超轻开孔泡沫铝及其在航天领域的应用

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1、航天器环境工程第30卷第6期570SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年12月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）摘要：超轻开孔泡沫铝具有孔隙率高、质量小、比表面积大、比强度高等特征，是一种结构性与功能性兼备的新型材料，在航空航天、能源与环境等领域有广泛的应用前景。文章针对航天领域对轻质功能性材料的需求，介绍了超轻开孔泡沫铝的基本结构、性能特征以及相关研究进展，并对该材料在航天领域的应用进行了展望，希望为未来航天器的设计提供参考。关键词：超轻开孔泡沫铝；航空航天应用；超轻泡沫金属；功能性金属材料中

2、图分类号：TG146.2;TG139;V19文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)06-0570-06DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2013.06.0010引言铝的理论密度之比来表征，而孔径则通常以ppi表示。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3观密度≤0.27g/cm），孔径为0.6～5.0mm（8～30ppi）[ppi，即poresperinch，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图1超轻开孔泡沫铝的典型结构特征（

3、孔径20ppi）Fig.1Typicalstructureofultra-lightopencelledAlfoam其与高孔隙率宏观孔形成的耦合作用，使之具有突(porediameter:20ppi)出的比强度、比刚度、吸能性，以及高比表面积和如前所述，超轻开孔泡沫铝的孔隙率一般为高换热效率等性能，有望成为航空航天、国防、能源90%～95%，孔径一般为8～30ppi。需要指出的是，与环境等工业领域重要的结构和功能材料之一。一般情况下，这种开孔泡沫铝的孔隙率和孔径是彼本文对超轻开孔泡沫铝结构、性能特点及其研此关联的；改变孔径的同时，孔隙率也随之改变。究进展进行了简要介绍，希望藉此为航天器

4、的设计例如，孔径减小，则孔隙率下降，反之亦然。此外，提供参考，为未来航天工程目标的实现提供材料技构成孔壁的丝杆直径也与孔隙率相关，孔隙率提术支持。高，则丝杆直径减小。在上述孔隙率范围内，丝杆1超轻开孔泡沫铝的结构与性能特点直径约为0.25～0.45mm。1.1结构特点1.2主要性能特点目前研究和应用最为普遍的超轻开孔泡沫铝是1.2.1压缩力学性能以聚合物泡沫为模板、通过熔模铸造工艺制备出来与其他泡沫金属相似，超轻开孔泡沫铝的压缩的[1]，因此，其孔结构与开孔型聚合物泡沫基本一致，应力-应变曲线显示出典型的3个区域，即弹性区是由丝网状孔壁构成的三维开放式结构，如图1所（弹性应变区）、平台

5、区（孔壁屈曲或坍塌区）和示。超轻开孔泡沫铝的孔隙率以其表观密度与致密致密化区，其中平台区是泡沫材料最典型的特征————————————收稿日期：2013-09-02；修回日期：2013-11-08基金项目：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）；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）作者简介：韩福生（1955—），男，研究员，研究方向为超轻金属多孔材料、高效吸能材料设计、制备与应用。E-mail:fshan@issp.ac.cn。第6期韩福生：超轻开孔泡沫铝及其在航天领域

6、的应用571之一，如图2所示。平台区的出现是因泡沫材料局备超轻开孔泡沫铝，可在相同孔隙率条件下，使泡[3-5]域化变形行为所致。当外加应力超过孔壁材料的屈沫材料的压缩屈服强度提高1个量级以上。一服应力或压溃应力时，孔壁即发生局域化屈曲或断般来说，采用普通铸造铝合金制备的超轻开孔泡沫[6]裂。随应变增加，变形组织在压缩方向上逐步扩展，铝，其压缩屈服强度约为0.3～3.0MPa。而应力几乎保持不变。平台区的几何特征反映了泡1.2.2其他物理性能沫材料吸能本领和吸能效率的优劣，简单而言，其超轻开孔泡沫铝的典型物理性能如表1所示。[7-8]表1超轻开孔泡沫铝的代表性物理性能高度和长度越大，吸能

7、本领越强；其斜率越小，则Table1Typicalphysicalpropertiesofultra-lightopen吸能效率越高。celledAlfoam-1-1比热/(J·g·℃)895超轻开孔泡沫铝的压缩屈服强度与孔隙率（或-1-1体热导率/(W·m·℃)9.6表观密度）和基体直接相关。孔隙率与泡沫材料压有效热导率*0.33[2]缩屈服强度之间遵循分数幂的关系，孔隙率增热膨胀系数（0～100℃）/-6-1-123.58×10(mm·℃)