刁明霞，果春煥，高華兵，李海新，董 濤，肖明穎，楊振林，姜風(fēng)春,*

(1 哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2 哈爾濱工程大學(xué) 煙臺(tái)研究(生)院，山東 煙臺(tái) 264000)

泡沫金屬是一類用途廣泛的多孔材料，其研究已經(jīng)取得了很多成果[1-7]。為進(jìn)一步改善其性能，人們又開始著力于研究泡沫金屬復(fù)合材料(metal foam composites, MFCs)。不同于傳統(tǒng)的泡沫金屬材料，泡沫金屬復(fù)合材料是在傳統(tǒng)的金屬基體中以加入增強(qiáng)體的形式來制備得到有著多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，從而起到增強(qiáng)材料本征強(qiáng)度的目的[8-9]。填充中空顆粒的泡沫金屬復(fù)合材料不僅有著傳統(tǒng)泡沫金屬材料的特點(diǎn)優(yōu)勢，還具有更高的力學(xué)性能、更好的隔熱性能和更低的熱膨脹系數(shù)，且其內(nèi)部孔隙分布均勻，尺寸穩(wěn)定性更高，在小型無人機(jī)、海洋管線、醫(yī)療器械等行業(yè)具有巨大的應(yīng)用前景[7-10]。人們對泡沫金屬復(fù)合材料進(jìn)行了較為深入的研究，發(fā)現(xiàn)在制備過程中作為增強(qiáng)體的空心顆粒與基體反應(yīng)形成的界面對于材料的性能尤為重要，根據(jù)這類材料的結(jié)構(gòu)特性，開發(fā)出了更多輕質(zhì)、低密度以及高性能的復(fù)合材料[11-15]。理論上，泡沫金屬復(fù)合材料的基體可以是任何一種金屬，如鋁合金、鈦合金和銅合金等。然而，在實(shí)際研究中為降低復(fù)合材料的密度，基體多為輕質(zhì)金屬，如鋁合金或鎂合金等。對于增強(qiáng)體而言，大多數(shù)研究采用飛灰[14-15]、微球[16]、玻璃微珠[17]或其他陶瓷中空顆粒[12-13，18]等作為各種合金的填料。填料可以是單一的，也可以是兩種及以上。不同種類的填料會(huì)導(dǎo)致泡沫金屬復(fù)合材料具有不同的性能。隨著金屬空心球生產(chǎn)工藝的發(fā)展，金屬空心球復(fù)合材料逐漸成為新一代的泡沫金屬復(fù)合材料，通過一定的制備工藝，空心球均勻分布于金屬基體中，使得材料具有更為優(yōu)良的力學(xué)性能、吸能特性、屏蔽性能、阻尼性能和隔熱特性，成為現(xiàn)有多孔材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

泡沫金屬復(fù)合材料作為一種新型多功能輕質(zhì)復(fù)合材料，已成為多功能金屬復(fù)合材料領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。然而，相關(guān)文獻(xiàn)對于泡沫金屬復(fù)合材料的進(jìn)展多集中于顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能方面[19-20]，對于其他性能及其影響因素鮮有報(bào)道。本文對泡沫金屬復(fù)合材料的制備方法、性能、影響相關(guān)性能的因素以及其主要應(yīng)用進(jìn)行論述，重點(diǎn)討論密度、基體、增強(qiáng)相和制備工藝等對泡沫金屬復(fù)合材料的性能影響的研究現(xiàn)狀，并對泡沫金屬新材料、新工藝等領(lǐng)域的未來研究方向進(jìn)行展望。

1 泡沫金屬復(fù)合材料的制備技術(shù)

泡沫金屬復(fù)合材料的性能主要取決于填充材料的體積分?jǐn)?shù)，其次填充材料的彌散程度以及尺寸對性能也有一定的影響。填充材料的彌散程度越均勻說明制備工藝越有效。制備泡沫金屬復(fù)合材料的方法一般有粉末冶金法、壓力浸滲法、攪拌鑄造法等。

1.1 粉末冶金法

粉末冶金(powder metallurgy，PM)是一種固相加工方法，將金屬粉末在保護(hù)或者非保護(hù)的條件下燒結(jié)成不同形狀的制品。在粉末冶金工藝中，將空心顆粒與金屬基體材料充分混合，在壓力下進(jìn)一步壓實(shí)后得到組件“生坯(green compact)”，這種生坯再使用常規(guī)或微波輔助燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)，從而獲得泡沫金屬復(fù)合材料[9]。該制備方法十分靈活，可用于制備具有不同體積分?jǐn)?shù)填充材料的泡沫金屬復(fù)合材料。在合成體積分?jǐn)?shù)較高的空心填充材料時(shí)，壓實(shí)階段會(huì)出現(xiàn)空心球破損或者斷裂的情況。因此，該方法最適合于合成體積分?jǐn)?shù)較低的空心飛灰泡沫金屬復(fù)合材料[8]。

1.2 壓力浸滲法

壓力浸滲(pressure infiltration，PI)工藝有很多種不同的類型。經(jīng)典的壓力浸滲工藝主要分為3類：壓力浸滲技術(shù)、預(yù)鑄造與鑄造浸滲技術(shù)和重力與反重力浸滲技術(shù)。此方法是將填充材料預(yù)制于模具中，在真空或者保護(hù)氣氛下熔融的金屬通過一定的壓力滲透到模具中，充分結(jié)合后填充材料間的空間形成網(wǎng)格狀的泡沫金屬復(fù)合材料[10]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以制備填充材料體積分?jǐn)?shù)較高(高達(dá)70%)的泡沫金屬復(fù)合材料，制備出的材料孔隙率較低。局限性在于，填充體的強(qiáng)度較低時(shí)，熔融金屬的高壓滲透會(huì)使得填充材料斷裂，難以成功制備泡沫金屬復(fù)合材料。以陶瓷空心球增強(qiáng)體為例，首先需要制備高強(qiáng)度的陶瓷空心球，其次在浸滲過程中要密切關(guān)注熔融金屬的過熱度以及填充材料的預(yù)熱程度，以防發(fā)生阻塞，滲透不完全。

