國外超輕金屬材料最新進展及其軍用潛力分析

中國船舶重工集團公司第七一四研究所

方 楠 陜臨喆 王 敏

2019年10月21日，在美國國家航空航天局（NASA）蘭利中心內(nèi)部研發(fā)計劃（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機翼前緣的航空鋁材（6061-T6），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。這種復(fù)合金屬泡沫是一種新型超輕金屬材料，其成功研制為拓展超輕金屬的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新思路。

一、超輕金屬材料概述

超輕金屬材料具有較高的孔隙率（甚至達到90%～99%），其微結(jié)構(gòu)按規(guī)則程度可分為無序和有序兩大類，前者包括金屬泡沫材料，后者主要為點陣材料。超輕金屬材料具有千變?nèi)f化的微結(jié)構(gòu)，在保持高孔隙率的前提下，其孔徑可逐漸由毫米級減小到微米級甚至納米級，使得超輕金屬材料具有良好的可設(shè)計性，可根據(jù)不同應(yīng)用需求對其進行微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化。

超輕金屬材料密度低（僅為基體材料的1/10甚至更低）、比強度高，是優(yōu)異的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料；其孔隙率高，可滿足溫度控制、減振降噪、屏蔽電磁輻射、沖擊能量吸收等要求，因此是理想的新型結(jié)構(gòu)功能一體化材料。目前，超輕金屬材料領(lǐng)域的研究重點和熱點主要包括復(fù)合金屬泡沫和金屬微點陣材料兩大類。

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，其由空心金屬球和金屬基體組成，空心金屬球緊密堆積在一起，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。復(fù)合金屬泡沫中金屬的含量約為30%～40%，氣孔率達到60%～70%，純不銹鋼復(fù)合金屬泡沫的密度接近鋁。復(fù)合金屬泡沫具有如下特點：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(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；具有良好的防輻射性能，鋼質(zhì)復(fù)合金屬泡沫屏蔽X射線輻射的能力約為鋁的4倍。

金屬微點陣材料的概念最早由隸屬于美國波音公司的休斯實驗室（HRL）在2007年提出。2009年，在美國國防高級研究計劃局（DARPA）“具有可控微結(jié)構(gòu)材料”項目的資助下，HRL開展了金屬微點陣材料制備技術(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（見圖1），并首次成功在實驗室環(huán)境下制備出微點陣鎳樣件，其氣孔率達99.99%，密度為0.9mg/cm3，僅為泡沫塑料的1/100，比當時世界上最輕的固體硅氣凝膠還輕10%，其在壓縮變形超過50%后仍能完全恢復(fù)，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(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，最終形成由壁厚為100nm的空心管組成的微點陣材料。

二、超輕金屬材料最新研制進展

（一）復(fù)合金屬泡沫材料

復(fù)合金屬泡沫材料在車輛輕質(zhì)裝甲、士兵個人防護、熱防護、輻射屏蔽、有害物質(zhì)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(yī)療設(shè)備等諸多領(lǐng)域有顯著的應(yīng)用潛力，并引起了軍方的高度重視。近年來，美國陸軍和NASA積極資助高校開展復(fù)合金屬泡沫的相關(guān)研究，在比強度、抗沖擊性能等方面不斷取得新突破。美國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項專利，建立了1家初創(chuàng)公司，并持續(xù)取得技術(shù)進步。

圖1“自動傳布光敏聚合物波導(dǎo)法”（SPWT）制備過程

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10mm厚的板材可抵擋速度為1.52km/s的燃燒彈的爆炸和碎片沖擊。研究表明：該復(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，比強度是相同質(zhì)量金屬泡沫的3倍。有限元分析和實驗結(jié)果顯示，在同等質(zhì)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，美國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，其與陶瓷面板、鋁制薄背板共同構(gòu)成新型裝甲系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠像傳統(tǒng)的鋼制裝甲一樣承受速度為500～885m/s的穿甲彈的沖擊，而質(zhì)量卻不足鋼制裝甲的一半，其中，復(fù)合金屬泡沫芯可吸收穿甲彈68%～78%的動能。利用這種新的裝甲系統(tǒng)，未來可開發(fā)出更輕的軍用車輛，而且在不犧牲安全性或不加重車輛自重的前提下改善防護性能。此外，研究還表明，這種復(fù)合金屬泡沫還能有效屏蔽X射線、γ射線和中子輻射，耐高溫性能是鋼的2倍，其在太空探索、核廢料和爆炸物及危險材料的運輸、軍事安全、公共交通等諸多領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

