国外超轻金属材料最新进展及其军用潜力分析

中国船舶重工集团公司第七一四研究所

方 楠 陕临喆 王 敏

2019年10月21日，在美国国家航空航天局（NASA）兰利中心内部研发计划（IRAD）资助下，美国北卡罗来纳州立大学利用热辅助真空注射成型技术研发出一种新型复合金属泡沫，其防腐、防污、防冰、耐磨性能均优于目前常用于固定翼和旋翼飞机机翼前缘的航空铝材（6061-T6），有望延长机翼组件的使用寿命，减少组件维护和更换的成本，改善飞机的安全性和燃油效率。这种复合金属泡沫是一种新型超轻金属材料，其成功研制为拓展超轻金属的应用领域提供了新思路。

一、超轻金属材料概述

超轻金属材料具有较高的孔隙率（甚至达到90%～99%），其微结构按规则程度可分为无序和有序两大类，前者包括金属泡沫材料，后者主要为点阵材料。超轻金属材料具有千变万化的微结构，在保持高孔隙率的前提下，其孔径可逐渐由毫米级减小到微米级甚至纳米级，使得超轻金属材料具有良好的可设计性，可根据不同应用需求对其进行微观结构设计和性能优化。

超轻金属材料密度低（仅为基体材料的1/10甚至更低）、比强度高，是优异的轻质结构材料；其孔隙率高，可满足温度控制、减振降噪、屏蔽电磁辐射、冲击能量吸收等要求，因此是理想的新型结构功能一体化材料。目前，超轻金属材料领域的研究重点和热点主要包括复合金属泡沫和金属微点阵材料两大类。

复合金属泡沫（CMF）是美国北卡罗来纳州立大学研发的一类新型轻质金属材料，其由空心金属球和金属基体组成，空心金属球紧密堆积在一起，通过铸造（熔融金属）或烧结（粉末状金属）填充金属球之间的空隙。复合金属泡沫中金属的含量约为30%～40%，气孔率达到60%～70%，纯不锈钢复合金属泡沫的密度接近铝。复合金属泡沫具有如下特点：比强度是普通金属泡沫的5～6倍；能量吸收性能比铝或不锈钢高2个数量级，是普通金属泡沫的8倍以上；具有优异的隔热性能，钢质复合金属泡沫的热导率比铝低2个数量级；具有良好的防辐射性能，钢质复合金属泡沫屏蔽X射线辐射的能力约为铝的4倍。

金属微点阵材料的概念最早由隶属于美国波音公司的休斯实验室（HRL）在2007年提出。2009年，在美国国防高级研究计划局（DARPA）“具有可控微结构材料”项目的资助下，HRL开展了金属微点阵材料制备技术攻关。2011年，HRL开发出“自动传布光敏聚合物波导法”（SPWT）工艺（见图1），并首次成功在实验室环境下制备出微点阵镍样件，其气孔率达99.99%，密度为0.9mg/cm3，仅为泡沫塑料的1/100，比当时世界上最轻的固体硅气凝胶还轻10%，其在压缩变形超过50%后仍能完全恢复，具备超强的能量吸收特性。SPWT的工艺流程是：用紫外光将光敏聚合物固化，制备出微观尺度上孔洞均匀的微支架结构；采用化学镀的方法在微支架结构上镀一层厚度可控的超薄金属膜；再利用刻蚀技术去除支架，最终形成由壁厚为100nm的空心管组成的微点阵材料。

二、超轻金属材料最新研制进展

（一）复合金属泡沫材料

复合金属泡沫材料在车辆轻质装甲、士兵个人防护、热防护、辐射屏蔽、有害物质运输、交通工具能量吸收器、直升机着陆能量吸收部件、可植入医疗设备等诸多领域有显著的应用潜力，并引起了军方的高度重视。近年来，美国陆军和NASA积极资助高校开展复合金属泡沫的相关研究，在比强度、抗冲击性能等方面不断取得新突破。美国北卡罗来纳州立大学在复合金属泡沫领域开展了近13年的研究，目前已经申请了4项专利，建立了1家初创公司，并持续取得技术进步。

图1“自动传布光敏聚合物波导法”（SPWT）制备过程

2018年3月，美国北卡罗来纳州立大学和美国陆军航空应用技术理事会合作开发出一种不锈钢复合金属泡沫，并证实10mm厚的板材可抵挡速度为1.52km/s的燃烧弹的爆炸和碎片冲击。研究表明：该复合金属泡沫的能量吸收性能比金属基体高2个数量级，比强度是相同质量金属泡沫的3倍。有限元分析和实验结果显示，在同等质量和厚度条件下，这种复合金属泡沫板的抗冲击性能优于目前常用的5083铝质装甲。

2019年6月，美国北卡罗来纳州立大学制造出一种钢质复合金属泡沫芯材，其与陶瓷面板、铝制薄背板共同构成新型装甲系统。试验结果表明，该系统能够像传统的钢制装甲一样承受速度为500～885m/s的穿甲弹的冲击，而质量却不足钢制装甲的一半，其中，复合金属泡沫芯可吸收穿甲弹68%～78%的动能。利用这种新的装甲系统，未来可开发出更轻的军用车辆，而且在不牺牲安全性或不加重车辆自重的前提下改善防护性能。此外，研究还表明，这种复合金属泡沫还能有效屏蔽X射线、γ射线和中子辐射，耐高温性能是钢的2倍，其在太空探索、核废料和爆炸物及危险材料的运输、军事安全、公共交通等诸多领域具有较大的应用潜力。

