超轻多孔金属材料的多功能特性及应用分析

戴耀斌

摘 要：超轻多孔金属是近年来随着材料制备和机械加工技术的快速发展而出现的一种新型多功能材料。这是材料选择及其性能研究中的一个新课题。本文介紹了多孔金属材料和结构基础研究的国内外研究现状和发展趋势，包括材料制备、性能表征等方面，重点介绍了多孔金属的多功能复合特性及其在国民经济和高新技术中的应用。

关键词：多孔金属；复合特征

引言：超轻多孔金属具有高孔隙率的特点。根据它们的规律性，它们的微观结构可以分为两类：无序和有序。前者包括泡沫材料，而后者主要是格子材料。

与传统材料相比，超轻多孔材料具有不断变化的微结构。在保持高孔隙率的前提下，孔径可以从毫米逐渐减小到微米甚至纳米级。因此，多孔金属具有良好的可设计性，可以根据不同的应用要求进行优化设计，并且可以在制备前进行多功能和多学科的协同设计。一般来说，多孔金属材料的单位体积重量仅为固体材料的十分之一或更少，而不同结构的微观结构对材料的机械和其它物理性能有显著影响。这些材料除了承载载荷外，还可以同时发挥其他功能，如利用材料的多孔特性进行对流换热，以满足温度控制要求，吸收和降低噪声，屏蔽电磁辐射，吸收冲击能量、阻尼和阻尼振动等。

一、多孔金属的复合特征的概述

超轻多孔金属材料的高孔隙率使其具有独特的多功能复合特性，它具有超轻，高强韧，耐撞击，高效散热、隔热，噪声管理等优势，并且超轻多孔金属的内部空间巨大，更加易实现多功能的集成。多孔金属不仅可以用作许多应用的结构材料，而且在某些场合也可以用作功能材料。一般来说，它既有功能也有结构功能。它是一种性能优异的多功能工程材料，在交通、微电子、海洋石油开采、航空航天、生物、医疗、建筑等高新技术领域具有重要意义。特别值得指出的是，多孔金属材料和结构在高能耗设备（汽车、高速列车、航空飞行器、船舶等）中的广泛应用。）不仅会大大减少对常规能源的需求，还会减少环境污染。与世界先进国家相比，我国在这一领域起步并不晚，甚至在一些国家目标和学科上处于领先水平。结合我们在人才、原材料和生产成本方面的优势，我们可以完全开发出一系列可以大规模应用并拥有独立知识产权的产品和相关技术。

二、多孔金属的多功能特性

2.1超薄多孔金属夹层结构

超轻多孔金属是汽车工业中的典型应用。超轻结构、能量吸引、缓冲绝缘代表了不同的应用领域。整个应用说明了与这3种应用相对应的多孔金属的优点。理想的应用方法是得到一个更轻的控制盘，并且可以在碰撞的情况下使用。它吸收能量，吸收声音和隔热。以微型不锈钢纤维为芯材，薄不锈钢板为面板的夹层结构，是一种具有强度、刚度和延展性等独特性能的超轻结构材料。与传统的金属板一样薄且易于成形，它比铝轻，具有更好的刚性，材料的中空芯使汽车具有优异的减震、隔音和防震性能。用该材料设计的单片式防火墙板可以代替较厚的橡胶隔离层，可以保护乘客免受机舱内的热量和噪声的干扰。除了在汽车挡泥板、防护罩和车顶的制造中替代金属板的明显潜力外，还可以将管状部件用作结构部件。

2.2多孔金属降噪材料

多孔材料作为一种有效的吸声材料，在噪声治理中得到了广泛的应用。虽然木纤维板、微孔板等也具有较好的降噪功能，但它们的应用范围往往受到强度和刚度不足的限制。多孔金属降噪材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、防火、防潮、无毒、美观等特点。多孔金属介质在解决阻抗匹配和水温和压力效应方面具有罕见的优点，同时也避免了化学纤维的容易污染。多孔金属因其重量轻、强度高等优点，在汽车、船舶和航空结构中具有很好的应用前景。

2.3换热紧凑效能高

由铜或纯铝制成的具有高导热性的金属泡沫可用作紧凑型热交换器。在这种情况下，需要开孔结构。当金属泡沫被冷却或加热时，热量可以通过强制对流的形式从气体或液体中通过气体或液体散发或加热。通过实验和理论计算，泡沫材料开孔结构的优化设计可以使压降降到最低，满足汽车和微电子器件紧凑型换热器的严格要求。这样的微电子器件通常具有高能量耗散密度，例如计算机芯片或能量电子器件。

三、多孔金属的应用分析

3.1多孔材料的动态力学性能和耐撞性

在实际应用中，多孔金属由于其特殊的理化性能和力学性能，特别是其承受基本恒定和低水平压缩应力的能力，具有广泛的变形特性。对于许多包装和减震系统来说，这是最理想的。通过选择基质材料、孔结构形态和孔隙率来控制变形特性，可以使多孔金属成为理想的吸能材料。与有机泡沫材料相比，多孔金属在实际应用中要求更高的损伤应力，需要吸收相同或更多的能量，在汽车、航天、铁路运输、造船、建筑、包装等行业具有广阔的应用前景。因此，研究多孔金属在高变形速率下的动态力学性能、破坏机理和耐撞性，对其在上述领域的应用和发展具有重要意义。

3.2对于电磁波的影响

研究表明，多孔材料对电磁屏蔽有显著影响，如多孔SiC的吸收性能是固体材料的2倍以上。吸收特性的改善主要是由于电磁波在多孔介质中的反射和散射，孔隙率和孔径是影响吸收能量的两个重要参数。金属丝被制成有序的空间结构，并且可以形成一种特殊的功能材料：左手材料。这种材料具有特殊的反常性质，如负折射率。这种材料的反射和折射性能与传统材料完全不同。基于电磁波的反射和折射原理（如雷达隐身技术、成像技术等），有可能带来相关技术的根本性变化。

3.3应力波介质中的传播

制造多孔介质的材料在许多情况下不能被视为弹性介质（特别是作为减震、防震包装、保护材料，其应力波和能量衰减是其主要设计目标）。因此，应该考虑应力波的衰减。此外，它通常只处于低压力的情况下。在弹性波及其衰减理论的情况下，这是有效的。在大多数多孔介质的应力波问题中，相对于结构，应力波很强，超出了材料的弹性范围。如果材料本身不是线性的，则有必要在非线性应力应变定律下考虑波的传播问题。

结束语：

追求轻质高性能材料不仅是过去几十年材料科学研究的一个重要目标，也是未来几十年不变的主题之一。随着高新技术的迅猛发展，人们不再满足于单纯的轻质材料，而是寻求将轻质材料与其他优异性能结合在一起以满足不同需要的先进材料。

参考文献：

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