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FOAM EXPO “充电站” | 地表最强泡沫材料——陶瓷球金属复合泡沫
以下内容来源：前沿材料作者：张玥¹，鹿宪珂²
1.张玥：英国利物浦大学博士，主要从事多孔金属材料成形工艺，陶瓷球金属复合泡沫自动化生产研究。
2.鹿宪珂：英国利物浦大学博士，主要从事多孔复合材料设计开发。
简介
近年来，随着技术的发展，材料越发追求轻量化，泡沫铝、泡沫铜等金属泡沫材料，开始在实际生产生活中得到广泛应用。这类金属泡沫材料优点突出：首先，其具有超高孔隙率的结构特点，因此通常被用于轻型结构，特别是夹层结构的芯材；其次，轻量化可以提高燃油效率。上述优点，使得材料轻量化在国防、航空航天、交通运输等工程领域有着广阔的应用前景。不过，由于金属泡沫材料在机械性能比上远低于基体合金材料，它们的应用领域仍尚有限。本文所述之陶瓷球复合泡沫金属超轻材料，其发明和近年来所取得的研究进展，则正好弥补了金属泡沫材料的局限性。目前来说，陶瓷球复合泡沫金属超轻材料可谓地球上强度最高的泡沫材料。
图1 陶瓷球复合泡沫金属超轻材料结构3D示意图
本文将介绍陶瓷球复合泡沫金属（铝基）超轻材料的有关特性和应用场景。
首先，该材料是一种特殊的复合新型泡沫材料。通过植入以矩阵排列的中空陶瓷颗粒作为增强材料，该材料的整体模量和强度明显高于同一基体制成的其他泡沫材料。与基体合金材料相比，增强材料提供给复合泡沫一个较高的孔隙率，从而使其重量大大减轻。而除了重量减轻之外，材料内部均匀分布陶瓷球形的存在，也有助于复合泡沫在压缩下获得高能量吸收。
其次，陶瓷球复合泡沫铝超轻材料的多孔结构，可以承受巨大的塑性变形，它可以在产生压缩或冲击条件下吸收能量。其良好的阻尼能力，可应用于减少振动。所以，它可以作为一种保护材料，通过牺牲自己来防止碰撞或冲击造成的损害。
综上所述，陶瓷球复合泡沫铝材料是目前最具应用潜力的泡沫金属，并已成为新型结构功能一体化材料的杰出代表和当今材料发展的前沿热点。
图2 三种尺寸的陶瓷球复合泡沫金属超轻材料
材料性能
- 轻量化
材料轻量化是该种陶瓷球复合泡沫金属超轻材料的优势之一。目前该种材料通常采用密度较轻、且强度优良的铝或镁合金作为基体材质。增强体主要采用的是薄壁陶瓷空心球，这有利于进一步获得密度较低的复合泡沫材料。空心陶瓷球的植入，为材料内部气孔贡献了支撑作用，同时也提升了材料的整体强度，为复合泡沫材料提供一个可观的孔隙率。英国利物浦大学多孔金属团队综合评估绝大部分复合泡沫铝的密度通常在1.5-2g/cm³之间。更有甚者，如美国深泉技术公司和纽约大学合作研发的镁合金基复合泡沫，其材料密度达到了0.92g/cm³——这使其可以漂浮在水中，为材料在制造船只甲板、汽车零部件、浮力模块以及车辆装甲等方面提供了广阔的应用前景。
目前，金属复合泡沫材料已被美国海军应用于新型的“朱姆沃尔特”级驱逐舰上，其大幅减轻了军舰重量，提升了军舰机动性及防护能力。
图3 超轻密度镁合金基复合泡沫材料
图4 金属复合泡沫在美国海军新型“朱姆沃尔特”级驱逐舰上的应用
- 应力-应变曲线
对于轻质陶瓷球增强铝基复合材料来说，该材料在力学上的主要特点体现在其压缩性能上。由于其压缩过程中的失效过程和机理，与基体材料完全不同，它的压缩特性更类似于多孔材料。传统基体材料发生屈服之后会迅速失效，而金属复合泡沫在开始屈服后，会持续很大的变形量，吸收大量的外部能量。材料的压缩性能，也会受增强陶瓷球规格的影响。
