2019年10月21日，在NASA蘭利中心內(nèi)部研發(fā)計(jì)劃（IRAD）資助下，美國北卡羅來納州立大學(xué)利用熱輔助真空注射成型技術(shù)研發(fā)出一種新型復(fù)合金屬泡沫，其防腐、防污、防冰、耐磨性能均優(yōu)于目前常用于固定翼和旋翼飛機(jī)機(jī)翼前緣的航空鋁材，有望延長機(jī)翼組件的使用壽命，減少組件維護(hù)和更換的成本，改善飛機(jī)的安全性和燃油效率。

一、超輕金屬的概念內(nèi)涵

超輕金屬具有高孔隙率（大于80%）、高強(qiáng)度、耐沖擊（塑性變形階段的應(yīng)力幾乎恒定不變）、優(yōu)良的導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，目前的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)在于復(fù)合金屬泡沫和金屬微點(diǎn)陣材料兩大類。超輕金屬具有千變?nèi)f化的微結(jié)構(gòu)，在保持高孔隙率的前提下，孔徑可逐漸由毫米級減小到微米甚至納米級，因此具有良好的可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)不同應(yīng)用需求在制備前對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及多功能改進(jìn)。

二、超輕金屬的最新研制進(jìn)展

（一）復(fù)合金屬泡沫

復(fù)合金屬泡沫（CMF）是美國北卡羅來納州立大學(xué)研發(fā)的一類新型輕質(zhì)金屬材料，它由空心金屬球和金屬基體組成，空心金屬球緊密堆積并通過鑄造（熔融金屬）或燒結(jié)（粉末狀金屬）填充金屬球之間的空隙。該材料中金屬的含量約30%-40%，氣孔率達(dá)到60%-70%，純不銹鋼復(fù)合金屬泡沫的密度接近鋁。復(fù)合金屬泡沫的比強(qiáng)度是普通金屬泡沫的5-6倍；能量吸收性能比鋁或不銹鋼高2個數(shù)量級，是普通金屬泡沫的8倍以上；具有優(yōu)異的隔熱性能，鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫的熱導(dǎo)率比鋁低2個數(shù)量級；此外還具有良好的防輻射性能，純鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫屏蔽X射線輻射的能力是鋁的3.75倍。復(fù)合金屬泡沫材料被稱為下一代輕質(zhì)材料，在車輛輕質(zhì)裝甲、士兵個人防護(hù)、熱防護(hù)、輻射屏蔽、有害物質(zhì)運(yùn)輸、交通工具能量吸收器、直升機(jī)著陸能量吸收部件、可植入醫(yī)療設(shè)備等諸多領(lǐng)域有顯著的應(yīng)用潛力，受到美國陸軍和空軍的極大關(guān)注。

北卡羅來納州立大學(xué)在復(fù)合金屬泡沫領(lǐng)域開展了近13年的研究，目前已經(jīng)申請了4項(xiàng)專利，建立了一家初創(chuàng)公司，并持續(xù)取得技術(shù)突破。2018年3月，美國北卡羅來納州立大學(xué)和美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)理事會合作開發(fā)出一種不銹鋼復(fù)合金屬泡沫，并證實(shí)10mm的泡沫板即可阻止口徑為23×152mm、速度為1.52km/s的燃燒彈的爆炸和碎片沖擊。研究表明：復(fù)合金屬泡沫的能量吸收性能比金屬基體高2個數(shù)量級，比強(qiáng)度是相同質(zhì)量金屬泡沫的3倍。有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在同等重量和厚度條件下，這種復(fù)合金屬泡沫板的抗沖擊性能優(yōu)于目前常用的5083鋁質(zhì)裝甲。

2019年6月，北卡羅來納州立大學(xué)制造出一種鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫芯材，并與陶瓷面板、鋁制薄背板構(gòu)成新型裝甲系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠像傳統(tǒng)的鋼制裝甲一樣承受0.50mm口徑、速度為500-885m/s的穿甲彈的沖擊，而重量不足其一半。其中的復(fù)合金屬泡沫芯可吸收穿甲彈68%-78%的動能。利用這種這種復(fù)合金屬泡沫還能有效屏蔽X射線、伽馬射線，未來可開發(fā)出更輕的軍用車輛且不犧牲安全性，或在不加重車輛自重的前提下改善防護(hù)性能。此外，研究還表明，輻射，耐高溫性能是鋼的兩倍，在太空探索，核廢料、爆炸物和危險材料的運(yùn)輸，軍事安全，公共交通等諸多領(lǐng)域有應(yīng)用潛力。

2019年10月，北卡羅來納州立大學(xué)研發(fā)出環(huán)氧樹脂填充的不銹鋼復(fù)合金屬泡沫。制備過程是先通過粉末冶金法，利用平均直徑為2mm、壁厚100-106?m的不銹鋼空心球和316L不銹鋼基體，制備出兩種形狀尺寸不同的鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫試樣，試樣平均密度為2.8g/cm3；隨后將試樣浸沒在裝有環(huán)氧樹脂的燒杯中，于70?C、270Pa的真空烘箱中加熱2.5小時，以降低環(huán)氧樹脂粘度、加速復(fù)合金屬泡沫中氣體的排出、促進(jìn)環(huán)氧樹脂填充孔隙結(jié)構(gòu)；然后在大氣環(huán)境下，于100℃和177℃下分別固化2小時和4小時，完成注射成型過程；最后將樣品從燒杯中取出并通過電切割除去殘余的環(huán)氧樹脂，從而得到樹脂填充的不銹鋼復(fù)合金屬泡沫。