飞机机翼对所用材料的要求较高，昆虫附着、冰霜积聚和颗粒撞击等都会导致飞机机翼的金属前缘腐蚀或磨损，因此每5～10年就需对机翼进行维修或更换。而昆虫撞击带来的残留物附着等还会造成飞机前缘表面气流不稳定，进而导致层流减少、飞机气动效率降低。此外，飞机机翼前缘积聚的冰霜会影响飞行的安全性，需要设置机载除冰设备，造成飞机负载和油耗增加。目前，铝是制造固定翼和旋翼飞机机翼前缘的首选材料，可通过涂覆具有良好防冰、防昆虫附着的聚合物涂层来提升飞机的安全性。但是，这些材料存在耐用性不足、需反复涂覆等问题。为此，亟待开发一种兼具金属的耐用性和聚合物涂层的良好防腐防污防冰性能的多功能材料。

为满足对材料防腐防污防冰性能的要求，2019年10月，美国北卡罗来纳州立大学在2018年研制的不锈钢复合泡沫的基础上，通过在表层填充环氧树脂获得了新型复合金属泡沫。制备过程是先通过粉末冶金法，利用平均直径为2mm、壁厚为100～106μm的不锈钢空心球和316L不锈钢基体，制备出两种形状尺寸不同的钢质复合金属泡沫试样（见图2），平均密度为2.8g/cm3；随后将试样浸没在装有环氧树脂的烧杯中，并在70°C、270Pa的真空烘箱中加热2.5h，以降低环氧树脂的黏度，加速复合金属泡沫中气体的排出，促进环氧树脂填充到孔隙结构中；然后在大气环境下，将样品在100℃和177℃下分别固化2h和4h，完成注射成型过程；最后将样品从烧杯中取出，并通过电切割除去残余的环氧树脂，从而得到树脂填充的不锈钢复合金属泡沫。复合金属泡沫的制备工艺示意图如图3所示。

图2 采用粉末冶金法制备的两种复合金属泡沫试样

图3 复合金属泡沫的制备工艺示意图

这种新型复合金属泡沫表现出较好的疏水性，倾斜度为0°和60°时，与水的接触角为94°和76°，比航空铝材高30%和130%；具有优异的耐用性，摩擦系数低于0.4，比铝低30%，在喷砂处理120s后，其磨损深度为104μm，磨损率为0.9μm/s，表面粗糙度比铝低33%，240s后比铝低17%；具有良好的防污性能，昆虫残留物的高度和区域覆盖率分别比航空铝材低60%和30%。

（二）金属微点阵材料

金属微点阵材料的概念一经提出，NASA就开始高度关注，并随即开始资助HRL开展材料研制、工艺开发、试验验证等工作，寄希望于未来可将该材料用于深空探测器，以实现探测器减重40%的目标。

2014年，NASA资助HRL进一步推动SPWT工艺改进优化。2015年4月，NASA宣布通过“改变游戏规则”项目资助HRL实验室，研究人员以具有微晶格结构的超轻金属为芯材，开发航天器用超轻金属夹芯板。该项目分为两个阶段：第一阶段为期13个月，经费55万美元，主要 开 展30.48cm×30.48cm×2.54cm的 超轻金属夹芯板的制备工作；第二阶段为期18个月，经费200万美元，主要进行60.96cm×60.96cm×2.54cm超轻金属夹芯板的制备及性能演示验证，并最终成功研制出尺寸为3.05m×3.35m×2.54cm的超轻金属夹芯板。2015年10月，HRL实验室宣布开发出世界上最轻的金属材料，并表示会将该材料应用于旗下客机的地板、座椅与墙壁，以减轻飞机质量；同时还表示可利用目前研制完成的超轻金属材料制备夹芯板，未来争取实现NASA提出的深空探测器减重40%的目标。上述成果标志着HRL实验室研发的新型超轻金属已从实验室研制阶段迈向了实际应用探索阶段。

2018年7月，在美国海军研究署的资助下，HRL通过多步增材制造实现了复合中空微点阵材料的规模化制备。这种复合中空微点阵材料由弹性体芯材和金属包覆层组成，弹性体芯材起到阻尼的作用，金属包覆层则提供刚度和强度。制备过程主要包括5个步骤：（1）利用SPWT制备聚合物模板；（2）在模板上沉积镍薄膜；（3）在金属薄膜上沉积热塑性聚亚安酯薄膜；（4）在聚合物薄膜上再次沉积镍薄膜；（5）用氢氧化钠溶液通过化学刻蚀除去聚合物模板。实验结果表明，这种三明治结构的中空微点阵材料（见图4）的阻尼系数比纯金属中空微点阵材料高20%。

三、军用潜力分析

超轻金属材料兼具极低的密度、优越的力学性能和良好的能量吸收性能等，在军用领域有巨大的应用潜力，主要包括：

（1）可满足当前装备飞速发展对材料轻量化的要求，提高结构的承载效率，改善武器装备的灵活性和稳定性，增加战略武器的射程；降低飞机、舰船的能耗，增加其续航能力，从而显著提升武器装备的作战效能。

（2）可用于军事装甲车、坦克、舰船、战机等军事装备防护装甲结构，起到一定的缓冲作用，还可防止装甲结构因裂纹和缺陷的扩展而失效。

（3）用作航空发动机内衬的声衬材料和舰艇外层的吸声材料，起到良好的减震降噪作用。

（4）与聚合物等其他材料结合，形成新型多功能一体材料，延长金属部件的使用寿命。

四、结束语

图4 三明治结构微点阵材料

目前，超轻金属材料已经完成概念探索、结构设计和实验室研制工作，正在向规模化制备和应用探索阶段迈进。随着增材制造技术等先进制造技术的不断发展，超轻金属材料的实用化进程有望进一步加速，未来将满足航空航天、探月工程、高性能装甲车辆、新型船舶等领域对高效能量吸收、减振降噪、散热、节能的轻量化高性能材料的迫切需求。