飛機機翼對所用材料的要求較高，昆蟲附著、冰霜積聚和顆粒撞擊等都會導(dǎo)致飛機機翼的金屬前緣腐蝕或磨損，因此每5～10年就需對機翼進行維修或更換。而昆蟲撞擊帶來的殘留物附著等還會造成飛機前緣表面氣流不穩(wěn)定，進而導(dǎo)致層流減少、飛機氣動效率降低。此外，飛機機翼前緣積聚的冰霜會影響飛行的安全性，需要設(shè)置機載除冰設(shè)備，造成飛機負載和油耗增加。目前，鋁是制造固定翼和旋翼飛機機翼前緣的首選材料，可通過涂覆具有良好防冰、防昆蟲附著的聚合物涂層來提升飛機的安全性。但是，這些材料存在耐用性不足、需反復(fù)涂覆等問題。為此，亟待開發(fā)一種兼具金屬的耐用性和聚合物涂層的良好防腐防污防冰性能的多功能材料。

為滿足對材料防腐防污防冰性能的要求，2019年10月，美國北卡羅來納州立大學(xué)在2018年研制的不銹鋼復(fù)合泡沫的基礎(chǔ)上，通過在表層填充環(huán)氧樹脂獲得了新型復(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、壁厚為100～106μm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（見圖2），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，并在70°C、270Pa的真空烘箱中加熱2.5h，以降低環(huán)氧樹脂的黏度，加速復(fù)合金屬泡沫中氣體的排出，促進環(huán)氧樹脂填充到孔隙結(jié)構(gòu)中；然后在大氣環(huán)境下，將樣品在100℃和177℃下分別固化2h和4h，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。復(fù)合金屬泡沫的制備工藝示意圖如圖3所示。

圖2 采用粉末冶金法制備的兩種復(fù)合金屬泡沫試樣

圖3 復(fù)合金屬泡沫的制備工藝示意圖

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%；具有優(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%，240s后比鋁低17%；具有良好的防污性能，昆蟲殘留物的高度和區(qū)域覆蓋率分別比航空鋁材低60%和30%。

（二）金屬微點陣材料

金屬微點陣材料的概念一經(jīng)提出，NASA就開始高度關(guān)注，并隨即開始資助HRL開展材料研制、工藝開發(fā)、試驗驗證等工作，寄希望于未來可將該材料用于深空探測器，以實現(xiàn)探測器減重40%的目標。

2014年，NASA資助HRL進一步推動SPWT工藝改進優(yōu)化。2015年4月，NASA宣布通過“改變游戲規(guī)則”項目資助HRL實驗室，研究人員以具有微晶格結(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。該項目分為兩個階段：第一階段為期13個月，經(jīng)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工作；第二階段為期18個月，經(jīng)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，并最終成功研制出尺寸為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(fā)出世界上最輕的金屬材料，并表示會將該材料應(yīng)用于旗下客機的地板、座椅與墻壁，以減輕飛機質(zhì)量；同時還表示可利用目前研制完成的超輕金屬材料制備夾芯板，未來爭取實現(xiàn)NASA提出的深空探測器減重40%的目標。上述成果標志著HRL實驗室研發(fā)的新型超輕金屬已從實驗室研制階段邁向了實際應(yīng)用探索階段。

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(xiàn)了復(fù)合中空微點陣材料的規(guī)?；苽?。這種復(fù)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(xué)刻蝕除去聚合物模板。實驗結(jié)果表明，這種三明治結(jié)構(gòu)的中空微點陣材料（見圖4）的阻尼系數(shù)比純金屬中空微點陣材料高20%。

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)性能和良好的能量吸收性能等，在軍用領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，主要包括：

（1）可滿足當前裝備飛速發(fā)展對材料輕量化的要求，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、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)機等軍事裝備防護裝甲結(jié)構(gòu)，起到一定的緩沖作用，還可防止裝甲結(jié)構(gòu)因裂紋和缺陷的擴展而失效。

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

（4）與聚合物等其他材料結(jié)合，形成新型多功能一體材料，延長金屬部件的使用壽命。

四、結(jié)束語

圖4 三明治結(jié)構(gòu)微點陣材料

目前，超輕金屬材料已經(jīng)完成概念探索、結(jié)構(gòu)設(shè)計和實驗室研制工作，正在向規(guī)?；苽浜蛻?yīng)用探索階段邁進。隨著增材制造技術(shù)等先進制造技術(shù)的不斷發(fā)展，超輕金屬材料的實用化進程有望進一步加速，未來將滿足航空航天、探月工程、高性能裝甲車輛、新型船舶等領(lǐng)域?qū)Ω咝芰课铡p振降噪、散熱、節(jié)能的輕量化高性能材料的迫切需求。