超輕多孔金屬在航天\\航空及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

【摘要】超輕多孔金屬具有比重小、阻尼減振、能量吸收、吸聲、隔聲、隔熱、電磁屏蔽及多功能兼容等性能，在航天、航空、軍事防護(hù)、武器裝備等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】超輕多孔金屬；泡沫鋁；軍事應(yīng)用

超輕多孔金屬是一種在鋁或鋁合金基體中分布大量孔隙的新型材料，包括閉孔泡沫鋁和通孔泡沫鋁，集結(jié)構(gòu)性和功能性于一身。以往將金屬中的孔隙，如縮孔、疏松、氣孔等作為一種缺陷來(lái)對(duì)待。而超輕多孔金屬恰恰是利用了材料的這種缺陷，具有比重小、高比強(qiáng)、高比剛度、阻尼減振、能量吸收、吸聲、隔聲、隔熱、電磁屏蔽及多功能兼容等性能，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)多功能化，在航天、航空、軍事防護(hù)、武器裝備等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景，已經(jīng)成為二十世紀(jì)末及二十一世紀(jì)美、中、英、德日競(jìng)相研究的前沿?zé)狳c(diǎn)材料之一。

1.超輕多孔金屬在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

輕質(zhì)并同時(shí)具有多項(xiàng)優(yōu)良性能的超輕多孔金屬是航天工程一直追尋的理想結(jié)構(gòu)材料。例如，目前運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力雖相對(duì)過(guò)去已經(jīng)大大提高，但實(shí)際運(yùn)載能力還是很有限的，減輕航天器的重量是航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要課題之一。即便是在火箭運(yùn)載力足夠的條件下，如能減輕結(jié)構(gòu)重量，增加有效載荷則可大大降低發(fā)射費(fèi)用。據(jù)分析，目前每送入軌道1公斤有效載荷，需發(fā)射費(fèi)用上萬(wàn)美元。如果把超輕多孔金屬用在航天器上，經(jīng)濟(jì)效益顯而易見(jiàn)。利用輕質(zhì)超輕多孔金屬結(jié)構(gòu)隔熱雙重性能，可將其用在航天結(jié)構(gòu)隔熱部件、電子設(shè)備防護(hù)層等領(lǐng)域；如果在超輕多孔金屬結(jié)構(gòu)中有選擇地引入傳感元件和促動(dòng)元件，則可實(shí)現(xiàn)機(jī)敏結(jié)構(gòu)的各種功能，用于飛行器形貌的主動(dòng)控制、展開(kāi)式空間望遠(yuǎn)鏡及衛(wèi)星反射等。利用超輕多孔金屬散熱、隔熱（閉孔泡沫）、隔音、重量輕等優(yōu)勢(shì)，在滿足強(qiáng)度等其他性能要求的條件下，空間站以及一些大型航天器中的非承力件或次承力件，如散熱件、隔熱件、隔板、艙門(mén)等等都可用超輕多孔金屬替代現(xiàn)有材料。

法國(guó)國(guó)家研究中心（French Space Agency CNES）、德國(guó)空間局（German Space Agency DLR）與Alm gMbH 公司合作展開(kāi)泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)在空間飛行器的應(yīng)用研究，其中Alm gMbH 公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、計(jì)算和部件制造，法方負(fù)責(zé)檢驗(yàn)、組對(duì)裝配和測(cè)試。采用12塊泡沫鋁夾芯復(fù)合板拼焊成型的歐洲航天局Ariane V運(yùn)載火箭大型錐體結(jié)構(gòu)件，上直徑2.6m，下直徑3.9m，高0.8m，總重僅200Kg-210Kg，其中泡沫鋁夾芯復(fù)合板重為140Kg，節(jié)省了自結(jié)構(gòu)重量，改善了結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)，提高了航天器的結(jié)構(gòu)安全性和有效載荷。

