超輕開孔泡沫鋁及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

韓福生

（中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230031）

0 引言

超輕開孔泡沫鋁是一種以純鋁或鋁合金為基體的高孔隙率多孔材料，其孔隙率一般大于90%（表觀密度≤0.27 g/cm3），孔徑為 0.6～5.0 mm（8～30 ppi）[ppi，即pores per inch，是多孔材料孔徑的一種表示方法，指單位長度（英寸）上開孔的數(shù)量]，孔壁呈桿狀。由于鋁基體所具備的優(yōu)良綜合性能及其與高孔隙率宏觀孔形成的耦合作用，使之具有突出的比強(qiáng)度、比剛度、吸能性，以及高比表面積和高換熱效率等性能，有望成為航空航天、國防、能源與環(huán)境等工業(yè)領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)和功能材料之一。

本文對超輕開孔泡沫鋁結(jié)構(gòu)、性能特點及其研究進(jìn)展進(jìn)行了簡要介紹，希望藉此為航天器的設(shè)計提供參考，為未來航天工程目標(biāo)的實現(xiàn)提供材料技術(shù)支持。

1 超輕開孔泡沫鋁的結(jié)構(gòu)與性能特點

1.1 結(jié)構(gòu)特點

目前研究和應(yīng)用最為普遍的超輕開孔泡沫鋁是以聚合物泡沫為模板、通過熔模鑄造工藝制備出來的[1]，因此，其孔結(jié)構(gòu)與開孔型聚合物泡沫基本一致，是由絲網(wǎng)狀孔壁構(gòu)成的三維開放式結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。超輕開孔泡沫鋁的孔隙率以其表觀密度與致密鋁的理論密度之比來表征，而孔徑則通常以ppi表示。

圖1 超輕開孔泡沫鋁的典型結(jié)構(gòu)特征（孔徑20 ppi）Fig. 1 Typical structure of ultra-light open celled Al foam(pore diameter: 20 ppi)

如前所述，超輕開孔泡沫鋁的孔隙率一般為90%～95%，孔徑一般為8～30 ppi。需要指出的是，一般情況下，這種開孔泡沫鋁的孔隙率和孔徑是彼此關(guān)聯(lián)的；改變孔徑的同時，孔隙率也隨之改變。例如，孔徑減小，則孔隙率下降，反之亦然。此外，構(gòu)成孔壁的絲桿直徑也與孔隙率相關(guān)，孔隙率提高，則絲桿直徑減小。在上述孔隙率范圍內(nèi)，絲桿直徑約為0.25～0.45 mm。

1.2 主要性能特點

1.2.1 壓縮力學(xué)性能

與其他泡沫金屬相似，超輕開孔泡沫鋁的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示出典型的3個區(qū)域，即彈性區(qū)（彈性應(yīng)變區(qū)）、平臺區(qū)（孔壁屈曲或坍塌區(qū)）和致密化區(qū)，其中平臺區(qū)是泡沫材料最典型的特征之一，如圖2所示。平臺區(qū)的出現(xiàn)是因泡沫材料局域化變形行為所致。當(dāng)外加應(yīng)力超過孔壁材料的屈服應(yīng)力或壓潰應(yīng)力時，孔壁即發(fā)生局域化屈曲或斷裂。隨應(yīng)變增加，變形組織在壓縮方向上逐步擴(kuò)展，而應(yīng)力幾乎保持不變。平臺區(qū)的幾何特征反映了泡沫材料吸能本領(lǐng)和吸能效率的優(yōu)劣，簡單而言，其高度和長度越大，吸能本領(lǐng)越強(qiáng)；其斜率越小，則吸能效率越高。

超輕開孔泡沫鋁的壓縮屈服強(qiáng)度與孔隙率（或表觀密度）和基體直接相關(guān)?？紫堵逝c泡沫材料壓縮屈服強(qiáng)度之間遵循分?jǐn)?shù)冪的關(guān)系[2]，孔隙率增加，屈服強(qiáng)度呈非線性下降；基體強(qiáng)度越高，則泡沫材料的整體強(qiáng)度也就越高，如圖2所示。

