超轻开孔泡沫铝及其在航天领域的应用

韩福生

（中国科学院 合肥物质科学研究院，合肥 230031）

0 引言

超轻开孔泡沫铝是一种以纯铝或铝合金为基体的高孔隙率多孔材料，其孔隙率一般大于90%（表观密度≤0.27 g/cm3），孔径为 0.6～5.0 mm（8～30 ppi）[ppi，即pores per inch，是多孔材料孔径的一种表示方法，指单位长度（英寸）上开孔的数量]，孔壁呈杆状。由于铝基体所具备的优良综合性能及其与高孔隙率宏观孔形成的耦合作用，使之具有突出的比强度、比刚度、吸能性，以及高比表面积和高换热效率等性能，有望成为航空航天、国防、能源与环境等工业领域重要的结构和功能材料之一。

本文对超轻开孔泡沫铝结构、性能特点及其研究进展进行了简要介绍，希望藉此为航天器的设计提供参考，为未来航天工程目标的实现提供材料技术支持。

1 超轻开孔泡沫铝的结构与性能特点

1.1 结构特点

目前研究和应用最为普遍的超轻开孔泡沫铝是以聚合物泡沫为模板、通过熔模铸造工艺制备出来的[1]，因此，其孔结构与开孔型聚合物泡沫基本一致，是由丝网状孔壁构成的三维开放式结构，如图 1所示。超轻开孔泡沫铝的孔隙率以其表观密度与致密铝的理论密度之比来表征，而孔径则通常以ppi表示。

图1 超轻开孔泡沫铝的典型结构特征（孔径20 ppi）Fig. 1 Typical structure of ultra-light open celled Al foam(pore diameter: 20 ppi)

如前所述，超轻开孔泡沫铝的孔隙率一般为90%～95%，孔径一般为8～30 ppi。需要指出的是，一般情况下，这种开孔泡沫铝的孔隙率和孔径是彼此关联的；改变孔径的同时，孔隙率也随之改变。例如，孔径减小，则孔隙率下降，反之亦然。此外，构成孔壁的丝杆直径也与孔隙率相关，孔隙率提高，则丝杆直径减小。在上述孔隙率范围内，丝杆直径约为0.25～0.45 mm。

1.2 主要性能特点

1.2.1 压缩力学性能

与其他泡沫金属相似，超轻开孔泡沫铝的压缩应力-应变曲线显示出典型的3个区域，即弹性区（弹性应变区）、平台区（孔壁屈曲或坍塌区）和致密化区，其中平台区是泡沫材料最典型的特征之一，如图2所示。平台区的出现是因泡沫材料局域化变形行为所致。当外加应力超过孔壁材料的屈服应力或压溃应力时，孔壁即发生局域化屈曲或断裂。随应变增加，变形组织在压缩方向上逐步扩展，而应力几乎保持不变。平台区的几何特征反映了泡沫材料吸能本领和吸能效率的优劣，简单而言，其高度和长度越大，吸能本领越强；其斜率越小，则吸能效率越高。

超轻开孔泡沫铝的压缩屈服强度与孔隙率（或表观密度）和基体直接相关。孔隙率与泡沫材料压缩屈服强度之间遵循分数幂的关系[2]，孔隙率增加，屈服强度呈非线性下降；基体强度越高，则泡沫材料的整体强度也就越高，如图2所示。

图2 超轻开孔泡沫铝压缩应力-应变曲线Fig. 2 Compression stress-strain curves of ultra-light open celled Al foams

显然，在保证轻质性的前提下，提高基体的强度是实现泡沫材料高比强度的基本手段。例如，选择高强铝合金、铝基复合材料或非晶合金为基体制备超轻开孔泡沫铝，可在相同孔隙率条件下，使泡沫材料的压缩屈服强度提高 1个量级以上[3-5]。一般来说，采用普通铸造铝合金制备的超轻开孔泡沫铝，其压缩屈服强度约为0.3～3.0 MPa[6]。

1.2.2 其他物理性能

超轻开孔泡沫铝的典型物理性能如表1所示。

表1 超轻开孔泡沫铝的代表性物理性能[7-8]Table 1 Typical physical properties of ultra-light open celled Al foam

