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金属泡沫材料:从传统向新兴跨越

来源:科普时报    发布日期:2017-12-04

泡沫材料很轻,容易被风刮起来。如果汽车用上泡沫材料,汽车会被风吹起来吗——

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图为金属基复合泡沫材料


在新材料的探索与创新中,人们在材料的研发与选用上似乎更钟爱高致密固体材料,这是因为人们长久以来都认为,致密材料具有强度大、高刚度等优异性能。

但是反观自然界,我们会发现,在自然界中更多选用的是多孔材料或泡沫材料,如蜂窝、珊瑚等。

这是否说明在一定条件下,泡沫材料也具有不输给高致密材料的优异性能呢?

答案是肯定的,以金属泡沫材料为例,其不仅具有高致密金属材料的优异性能,而且在某些方面甚至超过高致密金属材料。

它具有低密度(同体积金属密度的3/5~1/50)、高孔隙率、孔径大、比表面大等结构特征。其优异性能主要表现有高强度、减震性能好、消音效果好、电磁屏蔽性能高、低热电导率、阻尼性好等特点,使它在汽车、航空航天、船舶、生物、装甲、化工催化、电池极板等领域有着广泛的应用。

金属泡沫材料可以有多轻?

在2015年由深泉学院和美国纽约大学理工学院的研究人员小组共同研发的金属基复合泡沫材料,它的密度只有0.92克/立方米,完全可以漂在水上。

厉害的是,这种材料在实现轻量化的同时还具有令人满意的强度,其单一球体壳在断裂前能够忍受每平方英寸25000磅的压力。

与传统的金属泡沫材料相比,金属基复合泡沫材料的优势在于,它可以在制备生产中自定义密度、一定范围控制孔洞的尺寸形状和其它特性。

上世纪90年代至今,国内的中科院、东南大学、哈尔滨工业大学、东北大学、昆明理工大学、西安理工大学等机构与高校也开始将注意力转到金属泡沫研发领域,并取得了一定科研成果。

那么,为什么在实际工程应用中是使用三明治板而不是直接使用金属泡沫材料?

这是因为大多数情况下,单独使用金属泡沫材料还不足以满足实际工程应用的要求。一般在车辆制造方面,有上下两板面的三明治板具有更令人满意的刚度、强度,所以出于对结构与性能的实际考量,单独使用金属泡沫材料是行不通的。

在航空制造领域,金属泡沫材料可用于机翼的金属支撑体、飞机刚性支撑板等支撑结构,其优异的减振吸能能力与良好的消音能力使它也可用于飞机引擎的辅助材料。

在生物材料领域,因为部分多孔材料与人体组织有良好的相容性和无害性,所以可用于一些医疗领域,例如骨科、牙科等。例如,用钛金属泡沫材料制成的人造骨骼,既有利于相应组织细胞的附着生长,又具有很好的减振效果,在保证力学性能的同时又使替换部分的生物特性接近原有水平。

在电池材料领域,随着电动汽车的逐步市场化,重量轻、高比能、转化率高成为电池材料发展的关键。传统烧结多孔电极存在孔隙率较低、电极强度不够等问题,使用金属泡沫材料作为电极的结构材料可以在很大程度弥补烧结多孔电极的缺陷。轻量化、高孔率的纤维基板与传统烧结基板相比,金属使用量降低50%左右,基板质量可以减轻10%左右,并且可以较大幅度地提高电池的能量密度。

在化工领域,可以利用金属泡沫材料的比表面积大、强度高、韧性好的特点,用来制造高效催化剂或者催化剂的载体。金属泡沫材料的催化剂可用于碳氢化物的深度氧化、乙醇的选择性氧化等化工反应。

在军事应用领域,可用于防弹衣插板等防护装备。

 
刚度增强,重量减轻


    在汽车制造领域,金属泡沫材料的使用可以减轻交通工具的重量,提高燃油效率,并利用其良好的吸能在发生事故时最大限度保证乘客的安全。

在实际生产中发现,汽车构件中如顶盖板、底盖板、座椅、保险杠、前后纵梁等部件都可采用泡沫铝制造。例如,德国卡曼汽车公司采用三明治式泡沫铝制造的顶盖板,刚度比原来采用钢构件时的刚度提高7倍左右,但重量却比钢构件轻了25%左右!

  固然,车辆轻量化是目前的发展趋势,但并不是过度的轻量化,这是安全性与制造成本所不允许的,所以大家也不必担心未来自己的车会被吹上天。


(作者供职于西安理工大学)

编辑:林观夏
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