圖2 超輕開孔泡沫鋁壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Compression stress-strain curves of ultra-light open celled Al foams

顯然，在保證輕質(zhì)性的前提下，提高基體的強(qiáng)度是實現(xiàn)泡沫材料高比強(qiáng)度的基本手段。例如，選擇高強(qiáng)鋁合金、鋁基復(fù)合材料或非晶合金為基體制備超輕開孔泡沫鋁，可在相同孔隙率條件下，使泡沫材料的壓縮屈服強(qiáng)度提高 1個量級以上[3-5]。一般來說，采用普通鑄造鋁合金制備的超輕開孔泡沫鋁，其壓縮屈服強(qiáng)度約為0.3～3.0 MPa[6]。

1.2.2 其他物理性能

超輕開孔泡沫鋁的典型物理性能如表1所示。

表1 超輕開孔泡沫鋁的代表性物理性能[7-8]Table 1 Typical physical properties of ultra-light open celled Al foam

2 超輕開孔泡沫鋁在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

由于航天器飛行規(guī)律、工作性質(zhì)與服役環(huán)境的特殊性，對構(gòu)成材料的結(jié)構(gòu)性、功能性和輕質(zhì)性均有極高的要求。根據(jù)超輕開孔泡沫鋁的基本特性，可知其在一定程度上能夠滿足航天器對材料的某些要求。因此，國內(nèi)外相關(guān)部門已開始研究超輕開孔泡沫鋁在一些功能性結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性，并取得了令人鼓舞的進(jìn)展。根據(jù)文獻(xiàn)報道，目前超輕開孔泡沫鋁在航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)

隨著人類航天活動的發(fā)展，遺留在太空中的空間碎片不斷增多，已成為影響和威脅人類航天活動最重要的因素之一。歐空局“增強(qiáng)型空間碎片防護(hù)技術(shù)項目”的研究表明，在多層防護(hù)結(jié)構(gòu)中加入一定厚度的泡沫鋁，可對彈丸形成顯著的多次擊波加載，使彈丸破碎甚至熔化，從而減輕其對防護(hù)結(jié)構(gòu)“后壁”的破壞。圖3為護(hù)板填充泡沫鋁前后對比沖擊試驗結(jié)果[9]?？梢钥闯觯畛涑p開孔泡沫鋁后，彈丸高速沖擊形成的碎片云及其擴(kuò)散速度明顯減小（圖3(b)），護(hù)板內(nèi)壁完好無損（圖3(c)）。

圖3 航天器護(hù)板填充超輕開孔泡沫鋁前后對比沖擊試驗結(jié)果Fig. 3 Comparison of impacting results between protection panels before and after filling Al foam

此外，俄羅斯也研究了由泡沫金屬與致密硬鋁合金組成的雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)比相同面密度的雙層致密結(jié)構(gòu)能更有效地粉碎鋼質(zhì)彈丸。美國為載人火星探測計劃設(shè)計的Mars Trans Hab飛船，其殼體前端由三層陶瓷纖維構(gòu)成，層間填充輕質(zhì)開孔泡沫材料，使之具有更高的剛度及防空間碎片撞擊等多重功能。在國際空間站的Trans Hab艙段，設(shè)計了含大量低密度泡沫材料的多層防沖擊結(jié)構(gòu)，以抵抗φ18 mm鋁球在6 km/s、45°角斜撞擊下的破壞[10]。最近，美國 NASA將超輕開孔泡沫鋁用于AMS-02號衛(wèi)星中TRD核心部件的防護(hù)[7]。

2.2 載人航天器環(huán)境控制系統(tǒng)

在載人航天活動中，飛行艙內(nèi)空氣凈化是飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)中最重要的內(nèi)容之一。為保障航天員能夠正常工作和活動，必須提供適宜和清潔的大氣環(huán)境，并嚴(yán)格控制密封艙內(nèi)的微量污染物，否則將影響到航天員的身體健康甚至威脅其生命安全。