2.超輕多孔金屬在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

用泡沫鋁三明治板代替以前各向異性的蜂窩結(jié)構(gòu)不僅具有良好的力學(xué)性能，而且還可以降低成本。這是因?yàn)橐环矫媾菽X具有較高的抗彎曲性能；另一方面泡沫鋁具有各向同性的均勻機(jī)械性能，并且可以用來(lái)制作各種結(jié)構(gòu)件。泡沫鋁焊接、膠粘到結(jié)構(gòu)體上，可做成夾層承載構(gòu)件，作為機(jī)翼金屬外殼的支撐體，以及宇宙飛船的起落架等。美國(guó)波音公司已經(jīng)研究了泡沫鋁芯材夾層件在直升機(jī)尾梁中的應(yīng)用。與一般平板式蜂窩結(jié)構(gòu)相對(duì)照，這樣夾層結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以制成彎曲的甚至三維的形狀。目前，直升機(jī)制造商試圖用超輕多孔金屬部件來(lái)替換一些目前正在使用的蜂窩結(jié)構(gòu)元件。在空間技術(shù)方面，超輕多孔金屬已被研究用于航天飛機(jī)著陸架中沖擊能吸收元件以及衛(wèi)星中承載結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)件。超輕多孔金屬良好的剛度及阻尼性能，非常利于應(yīng)用在渦輪及渦輪葉片上；如將超輕多孔金屬與外表面吸波材料結(jié)合，將可以更好地在飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)隱身和降噪；利用超輕多孔金屬的高阻尼性能，可用于航空航天設(shè)備中的保護(hù)封套和緩沖器。國(guó)外已經(jīng)用超輕多孔金屬設(shè)計(jì)制作了預(yù)警飛機(jī)雷達(dá)的防振支座，并獲得了較佳的效果。此外，超輕多孔金屬還可被用作輕質(zhì)、傳熱的支撐結(jié)構(gòu)。

3.超輕多孔金屬在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

超輕多孔金屬在軍事防護(hù)包括爆炸緩沖液具有重要的應(yīng)用價(jià)值。將超輕多孔金屬用在軍事通信設(shè)備、機(jī)房及軍事指揮所的電磁屏蔽，能防止核輻射引起的電磁脈沖效應(yīng)EMP（該效應(yīng)能燒毀半導(dǎo)體或產(chǎn)生因數(shù)據(jù)傳輸損失引起電子混亂，最終摧毀電子設(shè)備）。軍艦中的升降機(jī)平臺(tái)、結(jié)構(gòu)性艙壁、天線平臺(tái)和信號(hào)艙等，均可用到超輕多孔金屬。焦麗娟等[2]研究了超輕多孔金屬在防爆復(fù)合裝甲板設(shè)計(jì)中充當(dāng)吸能夾芯層的應(yīng)用，表明其非常適合應(yīng)用在輕型裝甲車輛對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。C.J.Yu等研究了泡沫鋁在輕質(zhì)復(fù)合裝甲系統(tǒng)中應(yīng)用，表明不論在激波屏蔽，還是在吸收沖擊能量、減緩或防止背板層裂等方面，超輕多孔金屬都具有明顯效果。在國(guó)防領(lǐng)域的武器裝備中?？梢灾谱黥~(yú)雷的隔音板，減小魚(yú)雷的噪聲；導(dǎo)彈鼻錐的防外殼倒坍支持體（因其良好的導(dǎo)熱性）。東南大學(xué)采用超輕多孔金屬作為機(jī)槍槍托緩沖體主體，在減輕槍體重量的同時(shí)，在彈性范圍內(nèi)使后坐力明顯降低。

綜上，航天、航空及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究成果表明，超輕多孔金屬因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和多功能兼容，在上述領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。立足我軍部隊(duì)實(shí)際需要，以戰(zhàn)場(chǎng)需求為目標(biāo)牽引，深入開(kāi)展與超輕多孔金屬相關(guān)的軍事應(yīng)用技術(shù)研究是該研究領(lǐng)域非常富有前瞻性的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭偉，孫悅年.泡沫鋁在航天工程中的應(yīng)用展望[J].航天器工程，2001，

10(30):24-29.

[2]焦立娟，韓輝.泡沫鋁材料在防爆復(fù)合裝甲板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2009(3):42-48.