2 超轻开孔泡沫铝在航天领域的应用

由于航天器飞行规律、工作性质与服役环境的特殊性，对构成材料的结构性、功能性和轻质性均有极高的要求。根据超轻开孔泡沫铝的基本特性，可知其在一定程度上能够满足航天器对材料的某些要求。因此，国内外相关部门已开始研究超轻开孔泡沫铝在一些功能性结构中应用的可行性，并取得了令人鼓舞的进展。根据文献报道，目前超轻开孔泡沫铝在航天领域的应用主要体现在以下几方面。

2.1 缓冲防护结构

随着人类航天活动的发展，遗留在太空中的空间碎片不断增多，已成为影响和威胁人类航天活动最重要的因素之一。欧空局“增强型空间碎片防护技术项目”的研究表明，在多层防护结构中加入一定厚度的泡沫铝，可对弹丸形成显著的多次击波加载，使弹丸破碎甚至熔化，从而减轻其对防护结构“后壁”的破坏。图3为护板填充泡沫铝前后对比冲击试验结果[9]。可以看出，填充超轻开孔泡沫铝后，弹丸高速冲击形成的碎片云及其扩散速度明显减小（图3(b)），护板内壁完好无损（图3(c)）。

图3 航天器护板填充超轻开孔泡沫铝前后对比冲击试验结果Fig. 3 Comparison of impacting results between protection panels before and after filling Al foam

此外，俄罗斯也研究了由泡沫金属与致密硬铝合金组成的双层防护结构，发现该结构比相同面密度的双层致密结构能更有效地粉碎钢质弹丸。美国为载人火星探测计划设计的Mars Trans Hab飞船，其壳体前端由三层陶瓷纤维构成，层间填充轻质开孔泡沫材料，使之具有更高的刚度及防空间碎片撞击等多重功能。在国际空间站的Trans Hab舱段，设计了含大量低密度泡沫材料的多层防冲击结构，以抵抗φ18 mm铝球在6 km/s、45°角斜撞击下的破坏[10]。最近，美国 NASA将超轻开孔泡沫铝用于AMS-02号卫星中TRD核心部件的防护[7]。

2.2 载人航天器环境控制系统

在载人航天活动中，飞行舱内空气净化是飞行器环境控制系统中最重要的内容之一。为保障航天员能够正常工作和活动，必须提供适宜和清洁的大气环境，并严格控制密封舱内的微量污染物，否则将影响到航天员的身体健康甚至威胁其生命安全。

为了消除载人航天器舱内的 CO2，NASA在CEV（Crew Exploration Vehicle）及国际空间站中用超轻开孔泡沫铝作为网络状骨架填充固态胺，增强了CO2吸附和解吸过程中的散热，提高了系统的响应速率和热效率，降低了能耗。此外，用泡沫铝作为骨架，还可以防止胺颗粒结块，有利于气体在颗粒间流动，延长胺颗粒的使用寿命。该装置的外形及填充胺后的泡沫铝如图4(a)、(b)所示[7]。作为载人航天工程的一个重要组成部分，我国航天医学研究部门也在开展相似的研究，超轻开孔泡沫铝已被列为主要候选材料之一。

图4 载人航天器二氧化碳清除系统Fig. 4 System of removing CO2 for manned spacecraft

2.3 载人航天器热控系统

航天器热控系统是控制航天器温度变化与分布，维持航天器热量吸收、转化与排散平衡，保障航天器上各种仪器、设备可靠工作的重要子系统，也是维持载人航天系统航天员安全与生存的必要技术手段之一。

为了提高航天器热控系统换热组元的热效率，航天器设计与研究部门对相关结构和材料进行了大量试验研究，证明超轻开孔泡沫铝可在热控系统及紧凑型换热器中发挥关键作用。

NASA的研究表明，在航天器广角远红外光学系统固态低温制冷装置中用超轻开孔泡沫铝作为恒温介质与缓冲护板，可保证该装置温度的恒定与均匀化，从而有利于延长其使用寿命。该装置及其泡沫铝如图5所示[7]。

图5 空间远红外光学系统固态低温制冷装置及其泡沫铝Fig. 5 Solid cryogenic coolers in far infrared optical system with the Al foam

