果的定量表征有2個指標，屏蔽效能與衰減率，根據ASTMD4935—2010《測量平面材料的電磁屏蔽效應方法》以及IEEE-299—2006《測量電磁屏蔽殼有效性的方法》中規定，SE可表示為[62]：

SE=10lg(P1/P2)=20lg(V1/V2)

(4)

式中：P1為無平面屏蔽材料時接收到的功率，W；P2為有平面屏蔽材料時接收到的功率，W；V1為無平面屏蔽材料時接收到的電壓，V；V2為有平面屏蔽材料時接收到的電壓，V。

目前，泡沫金屬復合材料對于電磁屏蔽性能的研究多集中于鋁基泡沫復合材料、鈦基泡沫復合材料以及鎳基泡沫復合材料。隨著科技的進步，更多優化實驗的方法得以出現，有限元的優化模擬在這方面提供了很大的幫助，如Plasma模型[63]和Drude模型[64]等。

研究人員發現泡沫金屬復合材料在不同的測試頻段會表現出不同的屏蔽性能。Dou等[65]制備了70%飛灰空心微珠/鋁基泡沫復合材料，結果發現材料在低頻時的電磁屏蔽性能較為優異。在1 MHz頻段內，復合材料的電磁SE可達102 dB；然而，當測試頻段在1 GHz時，電磁SE降至32 dB。同時，研究人員發現，鈦基泡沫復合材料的電磁屏蔽性能在低頻段時也較為優異，泡沫鈦的電磁SE隨著電磁波頻段的增加，呈現先減小后增加的趨勢。在低頻段內測得復合材料的電磁SE出現衰減的趨勢，當頻段增加時，SE上升并穩定在一個平臺[66]。

2.2.3 阻尼機理及性能

泡沫金屬復合材料由于空心顆粒內部的空氣與周圍金屬基體、金屬空心顆粒兩組分接觸不均勻，導致其應變會滯后于應力。因此，在泡沫金屬復合材料的應力-應變曲線上會觀察到一個較長的平緩應力平臺區，是一種具有高能量吸收特性的阻尼材料。和傳統合金材料單一的阻尼機制不同，泡沫金屬復合材料的阻尼機制是多重的，基體內填充材料所形成的彌散的孔洞、基體本身以及基體與填充材料所形成的界面均會對振動載荷有所消耗，從而達到減振的目的。復合材料的阻尼性能由基體本征阻尼、填充材料本征阻尼以及界面阻尼三部分構成，如式(5)所示[67]。

Ψc=ΨmVm+ΨrVr+ΨiVi

(5)

式中：Ψ為阻尼性能，Ψ=2πQ-1，Q為阻尼內耗；V為體積分數；下標c，m，r和i分別代表復合材料、基體、填充材料和界面。

泡沫金屬復合材料的阻尼性能受到多種因素的影響。當填充材料的體積分數增加時，復合材料的阻尼性能會顯著地提升。原因是，隨著填充材料體積分數的增加，復合材料內部的界面數量增多，從而提高了阻尼性能[68]。研究人員還研究了熱處理對阻尼性能的影響，發現熱處理后泡沫金屬復合材料的阻尼性能呈現下降的趨勢。主要的原因是，熱處理后復合材料中的位錯密度降低，致使其性能下降[69]。

2.2.4 其他性能

除上述性能外，泡沫金屬復合材料還具備優異的吸能特性以及隔熱性能等。尤其是近年來得到長足發展的金屬空心球復合材料，與傳統的泡沫金屬材料相比其具有更高的吸能特性，用相同的研究材料制備成金屬空心球復合材料，其吸能特性可明顯提高。原因是，金屬空心顆粒的加入增加了二者界面的穩定性，在受到載荷時，空心球能有效地分散載荷，使平臺區的應變增加[26]。泡沫金屬復合材料在高溫下也具有良好的隔熱性能，原因是復合材料孔隙的熱量傳播速度小于金屬的傳播速度[70]。Chen等[71]制備了鋁基空心球復合材料與鋼基空心球復合材料，發現與不含空心球的泡沫金屬材料相比，空心球的加入顯著地降低了材料的導熱效率。另外，前者的導熱效率是后者的7倍，說明鋁基泡沫復合材料的導熱效率優于鋼基泡沫復合材料的導熱效率。