图4展示了三种不同尺寸陶瓷球复合泡沫铝超轻材料在单轴压缩应力‒应变曲线。曲线可被分为三个阶段：（1）弹性变形阶段，该阶段应力大小随应变的增加而增加，孔壁逐步产生弹性弯曲；（2）屈服阶段，在此阶段，当应变增加到一定程度时，孔壁薄弱处会发生屈服而断裂，逐渐坍塌而被压实，未坍塌的孔道继续承受压力；应力在泡沫材料发生塑性变形时达到一个峰值，随后应力峰值会出现一定幅度的下降，最后随着应变的增大，应力值基本保持不变，产生了特殊的应力平台；（3）密实阶段，此阶段孔道塌陷，孔壁紧密接触，基体材料开始承担应变，应力则随应变增加而急剧增大。对比单一铝基泡沫材料的应力-应变曲线，复合泡沫铝材料的有着近似的趋势，但其峰值应力（peak stress）和平台应力（plateau stress）要远远大于泡沫铝，这也导致它们在受导压缩或冲击载荷时有更好的吸能特性。
图5 三种不同尺寸陶瓷球增强铝基复合泡沫材料的压缩曲线
- 减震与吸能性能
目前，在减震和吸能领域使用最为广泛的是各种高分子泡沫材料。但高分子泡沫材料本身对温度、化学试剂和紫外线比较敏感，这极大限制了高分子泡沫材料的使用场景。并且较低比吸能的缺点，也导致高分子泡沫材料需要极大的体积，来吸收大负荷冲击能。与之相比，复合泡沫铝具有更高的强度和更大的刚性。其稳定性高、耐侯性好、再生性强、不易烧、质轻，是一种优良的减震吸能材料。
通常来说，单位体积能量吸收量是评估材料吸能能力的标准参数。复合泡沫铝的单位体积能量吸收量，相当于图5所示应力-应变曲线下的阴影面积。从应力-应变曲线可以看出，陶瓷球增强铝基复合泡沫材料是一种极具应用潜力的抗冲击缓冲材料。如图所示，复合泡沫铝在线弹性变形阶段的变形机理与实体金属相同，但没有实体金属明显，只有短暂的线弹性过程。复合泡沫铝构件的吸能过程主要发生在平台区，即所谓的坍塌变形阶段。在压缩过程中，外界输入的能量转变为结构中孔穴的变形、坍塌、破碎、胞壁摩擦等各种形式的能量耗散掉。此时的应力基本不变，但应变量增加，也就是能够吸收大量能量。对比相近孔隙率的泡沫铝，其峰值应力和平台应力参数一般都小于15MPa，而复合泡沫铝则可以高达100MPa以上。综上所述，在能量吸收方面，复合泡沫铝优于纯泡沫铝材料。
图6 复合泡沫铝的应力-应变曲线
除此之外，英国利物浦大学多孔金属团队，也研究了陶瓷球复合泡沫铝超轻材料的减震性能。在将陶瓷球复合泡沫铝超轻材料放入循环压缩条件下，该材料的应力-应变曲线展示出迟滞回路，这一特性是基体合金材料和纯泡沫铝材料完全不具备的。迟滞效应是阻尼的表现，证明该材料在循环压缩的过程中存在能量耗散的过程。更直白的说，该材料可以在高负荷震动条件中具有能量耗散的特性。虽然每次耗散的能量比较小，但是材料在此过程中，保持了完整性。并且经过多次叠加累计，其能量耗散量仍较为可观。经实验得出，该材料的能量耗散效率即阻尼比可达0.09。
图7 陶瓷球增强铝基复合泡沫材料循环压缩应力-应变曲线
工程领域的应用
陶瓷球复合泡沫铝超轻材料，在工程领域也有诸多应用。其一方面是作为结构材料，应用于汽车工业、航空航天、及建筑行业中；另一方面，则是作为功能材料，成为吸能减震和电磁屏蔽的部件。