為了消除載人航天器艙內(nèi)的 CO2，NASA在CEV（Crew Exploration Vehicle）及國際空間站中用超輕開孔泡沫鋁作為網(wǎng)絡(luò)狀骨架填充固態(tài)胺，增強(qiáng)了CO2吸附和解吸過程中的散熱，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速率和熱效率，降低了能耗。此外，用泡沫鋁作為骨架，還可以防止胺顆粒結(jié)塊，有利于氣體在顆粒間流動，延長胺顆粒的使用壽命。該裝置的外形及填充胺后的泡沫鋁如圖4(a)、(b)所示[7]。作為載人航天工程的一個重要組成部分，我國航天醫(yī)學(xué)研究部門也在開展相似的研究，超輕開孔泡沫鋁已被列為主要候選材料之一。

圖4 載人航天器二氧化碳清除系統(tǒng)Fig. 4 System of removing CO2 for manned spacecraft

2.3 載人航天器熱控系統(tǒng)

航天器熱控系統(tǒng)是控制航天器溫度變化與分布，維持航天器熱量吸收、轉(zhuǎn)化與排散平衡，保障航天器上各種儀器、設(shè)備可靠工作的重要子系統(tǒng)，也是維持載人航天系統(tǒng)航天員安全與生存的必要技術(shù)手段之一。

為了提高航天器熱控系統(tǒng)換熱組元的熱效率，航天器設(shè)計與研究部門對相關(guān)結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了大量試驗研究，證明超輕開孔泡沫鋁可在熱控系統(tǒng)及緊湊型換熱器中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

NASA的研究表明，在航天器廣角遠(yuǎn)紅外光學(xué)系統(tǒng)固態(tài)低溫制冷裝置中用超輕開孔泡沫鋁作為恒溫介質(zhì)與緩沖護(hù)板，可保證該裝置溫度的恒定與均勻化，從而有利于延長其使用壽命。該裝置及其泡沫鋁如圖5所示[7]。

圖5 空間遠(yuǎn)紅外光學(xué)系統(tǒng)固態(tài)低溫制冷裝置及其泡沫鋁Fig. 5 Solid cryogenic coolers in far infrared optical system with the Al foam

熱控系統(tǒng)質(zhì)量及功耗在壓力艙各子系統(tǒng)中占有較大比例，因此，盡可能提高散熱組件的緊湊性和換熱效率，以減小單體設(shè)備的質(zhì)量及系統(tǒng)占用的空間，是航天器設(shè)計的主要任務(wù)之一。超輕開孔泡沫鋁是一種理想的高面體比材料，其面體比高達(dá)2000～10 000 m2/m3，遠(yuǎn)高于金屬翅片型換熱器（面體比≤1000 m2/m3），因此極適用于緊湊型熱交換器。此外，超輕開孔泡沫鋁的高導(dǎo)熱系數(shù)和高比表面積，還可以直接作為強(qiáng)制對流的傳熱表面，其三維網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，可為相變傳熱介質(zhì)提供強(qiáng)化手段。這些特點在質(zhì)量和體積皆受限制的航天器中有著誘人的應(yīng)用前景。圖6為NASA設(shè)計的航天器緊湊型換熱器外形及其內(nèi)部填充的開孔泡沫鋁[7]。

圖6 航天器緊湊型換熱器及其內(nèi)部填充的開孔泡沫鋁Fig. 6 Compacted heat exchanger filled with Al foams

2.4 其他應(yīng)用

據(jù)報道，美國在航天領(lǐng)域應(yīng)用超輕開孔泡沫鋁的例子還有[7]：

1）利用超輕開孔泡沫鋁基輕質(zhì)復(fù)合材料制備天文望遠(yuǎn)鏡鏡片，用于美國星塵衛(wèi)星（Stardust satellite）的導(dǎo)航。該鏡片不僅具有很高的穩(wěn)定性，還有很寬的損傷容限，能有效防止微小空間碎片對鏡片的撞擊破壞。該鏡片如圖7所示。

圖7 利用超輕開孔泡沫鋁制作的天文望遠(yuǎn)鏡鏡片F(xiàn)ig. 7 Astronomical telescope made of Al foam

2）低軌科學(xué)試驗衛(wèi)星發(fā)射時，在固體火箭推進(jìn)器上用來釋放有效載荷的形狀負(fù)載（shape charge）會產(chǎn)生危險的碎片。利用超輕開孔泡沫鋁制作護(hù)環(huán)，不僅可以吸收碎片，還可以減輕發(fā)射重量。該護(hù)環(huán)如圖8所示。