热控系统质量及功耗在压力舱各子系统中占有较大比例，因此，尽可能提高散热组件的紧凑性和换热效率，以减小单体设备的质量及系统占用的空间，是航天器设计的主要任务之一。超轻开孔泡沫铝是一种理想的高面体比材料，其面体比高达2000～10 000 m2/m3，远高于金属翅片型换热器（面体比≤1000 m2/m3），因此极适用于紧凑型热交换器。此外，超轻开孔泡沫铝的高导热系数和高比表面积，还可以直接作为强制对流的传热表面，其三维网络的结构优势，可为相变传热介质提供强化手段。这些特点在质量和体积皆受限制的航天器中有着诱人的应用前景。图6为NASA设计的航天器紧凑型换热器外形及其内部填充的开孔泡沫铝[7]。

图6 航天器紧凑型换热器及其内部填充的开孔泡沫铝Fig. 6 Compacted heat exchanger filled with Al foams

2.4 其他应用

据报道，美国在航天领域应用超轻开孔泡沫铝的例子还有[7]：

1）利用超轻开孔泡沫铝基轻质复合材料制备天文望远镜镜片，用于美国星尘卫星（Stardust satellite）的导航。该镜片不仅具有很高的稳定性，还有很宽的损伤容限，能有效防止微小空间碎片对镜片的撞击破坏。该镜片如图7所示。

图7 利用超轻开孔泡沫铝制作的天文望远镜镜片Fig. 7 Astronomical telescope made of Al foam

2）低轨科学试验卫星发射时，在固体火箭推进器上用来释放有效载荷的形状负载（shape charge）会产生危险的碎片。利用超轻开孔泡沫铝制作护环，不仅可以吸收碎片，还可以减轻发射重量。该护环如图8所示。

3）利用超轻开孔泡沫铝基复合材料制作空间激光通信系统台架，泡沫铝所具备的高阻尼性能可为该系统提供极为稳定和恒温的平台。该台架如图 9所示。

图8 用于固体火箭的超轻开孔泡沫铝护环Fig. 8 Al foam ring used for solid rocket booster

图9 超轻开孔泡沫铝激光通信系统台架Fig. 9 Al foam optical bench used for laser communication system

上述应用实例表明，超轻开孔泡沫铝所具备的多孔性、超轻性和多功能性已在航天领域发挥了关键作用。可以预期，随着孔结构、基体属性及性能的进一步完善和多样化，超轻开孔泡沫铝在航天领域的应用将会进一步扩大，有望为航天技术的发展做出新的贡献。

3 超轻开孔泡沫铝相关研究进展

近年来，有关超轻开孔泡沫铝的研究主要集中在传热、吸声和负载等功能性以及其在能源、环境、交通等一般工业领域的应用，面向航空航天领域的研究和应用少有报道。根据我国航空航天领域的需求及材料服役的特点，我们最近在超轻开孔泡沫铝性能优化等方面开展了有针对性的研究，取得了一定进展，为未来在航天等领域的实际应用奠定了一定的基础。

3.1 超轻开孔泡沫铝吸水性研究

温湿度控制是载人航天器环控生保系统的主要作用之一。在空间微重力条件下，自然对流作用非常微弱，航天员代谢产生的湿、热都不能通过自然对流加以排除。此外，航天器密封舱内空气温度分布也很不均匀，在温度较低的物体表面容易产生结露现象，给航天员健康及仪器安全运行带来隐患。为了控制舱内空气的湿度，目前采取的方法主要有两种：一是在密封舱内壁低温面布置电加热器，使其温度高于露点；二是在低温面布置吸水材料，把冷凝水吸收并储存起来[11]。

载人航天器湿度控制器所用吸水材料主要是吸水纸、聚合物泡沫等。前者因吸水性的不可逆性，不能重复使用，且在使用过程中吸湿能力逐渐减弱，因此只适用于执行短期飞行任务的载人航天器；后者虽吸水性能突出，但脱水性差、易老化，也不利于长期服役。超轻开孔泡沫铝除具备一般吸水材料的基本特性以外，还因其优异的物理和化学性能更适合在长期空间服役环境下使用。