陶瓷球增强铝基复合泡沫在汽车工业上的应用广泛，其中尤以在能量吸收及碰撞安全领域的应用为先。在将陶瓷球以矩阵的方式植入金属基体中后，可使该材料宏观表现呈现出各向同性，进而吸收各个冲击方向的能量。与蜂窝结构相比，泡沫铝结构具有更强的抵抗屈曲和断裂的能力。更重要的是，复合泡沫铝结构的力学性能为各向同性，在加工制造中可以制成曲面或者复杂的3D形状，这些都是蜂窝材料不可比拟的。由于陶瓷球增强铝基复合泡沫在压缩应力-应变曲线上有较宽的应力平台，可以在应力几乎恒定不变的情况下通过变形持续吸收能量，特别适合提升汽车碰撞的安全性能。再者，作为塑性材料的陶瓷球增强铝基复合泡沫在变形时不会发生回弹，不会积蓄能量，不会因为吸能后突然释放而造成更大伤害。在结构轻量化上。陶瓷球增强铝基复合泡沫具有密度小、比刚度高、比强度高等特性，符合汽车部件对刚度和强度要求，同时又能减轻汽车重量。作为功能性材料用于减振降噪。陶瓷球复合泡沫铝超轻材料具有能量耗散的特点，可以吸收和耗散振动能量。该材料应用在汽车发动机悬置支架等处，既能提高结构的刚度和安定性，又能减震降噪。考虑到轻质复合泡沫铝的以上特性，可以预见，其将成为未来提高车身吸能结构的首选吸能材料。
而在航空航天领域中，面对飞行器质量轻、强度高的要求，陶瓷球复合泡沫铝超轻材料的应用前景同样可观。目前，在航空航天器上应用的铝制蜂窝结构工艺复杂、成本太高，陶瓷球复合泡沫铝超轻材料相比泡沫铝有着更好材料特性，可以为航天工程师提供更多的材料选择。陶瓷球复合泡沫铝超轻材料可应用于载人航天器的缓冲防护结构、环境控制系统、热控系统等，或是作为夹心结构用于制造航天器的缓冲器、吸振器及宇宙飞船返回舱底部，使飞船能够实现软着陆，保护宇航员及航天设备。通过有效吸能减震，陶瓷球复合泡沫铝也能在极端瞬间冲击载荷下保证航天员和航天器的安全。总之，陶瓷球复合泡沫铝超轻材料在航空航天上的应用潜力巨大。
基于自身的高能量吸收特性，复合泡沫铝在军事装备领域也有应用。复合泡沫铝优异的冲击能量吸收性能，可以用于复合装甲的阻尼单元，减轻射弹对装甲车辆的破坏。作为反恐车辆、设施、建筑的爆炸冲击波吸收材料，其可以保护人、设施、装备的安全。如车复合装甲：采用2mm锰钢板(或合金板)/15-20mm厚复合泡沫铝板/1mm厚普通钢板(内层)，重量可减轻1/2以上。此外，还可以应用于空投包装箱和重型设备空降缓冲板，目前我国军用空投包装箱采用美国哈丁技术制作，内部吸能减震材料为高密度塑料泡沫，使用复合泡沫铝为内部吸能减震材料，吸能减震能力提高数10倍以上——即空投武装设备和弹药的安全性提高数10倍以上。
图8 重型设备空降缓冲板组合示意图
而在建筑防撞领域中，则可引入复合泡沫铝材料，用于桥墩和桥梁的防撞用途。复合泡沫铝作为耗能材料与钢板组合为夹芯结构包裹在桥墩处，可利用复合铝泡沫塑性变形（直到实密化为止）的特点来吸收车辆，轮船或者地质灾害如泥石流的冲击能量威胁，对结构起到一定的保护作用。例如，泡沫铝夹芯结构已应用于S303映卧公路渔子溪大桥桥墩的防护工程中，并取得了较好的应用效果。如果用吸能性能更佳的复合泡沫铝替代，防护性则会更加明显。同时陶瓷球复合泡沫铝超轻材料采用耐腐蚀铝合金制备，大幅延长了在苛刻条件下材料的使用寿命。
图9 复合泡沫铝桥墩保护装置
综上所述，陶瓷球复合泡沫铝超轻材料无论是性能，还是应用场景上都较接近泡沫铝材料，但在强度、能量吸收和能量耗散等方面有更为优秀的表现，为工程师设计提供了更为丰富的材料选择。同时，作为我国材料学领域的热点研究方向，陶瓷球复合泡沫铝超轻材料的发展也有着更为广阔的空间。
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