3）利用超輕開孔泡沫鋁基復(fù)合材料制作空間激光通信系統(tǒng)臺架，泡沫鋁所具備的高阻尼性能可為該系統(tǒng)提供極為穩(wěn)定和恒溫的平臺。該臺架如圖 9所示。

圖8 用于固體火箭的超輕開孔泡沫鋁護(hù)環(huán)Fig. 8 Al foam ring used for solid rocket booster

圖9 超輕開孔泡沫鋁激光通信系統(tǒng)臺架Fig. 9 Al foam optical bench used for laser communication system

上述應(yīng)用實例表明，超輕開孔泡沫鋁所具備的多孔性、超輕性和多功能性已在航天領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵作用。可以預(yù)期，隨著孔結(jié)構(gòu)、基體屬性及性能的進(jìn)一步完善和多樣化，超輕開孔泡沫鋁在航天領(lǐng)域的應(yīng)用將會進(jìn)一步擴(kuò)大，有望為航天技術(shù)的發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。

3 超輕開孔泡沫鋁相關(guān)研究進(jìn)展

近年來，有關(guān)超輕開孔泡沫鋁的研究主要集中在傳熱、吸聲和負(fù)載等功能性以及其在能源、環(huán)境、交通等一般工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，面向航空航天領(lǐng)域的研究和應(yīng)用少有報道。根據(jù)我國航空航天領(lǐng)域的需求及材料服役的特點，我們最近在超輕開孔泡沫鋁性能優(yōu)化等方面開展了有針對性的研究，取得了一定進(jìn)展，為未來在航天等領(lǐng)域的實際應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

3.1 超輕開孔泡沫鋁吸水性研究

溫濕度控制是載人航天器環(huán)控生保系統(tǒng)的主要作用之一。在空間微重力條件下，自然對流作用非常微弱，航天員代謝產(chǎn)生的濕、熱都不能通過自然對流加以排除。此外，航天器密封艙內(nèi)空氣溫度分布也很不均勻，在溫度較低的物體表面容易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，給航天員健康及儀器安全運行帶來隱患。為了控制艙內(nèi)空氣的濕度，目前采取的方法主要有兩種：一是在密封艙內(nèi)壁低溫面布置電加熱器，使其溫度高于露點；二是在低溫面布置吸水材料，把冷凝水吸收并儲存起來[11]。

載人航天器濕度控制器所用吸水材料主要是吸水紙、聚合物泡沫等。前者因吸水性的不可逆性，不能重復(fù)使用，且在使用過程中吸濕能力逐漸減弱，因此只適用于執(zhí)行短期飛行任務(wù)的載人航天器；后者雖吸水性能突出，但脫水性差、易老化，也不利于長期服役。超輕開孔泡沫鋁除具備一般吸水材料的基本特性以外，還因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能更適合在長期空間服役環(huán)境下使用。

3.1.1 吸水性的對比試驗

為了對超輕開孔泡沫鋁的吸水性能進(jìn)行優(yōu)化，我們選擇幾種有代表性的多孔金屬材料進(jìn)行了對比試驗，其中金屬纖維多孔材料（孔結(jié)構(gòu)如圖10(a)）、電化學(xué)沉積泡沫銅（孔結(jié)構(gòu)如圖10(b)）及超輕開孔泡沫鋁的吸水性試驗結(jié)果見圖11[12]。

圖10 吸水試驗用多孔金屬的孔結(jié)構(gòu)Fig. 10 Pore structures of porous metals for water absorption test

圖11 3種多孔金屬吸水率和脫水率對比Fig. 11 Comparison of water absorption and desorption rates among three porous metals

由圖11可以看出，在所考察的3種多孔材料中，超輕開孔泡沫鋁的吸水率和脫水率均最高，其中吸水率達(dá)373.9%，比其他兩種材料高出近4倍；脫水率達(dá)95.3%，比其他兩種材料高30%以上。