3 泡沫金屬復合材料的應用

與傳統材料不同，泡沫金屬復合材料由于其自身結構的特點和優異的功能特性被廣泛地應用于航空航天、汽車、海洋等領域[72]。

目前，開發輕質、高強并具有特殊功能的泡沫金屬復合材料已成為航空航天飛機制造廠商關注的一個焦點。同其他常用材料相比，復合材料均有較高的比強度、剛度、抗沖擊性能、剪切性能以及阻尼性能等，在航空航天領域常被用作隔音材料或者阻燃材料。目前，泡沫金屬復合材料已經廣泛地應用于飛機飛翼、機艙門、發動機罩襟翼軌道板等主要和次要結構部件[73]。

作為一種多孔性材料，泡沫金屬復合材料具有良好的吸能特性，在受到外載荷時，由于其自身特點會產生大量的塑性變形，抵御外力的沖擊；具有優異的阻尼性能，能有效降低NVH (noise，vibration，harshness)，提高整車質量，改進乘用車在駕駛過程中的舒適性；具有密度低、比強度高等特點，這就使得泡沫金屬復合材料制備的結構件可以代替汽車中的某些單一金屬結構件，比如機動車蓋板、底盤板、保險杠等，達到減重的目的[74]。

Rigby等[75]還發現泡沫金屬復合材料具有較高的比強度和剛度，因此被應用于水下浮力材料。在海工應用中也較常見，例如水下遙控航行器(remotely operated underwater vehicles，ROVs)、水下自主航行器(autonomous underwater vehicles, AUVs)、深海勘測以及船體等方面[75]。由于其具有良好的隔熱性能以及阻尼性能，在建筑保溫、冷藏隔熱等方面具有良好的應用前景。泡沫金屬復合材料還具有良好的電磁屏蔽性能，其內部存在的大量孔隙結構可以使電磁波在傳遞的過程中發生大量的反射和能量吸收損耗，從而達成電磁屏蔽的效果。

4 結束語

由于泡沫金屬復合材料的低密度，人們對其研究和產品的開發都表現出了極大的興趣。輕質泡沫金屬復合材料可代替原有的金屬材料實現輕量化，在航空航天、汽車等領域的應用中節約能源。近年來，對泡沫金屬復合材料微觀結構方面的研究已經非常成熟，但對其性能的研究還不夠深入，未來以下4個方面的研究將會引起人們的關注：

(1)泡沫金屬復合材料的制備工藝：當增強體的體積分數較高時，通過壓力浸滲或粉末冶金等手段可以制備增強體在基體中分布較為均勻的試樣；當增強體的體積分數較低時，由于制備工藝的局限性，其在基體中會有大量的偏聚，復合材料的質量難以得到保證。開發或改進制備工藝就成為急切需要解決的問題，近年來AM的方法發展得十分迅速，未來研究過程中可采用此方法解決泡沫金屬復合材料的偏聚問題。

(2)高性能泡沫空心球的制備工藝：泡沫金屬復合材料中，高強泡沫空心球殼體對于復合材料的質量影響是非常重要的。如果泡沫空心球殼體的強度不夠，在制備過程中就有大量的破碎，所得試樣失去泡沫金屬復合材料的特點。增強空心球的顆粒大小以及壁厚方面的控制也具有很大的局限性，是需要解決的問題。

(3)泡沫金屬復合材料的建模研究：目前的研究中缺乏有力且可靠的數學模型來預測材料的相關性能。許多模型在聚合物基泡沫復合材料中可以廣泛應用，但是拓展到泡沫金屬復合材料當中卻是十分困難的，因為這種模型中不包含金屬的基本參數，例如晶粒尺寸、晶體結構等。

(4)泡沫金屬復合材料的夾芯結構：該結構的研究目前尚處于起步階段，也取得了一些成果，但是該結構的泡沫金屬復合材料的彎曲強度較低，限制了其進一步應用，在未來如何利用該結構開發高性能的泡沫金屬復合材料將會成為一個研究熱點。