3.1.1 吸水性的对比试验

为了对超轻开孔泡沫铝的吸水性能进行优化，我们选择几种有代表性的多孔金属材料进行了对比试验，其中金属纤维多孔材料（孔结构如图10(a)）、电化学沉积泡沫铜（孔结构如图10(b)）及超轻开孔泡沫铝的吸水性试验结果见图11[12]。

图10 吸水试验用多孔金属的孔结构Fig. 10 Pore structures of porous metals for water absorption test

图11 3种多孔金属吸水率和脱水率对比Fig. 11 Comparison of water absorption and desorption rates among three porous metals

由图11可以看出，在所考察的3种多孔材料中，超轻开孔泡沫铝的吸水率和脱水率均最高，其中吸水率达373.9%，比其他两种材料高出近4倍；脱水率达95.3%，比其他两种材料高30%以上。

3.1.2 压缩变形及表面修饰对超轻开孔泡沫铝吸水性能的影响

根据液体在多孔材料中的迁移方式，可知在非饱和状态下，多孔材料的吸水性主要受毛细作用的影响。在一定温度下，水与孔壁润湿性越好，孔径越小，则毛细作用越大，多孔材料吸收的水分就越多。由于超轻开孔泡沫铝的孔径难以做得非常小，而铝又是一种弱亲水性金属，因此，尽管其吸水、脱水性能均比其他多孔金属好，但吸水性仍显不足。针对这一问题，我们分别尝试了压缩变形和表面修饰的方法，试图通过减小孔径或改善其亲水性来提高超轻开孔泡沫铝的吸水性能。

在压缩试验中，先切取不同高度的试样，然后单向压缩至同一高度，再进行吸水试验，用单位体积吸水量表征吸水性能的大小。表面修饰采用化学水浴法合成 ZnO微米纤维，采用无模板生长法制备Co3O4微米针状团簇。这两种微观组织的形貌分别示于图12(a)和(b)。

图12 修饰后超轻开孔泡沫铝的孔表面形貌Fig. 12 Changes of pore morphology after modification of cell walls of ultra-light open celled Al foam

结果表明：压缩变形对改善泡沫铝吸水性能有一定效果，当压缩率为20%时，单位体积吸水量由最初的 65%提高到 70%；进一步提高压缩率，则单位体积吸水量略有下降。这是由于压缩率过大导致泡沫铝孔隙率过低所致。

相比压缩变形，表面修饰对泡沫铝吸水性能有较明显的改善作用，其中合成Co3O4针状团簇的效果更加突出，其最高单位体积吸水量比修饰前提高了约64%。另外，经表面修饰的泡沫铝吸水速率较快，而未经修饰的泡沫铝吸水速率则较慢，这对于要求除湿响应快的场合是非常有利的。

3.2 超轻开孔泡沫铝的传热行为及其强化方法

研究石蜡在超轻开孔泡沫铝内的传热及相变行为发现，在相同的热流密度下，在泡沫铝内填充石蜡后，温度峰值由75 ℃下降到60 ℃，并且材料内部温度分布更加均匀，如图13所示。

图13 石蜡填充泡沫铝前后融化温度分布对比Fig. 13 Temperature distribution contours between Al foam fillings with and without paraffin

4 结束语

由于航天器结构的复杂性及服役环境的特殊性，要求相关材料必须具备超乎寻常的轻质性、结构性及多功能性。为实现不同的航天工程目标，须从多学科角度最大限度地挖掘材料及性能的潜力，同时应不断发展新材料、新方法和新工艺，为航天器结构设计及功能实现提供保障。超轻开孔泡沫铝是一种兼有良好力学性能和突出功能特性的轻质金属材料，国外已在航天器相关结构中开展了应用。针对我国航天项目的具体应用目标可开展多尺度材料设计与工艺优化，使其性能进一步提高，功能性进一步拓展，以满足未来航天器的设计需求。

致谢

本文工作得到了国家 973计划项目“超轻多孔材料及其构成结构多功能化应用的基础研究”（编号：2011CB610300）、中国科学院知识创新工程重要方向性项目“高速列车关键材料与结构可靠性研究”和“高速列车噪声机理降噪技术研究”以及国家自然科学基金项目“Al基非晶合金多孔材料制备方法及力学性能”（编号：51371167）的支持，在此一并表示感谢。

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