超輕開孔泡沫鋁及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

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1、航天器環(huán)境工程第30卷第6期570SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年12月超輕開孔泡沫鋁及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用韓福生（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥230031）摘要：超輕開孔泡沫鋁具有孔隙率高、質(zhì)量小、比表面積大、比強(qiáng)度高等特征，是一種結(jié)構(gòu)性與功能性兼?zhèn)涞男滦筒牧希诤娇蘸教?、能源與環(huán)境等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。文章針對(duì)航天領(lǐng)域?qū)p質(zhì)功能性材料的需求，介紹了超輕開孔泡沫鋁的基本結(jié)構(gòu)、性能特征以及相關(guān)研究進(jìn)展，并對(duì)該材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望，希望為未來航天器的設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：超輕開孔泡沫鋁；航空航天應(yīng)用；超輕泡沫金屬；功能性金屬材料中

2、圖分類號(hào)：TG146.2;TG139;V19文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-1379(2013)06-0570-06DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2013.06.0010引言鋁的理論密度之比來表征，而孔徑則通常以ppi表示。超輕開孔泡沫鋁是一種以純鋁或鋁合金為基體的高孔隙率多孔材料，其孔隙率一般大于90%（表3觀密度≤0.27g/cm），孔徑為0.6～5.0mm（8～30ppi）[ppi，即poresperinch，是多孔材料孔徑的一種表示方法，指單位長(zhǎng)度（英寸）上開孔的數(shù)量]，孔壁呈桿狀。由于鋁基體所具備的優(yōu)良綜合性能及圖1超輕開孔泡沫鋁的典型結(jié)構(gòu)特征（

3、孔徑20ppi）Fig.1Typicalstructureofultra-lightopencelledAlfoam其與高孔隙率宏觀孔形成的耦合作用，使之具有突(porediameter:20ppi)出的比強(qiáng)度、比剛度、吸能性，以及高比表面積和如前所述，超輕開孔泡沫鋁的孔隙率一般為高換熱效率等性能，有望成為航空航天、國(guó)防、能源90%～95%，孔徑一般為8～30ppi。需要指出的是，與環(huán)境等工業(yè)領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)和功能材料之一。一般情況下，這種開孔泡沫鋁的孔隙率和孔徑是彼本文對(duì)超輕開孔泡沫鋁結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)及其研此關(guān)聯(lián)的；改變孔徑的同時(shí)，孔隙率也隨之改變。究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，希望藉此為航天器

4、的設(shè)計(jì)例如，孔徑減小，則孔隙率下降，反之亦然。此外，提供參考，為未來航天工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供材料技構(gòu)成孔壁的絲桿直徑也與孔隙率相關(guān)，孔隙率提術(shù)支持。高，則絲桿直徑減小。在上述孔隙率范圍內(nèi)，絲桿1超輕開孔泡沫鋁的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)直徑約為0.25～0.45mm。1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.2主要性能特點(diǎn)目前研究和應(yīng)用最為普遍的超輕開孔泡沫鋁是1.2.1壓縮力學(xué)性能以聚合物泡沫為模板、通過熔模鑄造工藝制備出來與其他泡沫金屬相似，超輕開孔泡沫鋁的壓縮的[1]，因此，其孔結(jié)構(gòu)與開孔型聚合物泡沫基本一致，應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示出典型的3個(gè)區(qū)域，即彈性區(qū)是由絲網(wǎng)狀孔壁構(gòu)成的三維開放式結(jié)構(gòu)，如圖1所（彈性應(yīng)變區(qū)）、平臺(tái)

5、區(qū)（孔壁屈曲或坍塌區(qū)）和示。超輕開孔泡沫鋁的孔隙率以其表觀密度與致密致密化區(qū)，其中平臺(tái)區(qū)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基金項(xiàng)目：國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目“超輕多孔材料及其構(gòu)成結(jié)構(gòu)多功能化應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”（編號(hào)：2011CB610300）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“Al基非晶合金多孔材料制備方法及力學(xué)性能”（編號(hào)：51371167）作者簡(jiǎn)介：韓福生（1955—），男，研究員，研究方向?yàn)槌p金屬多孔材料、高效吸能材料設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用。E-mail:fshan@issp.ac.cn。第6期韓福生：超輕開孔泡沫鋁及其在航天領(lǐng)域

6、的應(yīng)用571之一，如圖2所示。平臺(tái)區(qū)的出現(xiàn)是因泡沫材料局備超輕開孔泡沫鋁，可在相同孔隙率條件下，使泡[3-5]域化變形行為所致。當(dāng)外加應(yīng)力超過孔壁材料的屈沫材料的壓縮屈服強(qiáng)度提高1個(gè)量級(jí)以上。一服應(yīng)力或壓潰應(yīng)力時(shí)，孔壁即發(fā)生局域化屈曲或斷般來說，采用普通鑄造鋁合金制備的超輕開孔泡沫[6]裂。隨應(yīng)變?cè)黾?，變形組織在壓縮方向上逐步擴(kuò)展，鋁，其壓縮屈服強(qiáng)度約為0.3～3.0MPa。而應(yīng)力幾乎保持不變。平臺(tái)區(qū)的幾何特征反映了泡1.2.2其他物理性能沫材料吸能本領(lǐng)和吸能效率的優(yōu)劣，簡(jiǎn)單而言，其超輕開孔泡沫鋁的典型物理性能如表1所示。[7-8]表1超輕開孔泡沫鋁的代表性物理性能高度和長(zhǎng)度越大，吸能

7、本領(lǐng)越強(qiáng)；其斜率越小，則Table1Typicalphysicalpropertiesofultra-lightopen吸能效率越高。celledAlfoam-1-1比熱/(J·g·℃)895超輕開孔泡沫鋁的壓縮屈服強(qiáng)度與孔隙率（或-1-1體熱導(dǎo)率/(W·m·℃)9.6表觀密度）和基體直接相關(guān)?？紫堵逝c泡沫材料壓有效熱導(dǎo)率*0.33[2]縮屈服強(qiáng)度之間遵循分?jǐn)?shù)冪的關(guān)系，孔隙率增熱膨脹系數(shù)（0～100℃）/-6-1-123.58×10(mm·℃)