圖1  采用粉末冶金法制備的兩種復(fù)合金屬泡沫試樣

這種新型復(fù)合金屬泡沫表現(xiàn)出較好的疏水性，傾斜度為0°和60°時，與水的接觸角為94°和76°，比航空鋁材高30%和130%；優(yōu)異的耐用性，摩擦系數(shù)低于0.4，比鋁低30%，在噴砂處理120s后，其磨損深度為104μm，磨損率為0.9μm/s，表面粗糙度比鋁低33％，240秒后比鋁低17%；良好的防污性能，昆蟲殘留物的最大高度和區(qū)域覆蓋率分別比航空鋁材低60%和30%。

圖2  復(fù)合金屬泡沫制備工藝示意圖

（二）金屬微點(diǎn)陣材料

金屬微點(diǎn)陣材料的概念是隸屬于波音公司的休斯實(shí)驗(yàn)室（HRL）2007年提出的。2009年，在DARPA“具有可控微結(jié)構(gòu)材料”項(xiàng)目的資助下，HRL開展了金屬微點(diǎn)陣材料制備技術(shù)攻關(guān)。2011年，HRL開發(fā)出“自動傳布光敏聚合物波導(dǎo)法”（SPWT）工藝，并首次成功在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下制備出微點(diǎn)陣鎳樣件，氣孔率達(dá)99.99%，密度0.9mg/cm3，僅為泡沫塑料的1/100，比當(dāng)時世界最輕的固體硅氣凝膠還輕10%，壓縮變形超過50%后仍能完全恢復(fù)，具備超強(qiáng)的能量吸收特性。SPWT的工藝流程是：用紫外光將光敏聚合物固化，制備出微觀尺度上孔洞均勻的微支架結(jié)構(gòu)；采用化學(xué)鍍的方法在微支架結(jié)構(gòu)上鍍一層厚度可控的超薄金屬膜；再利用刻蝕技術(shù)去除支架，最終形成由100nm壁厚的空心管組成的微點(diǎn)陣材料。

圖3  “自動傳布的光敏聚合物波導(dǎo)法”制備過程

2014年，NASA開始資助HRL，推動SPWT工藝成熟。2015年4月，為實(shí)現(xiàn)深空探測器減重40%的目標(biāo)，NASA宣布通過“改變游戲規(guī)則”項(xiàng)目資助HRL實(shí)驗(yàn)室，以具有微晶格結(jié)構(gòu)的超輕金屬為芯材，開發(fā)航天器用超輕金屬夾芯板。該項(xiàng)目分為兩個階段：第一階段為期13個月，經(jīng)費(fèi)55萬美元，主要開展30.48cm×30.48cm×2.54cm的超輕金屬夾芯板的制備；第二階段為期18個月，經(jīng)費(fèi)200萬美元，主要進(jìn)行60.96cm×60.96cm×2.54cm超輕金屬夾芯板的制備及性能演示驗(yàn)證，并最終研制成3.05m×3.35m×2.54cm的超輕金屬夾芯板。2015年10月，HRL實(shí)驗(yàn)室宣布開發(fā)出世界上最輕的金屬材料，并表示會將該材料應(yīng)用于旗下客機(jī)的地板、座椅與墻壁，以減輕飛機(jī)重量；同時還表示可利用目前研制成的超輕金屬材料制備夾芯板，未來爭取實(shí)現(xiàn)NASA減重40%的目標(biāo)。上述成果標(biāo)志著HRL實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的新型超輕金屬已從實(shí)驗(yàn)室研制階段邁向了實(shí)際應(yīng)用探索階段。

圖4  世界上最輕的金屬材料——微點(diǎn)陣鎳材料

2018年7月，在美國海軍研究署的資助下，HRL通過多步增材制造實(shí)現(xiàn)了復(fù)合中空微點(diǎn)陣材料的規(guī)模化制備。這種復(fù)合中空微點(diǎn)陣材料由彈性體芯材和金屬包覆層組成，彈性體芯材起到阻尼的作用，金屬包覆層則提供剛度和強(qiáng)度。制備過程主要包括5個步驟：①利用SPWT制備聚合物模板；②在模板上沉積鎳薄膜；③在金屬薄膜上沉積熱塑性聚亞安酯薄膜；④在聚合物薄膜上再次沉積鎳薄膜；⑤用氫氧化鈉溶液通過化學(xué)刻蝕除去聚合物模板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種三明治結(jié)構(gòu)的中空微點(diǎn)陣材料的阻尼系數(shù)比純金屬中空微點(diǎn)陣材料高20%。

圖5  三明治結(jié)構(gòu)微點(diǎn)陣材料

三、軍用潛力分析

超輕金屬材料兼具極低的密度、優(yōu)越的力學(xué)和良好的能量吸收等性能，在軍用領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

（1）可滿足當(dāng)前裝備飛速發(fā)展對材料輕量化的需求，提高結(jié)構(gòu)的承載效率，改善武器裝備的靈活性和穩(wěn)定性，增加戰(zhàn)略武器的射程；降低飛機(jī)、艦船的能耗，增加其續(xù)航能力，從而顯著提升武器裝備的作戰(zhàn)效能。

（2）可用于軍事裝甲車、坦克、艦船、戰(zhàn)機(jī)等軍事裝備防護(hù)裝甲結(jié)構(gòu)，起緩沖作用，還可防止結(jié)構(gòu)因裂紋和缺陷的擴(kuò)展而失效。

（3）用作航空發(fā)動機(jī)內(nèi)襯的聲襯材料和艦艇的外層的吸聲材料，起到良好的減震降噪作用。