超轻多孔金属在航天\航空及军事领域的应用

【摘要】超轻多孔金属具有比重小、阻尼减振、能量吸收、吸声、隔声、隔热、电磁屏蔽及多功能兼容等性能，在航天、航空、军事防护、武器装备等领域有重要应用前景。

【关键词】超轻多孔金属；泡沫铝；军事应用

超轻多孔金属是一种在铝或铝合金基体中分布大量孔隙的新型材料，包括闭孔泡沫铝和通孔泡沫铝，集结构性和功能性于一身。以往将金属中的孔隙，如缩孔、疏松、气孔等作为一种缺陷来对待。而超轻多孔金属恰恰是利用了材料的这种缺陷，具有比重小、高比强、高比刚度、阻尼减振、能量吸收、吸声、隔声、隔热、电磁屏蔽及多功能兼容等性能，实现了结构材料的轻质多功能化，在航天、航空、军事防护、武器装备等领域有重要应用前景，已经成为二十世纪末及二十一世纪美、中、英、德日竞相研究的前沿热点材料之一。

1.超轻多孔金属在航天领域的应用

轻质并同时具有多项优良性能的超轻多孔金属是航天工程一直追寻的理想结构材料。例如，目前运载火箭的运载能力虽相对过去已经大大提高，但实际运载能力还是很有限的，减轻航天器的重量是航天产品设计的重要课题之一。即便是在火箭运载力足够的条件下，如能减轻结构重量，增加有效载荷则可大大降低发射费用。据分析，目前每送入轨道1公斤有效载荷，需发射费用上万美元。如果把超轻多孔金属用在航天器上，经济效益显而易见。利用轻质超轻多孔金属结构隔热双重性能，可将其用在航天结构隔热部件、电子设备防护层等领域；如果在超轻多孔金属结构中有选择地引入传感元件和促动元件，则可实现机敏结构的各种功能，用于飞行器形貌的主动控制、展开式空间望远镜及卫星反射等。利用超轻多孔金属散热、隔热（闭孔泡沫）、隔音、重量轻等优势，在满足强度等其他性能要求的条件下，空间站以及一些大型航天器中的非承力件或次承力件，如散热件、隔热件、隔板、舱门等等都可用超轻多孔金属替代现有材料。

法国国家研究中心（French Space Agency CNES）、德国空间局（German Space Agency DLR）与Alm gMbH 公司合作展开泡沫铝夹芯结构在空间飞行器的应用研究，其中Alm gMbH 公司负责设计、计算和部件制造，法方负责检验、组对装配和测试。采用12块泡沫铝夹芯复合板拼焊成型的欧洲航天局Ariane V运载火箭大型锥体结构件，上直径2.6m，下直径3.9m，高0.8m，总重仅200Kg-210Kg，其中泡沫铝夹芯复合板重为140Kg，节省了自结构重量，改善了结构承载状态，提高了航天器的结构安全性和有效载荷。

2.超轻多孔金属在航空领域的应用

用泡沫铝三明治板代替以前各向异性的蜂窝结构不仅具有良好的力学性能，而且还可以降低成本。这是因为一方面泡沫铝具有较高的抗弯曲性能；另一方面泡沫铝具有各向同性的均匀机械性能，并且可以用来制作各种结构件。泡沫铝焊接、胶粘到结构体上，可做成夹层承载构件，作为机翼金属外壳的支撑体，以及宇宙飞船的起落架等。美国波音公司已经研究了泡沫铝芯材夹层件在直升机尾梁中的应用。与一般平板式蜂窝结构相对照，这样夹层结构的一个显著优点是可以制成弯曲的甚至三维的形状。目前，直升机制造商试图用超轻多孔金属部件来替换一些目前正在使用的蜂窝结构元件。在空间技术方面，超轻多孔金属已被研究用于航天飞机着陆架中冲击能吸收元件以及卫星中承载结构的增强件。超轻多孔金属良好的刚度及阻尼性能，非常利于应用在涡轮及涡轮叶片上；如将超轻多孔金属与外表面吸波材料结合，将可以更好地在飞机上实现隐身和降噪；利用超轻多孔金属的高阻尼性能，可用于航空航天设备中的保护封套和缓冲器。国外已经用超轻多孔金属设计制作了预警飞机雷达的防振支座，并获得了较佳的效果。此外，超轻多孔金属还可被用作轻质、传热的支撑结构。

3.超轻多孔金属在军事领域的应用

超轻多孔金属在军事防护包括爆炸缓冲液具有重要的应用价值。将超轻多孔金属用在军事通信设备、机房及军事指挥所的电磁屏蔽，能防止核辐射引起的电磁脉冲效应EMP（该效应能烧毁半导体或产生因数据传输损失引起电子混乱，最终摧毁电子设备）。军舰中的升降机平台、结构性舱壁、天线平台和信号舱等，均可用到超轻多孔金属。焦丽娟等[2]研究了超轻多孔金属在防爆复合装甲板设计中充当吸能夹芯层的应用，表明其非常适合应用在轻型装甲车辆对爆炸冲击波的防护结构设计上。C.J.Yu等研究了泡沫铝在轻质复合装甲系统中应用，表明不论在激波屏蔽，还是在吸收冲击能量、减缓或防止背板层裂等方面，超轻多孔金属都具有明显效果。在国防领域的武器装备中海可以制作鱼雷的隔音板，减小鱼雷的噪声；导弹鼻锥的防外壳倒坍支持体（因其良好的导热性）。东南大学采用超轻多孔金属作为机枪枪托缓冲体主体，在减轻枪体重量的同时，在弹性范围内使后坐力明显降低。

综上，航天、航空及军事领域的应用研究成果表明，超轻多孔金属因其独特的结构和多功能兼容，在上述领域有重要的应用前景。立足我军部队实际需要，以战场需求为目标牵引，深入开展与超轻多孔金属相关的军事应用技术研究是该研究领域非常富有前瞻性的课题。

参考文献：

[1]郑伟,孙悦年.泡沫铝在航天工程中的应用展望[J].航天器工程,2001,

10(30):24-29.

[2]焦立娟,韩辉.泡沫铝材料在防爆复合装甲板设计中的应用[J].车辆与动力技术,2009(3):42-48.