3.1.2 壓縮變形及表面修飾對超輕開孔泡沫鋁吸水性能的影響

根據(jù)液體在多孔材料中的遷移方式，可知在非飽和狀態(tài)下，多孔材料的吸水性主要受毛細(xì)作用的影響。在一定溫度下，水與孔壁潤濕性越好，孔徑越小，則毛細(xì)作用越大，多孔材料吸收的水分就越多。由于超輕開孔泡沫鋁的孔徑難以做得非常小，而鋁又是一種弱親水性金屬，因此，盡管其吸水、脫水性能均比其他多孔金屬好，但吸水性仍顯不足。針對這一問題，我們分別嘗試了壓縮變形和表面修飾的方法，試圖通過減小孔徑或改善其親水性來提高超輕開孔泡沫鋁的吸水性能。

在壓縮試驗中，先切取不同高度的試樣，然后單向壓縮至同一高度，再進(jìn)行吸水試驗，用單位體積吸水量表征吸水性能的大小。表面修飾采用化學(xué)水浴法合成 ZnO微米纖維，采用無模板生長法制備Co3O4微米針狀團(tuán)簇。這兩種微觀組織的形貌分別示于圖12(a)和(b)。

圖12 修飾后超輕開孔泡沫鋁的孔表面形貌Fig. 12 Changes of pore morphology after modification of cell walls of ultra-light open celled Al foam

結(jié)果表明：壓縮變形對改善泡沫鋁吸水性能有一定效果，當(dāng)壓縮率為20%時，單位體積吸水量由最初的 65%提高到 70%；進(jìn)一步提高壓縮率，則單位體積吸水量略有下降。這是由于壓縮率過大導(dǎo)致泡沫鋁孔隙率過低所致。

相比壓縮變形，表面修飾對泡沫鋁吸水性能有較明顯的改善作用，其中合成Co3O4針狀團(tuán)簇的效果更加突出，其最高單位體積吸水量比修飾前提高了約64%。另外，經(jīng)表面修飾的泡沫鋁吸水速率較快，而未經(jīng)修飾的泡沫鋁吸水速率則較慢，這對于要求除濕響應(yīng)快的場合是非常有利的。

3.2 超輕開孔泡沫鋁的傳熱行為及其強(qiáng)化方法

研究石蠟在超輕開孔泡沫鋁內(nèi)的傳熱及相變行為發(fā)現(xiàn)，在相同的熱流密度下，在泡沫鋁內(nèi)填充石蠟后，溫度峰值由75 ℃下降到60 ℃，并且材料內(nèi)部溫度分布更加均勻，如圖13所示。

圖13 石蠟填充泡沫鋁前后融化溫度分布對比Fig. 13 Temperature distribution contours between Al foam fillings with and without paraffin

4 結(jié)束語

由于航天器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及服役環(huán)境的特殊性，要求相關(guān)材料必須具備超乎尋常的輕質(zhì)性、結(jié)構(gòu)性及多功能性。為實現(xiàn)不同的航天工程目標(biāo)，須從多學(xué)科角度最大限度地挖掘材料及性能的潛力，同時應(yīng)不斷發(fā)展新材料、新方法和新工藝，為航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能實現(xiàn)提供保障。超輕開孔泡沫鋁是一種兼有良好力學(xué)性能和突出功能特性的輕質(zhì)金屬材料，國外已在航天器相關(guān)結(jié)構(gòu)中開展了應(yīng)用。針對我國航天項目的具體應(yīng)用目標(biāo)可開展多尺度材料設(shè)計與工藝優(yōu)化，使其性能進(jìn)一步提高，功能性進(jìn)一步拓展，以滿足未來航天器的設(shè)計需求。

致謝

本文工作得到了國家 973計劃項目“超輕多孔材料及其構(gòu)成結(jié)構(gòu)多功能化應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”（編號：2011CB610300）、中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向性項目“高速列車關(guān)鍵材料與結(jié)構(gòu)可靠性研究”和“高速列車噪聲機(jī)理降噪技術(shù)研究”以及國家自然科學(xué)基金項目“Al基非晶合金多孔材料制備方法及力學(xué)性能”（編號：51371167）的支持，在此一并表示感謝。

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