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

一、超輕金屬的概念內涵

超輕金屬具有高孔隙率（大于80%）、高強度、耐沖擊（塑性變形階段的應力幾乎恒定不變）、優良的導熱性等特點，目前的研究重點和熱點在于復合金屬泡沫和金屬微點陣材料兩大類。超輕金屬具有千變萬化的微結構，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計性，可根據不同應用需求在制備前對其微觀結構進行優化設計及多功能改進。

二、超輕金屬的最新研制進展

（一）復合金屬泡沫

復合金屬泡沫（CMF）是美國北卡羅來納州立大學研發的一類新型輕質金屬材料，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（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%，氣孔率達到60%-70%，純不銹鋼復合金屬泡沫的密度接近鋁。復合金屬泡沫的比強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個數量級，是普通金屬泡沫的8倍以上；具有優異的隔熱性能，鋼質復合金屬泡沫的熱導率比鋁低2個數量級；此外還具有良好的防輻射性能，純鋼質復合金屬泡沫屏蔽X射線輻射的能力是鋁的3.75倍。復合金屬泡沫材料被稱為下一代輕質材料，在車輛輕質裝甲、士兵個人防護、熱防護、輻射屏蔽、有害物質運輸、交通工具能量吸收器、直升機著陸能量吸收部件、可植入醫療設備等諸多領域有顯著的應用潛力，受到美國陸軍和空軍的極大關注。

北卡羅來納州立大學在復合金屬泡沫領域開展了近13年的研究，目前已經申請了4項專利，建立了一家初創公司，并持續取得技術突破。2018年3月，美國北卡羅來納州立大學和美國陸軍航空應用技術理事會合作開發出一種不銹鋼復合金屬泡沫，并證實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：復合金屬泡沫的能量吸收性能比金屬基體高2個數量級，比強度是相同質量金屬泡沫的3倍。有限元分析和實驗結果顯示，在同等重量和厚度條件下，這種復合金屬泡沫板的抗沖擊性能優于目前常用的5083鋁質裝甲。

2019年6月，北卡羅來納州立大學制造出一種鋼質復合金屬泡沫芯材，并與陶瓷面板、鋁制薄背板構成新型裝甲系統。試驗結果證明，該系統能夠像傳統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。其中的復合金屬泡沫芯可吸收穿甲彈68%-78%的動能。利用這種這種復合金屬泡沫還能有效屏蔽X射線、伽馬射線，未來可開發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輸，軍事安全，公共交通等諸多領域有應用潛力。

2019年10月，北卡羅來納州立大學研發出環氧樹脂填充的不銹鋼復合金屬泡沫。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復合金屬泡沫試樣，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，以降低環氧樹脂粘度、加速復合金屬泡沫中氣體的排出、促進環氧樹脂填充孔隙結構；然后在大氣環境下，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氧樹脂，從而得到樹脂填充的不銹鋼復合金屬泡沫。

圖1  采用粉末冶金法制備的兩種復合金屬泡沫試樣

這種新型復合金屬泡沫表現出較好的疏水性，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%；優異的耐用性，摩擦系數低于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域覆蓋率分別比航空鋁材低60%和30%。

圖2  復合金屬泡沫制備工藝示意圖

（二）金屬微點陣材料

金屬微點陣材料的概念是隸屬于波音公司的休斯實驗室（HRL）2007年提出的。2009年，在DARPA“具有可控微結構材料”項目的資助下，HRL開展了金屬微點陣材料制備技術攻關。2011年，HRL開發出“自動傳布光敏聚合物波導法”（SPWT）工藝，并首次成功在實驗室環境下制備出微點陣鎳樣件，氣孔率達99.99%，密度0.9mg/cm3，僅為泡沫塑料的1/100，比當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，具備超強的能量吸收特性。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構；采用化學鍍的方法在微支架結構上鍍一層厚度可控的超薄金屬膜；再利用刻蝕技術去除支架，最終形成由100nm壁厚的空心管組成的微點陣材料。

圖3  “自動傳布的光敏聚合物波導法”制備過程

2014年，NASA開始資助HRL，推動SPWT工藝成熟。2015年4月，為實現深空探測器減重40%的目標，NASA宣布通過“改變游戲規則”項目資助HRL實驗室，以具有微晶格結構的超輕金屬為芯材，開發航天器用超輕金屬夾芯板。該項目分為兩個階段：第一階段為期13個月，經費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，經費200萬美元，主要進行60.96cm×60.96cm×2.54cm超輕金屬夾芯板的制備及性能演示驗證，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實驗室宣布開發出世界上最輕的金屬材料，并表示會將該材料應用于旗下客機的地板、座椅與墻壁，以減輕飛機重量；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，未來爭取實現NASA減重40%的目標。上述成果標志著HRL實驗室研發的新型超輕金屬已從實驗室研制階段邁向了實際應用探索階段。

圖4  世界上最輕的金屬材料——微點陣鎳材料

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現了復合中空微點陣材料的規模化制備。這種復合中空微點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刻蝕除去聚合物模板。實驗結果表明，這種三明治結構的中空微點陣材料的阻尼系數比純金屬中空微點陣材料高20%。

圖5  三明治結構微點陣材料

三、軍用潛力分析

超輕金屬材料兼具極低的密度、優越的力學和良好的能量吸收等性能，在軍用領域有巨大的應用潛力。

（1）可滿足當前裝備飛速發展對材料輕量化的需求，提高結構的承載效率，改善武器裝備的靈活性和穩定性，增加戰略武器的射程；降低飛機、艦船的能耗，增加其續航能力，從而顯著提升武器裝備的作戰效能。

（2）可用于軍事裝甲車、坦克、艦船、戰機等軍事裝備防護裝甲結構，起緩沖作用，還可防止結構因裂紋和缺陷的擴展而失效。

（3）用作航空發動機內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。