1.3 攪拌鑄造法

攪拌鑄造(stir casting，SC)法也是用來制備泡沫金屬復(fù)合材料常用方法之一。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對熔體進(jìn)行攪拌，將填充材料緩慢地加入熔體的漩渦中，最后鑄造成泡沫金屬復(fù)合材料[11]。這種方法成本低，易于實(shí)現(xiàn)，只需要在制備傳統(tǒng)材料的攪拌鑄造設(shè)備上簡單添加新的設(shè)施即可，在泡沫金屬復(fù)合材料的制備中得到極為廣泛的應(yīng)用。當(dāng)填充材料的密度低、體積分?jǐn)?shù)低時(shí)，這種制備方法是首選，而在填充材料體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，攪拌過程中高剪切應(yīng)力會(huì)使顆粒大量破裂。但劉培生等[12-13]制備的高強(qiáng)度陶瓷空心球成功地打破了該項(xiàng)技術(shù)的桎梏，通過調(diào)控陶瓷空心球的尺寸以及壁厚制備出不同尺寸和不同強(qiáng)度要求的制品，采用這種工藝制備以陶瓷空心球?yàn)樵鰪?qiáng)體的泡沫金屬復(fù)合材料可以改善復(fù)合材料的質(zhì)量。另外，填充材料的潤濕性對于這項(xiàng)技術(shù)的影響也很重要。飛灰空心球鍍鎳可以增加與鋁基體的潤濕性，這在利用攪拌鑄造的方法制備鋁基泡沫復(fù)合材料已得到了廣泛的應(yīng)用[11,14]。然而，該方法制備的泡沫金屬復(fù)合材料填充材料分布不夠均勻，鑄件頂部填充材料的體積分?jǐn)?shù)高，底部體積分?jǐn)?shù)低。

1.4 其他方法

除了上述三種主要方法外，泡沫金屬復(fù)合材料還有很多種制備方法，例如DMD(disintegrated melt deposition)方法和增材制造(additive manufacturing,AM)方法等。DMD是一種低成本的制備技術(shù)，集傳統(tǒng)鑄造和噴射制備優(yōu)點(diǎn)于一身，利用較低的噴射速度和較高的過熱溫度來生產(chǎn)大尺寸復(fù)合材料。增材制造方法可以通過打印金屬粉末來制備開孔泡沫金屬復(fù)合材料，包括直接打印法和間接打印法兩種方式。利用AM技術(shù)制備得到的開孔泡沫金屬產(chǎn)品屬于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔材料，可以參照劉培生等[2-4]提出的“八面體模型理論”進(jìn)行其性能研究，有望獲得良好的應(yīng)用效果。

2 泡沫金屬復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)及性能

2.1 泡沫金屬復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)

泡沫金屬復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)是由基體與空心顆粒雙組分構(gòu)成。顯微組織會(huì)形成多個(gè)相，這些相對泡沫金屬復(fù)合材料的性能有十分重要的影響。

2.1.1 孔隙

在泡沫金屬復(fù)合材料基體合金中夾雜著較大的孔隙，將會(huì)顯著影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。泡沫金屬復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)包括兩種類型的孔隙：基體孔隙和增強(qiáng)顆?？紫?。這兩種孔隙均對復(fù)合材料的力學(xué)性能和密度影響較大?？紫兜脑黾訒?huì)導(dǎo)致強(qiáng)度、模量以及密度的降低[10]。

2.1.2 孔壁組織以及形成機(jī)制

研究表明，在泡沫復(fù)合材料中與飛灰微珠相鄰的基體晶粒尺寸能夠得到細(xì)化[8]。主要原因是，飛灰顆粒周圍的熱應(yīng)力場與基體本身的熱應(yīng)力場不同，由于過冷度的變化，在凝固過程中會(huì)導(dǎo)致晶粒的細(xì)化。這些空心顆粒在金屬基體中具有細(xì)化基體析出相的作用。在AZ91合金中，金屬間化合物這類析出相沿晶界分布于基體中，研究發(fā)現(xiàn)在飛灰微珠/AZ91泡沫復(fù)合材料中，這些析出相的尺寸被細(xì)化了1個(gè)數(shù)量級[15]。另外，在飛灰微珠/ZC63泡沫復(fù)合材料中，孔壁中枝晶壁間距減小，主要原因是飛灰中大量的元素?cái)U(kuò)散至基體中[16]。

熱處理后基體內(nèi)的組織也會(huì)發(fā)生改變。Taherishargh等[17]通過反重力浸滲技術(shù)制備了膨脹珍珠巖/鋁基泡沫金屬復(fù)合材料，研究熱處理對其的影響。圖1為其熱處理前后的形貌。觀察圖1(a-1)，(b-1)發(fā)現(xiàn)，熱處理后孔壁的枝晶形貌、大小以及形態(tài)分布并沒有明顯的改變。觀察圖1(a-2)，(b-2)發(fā)現(xiàn)，熱處理改變了初生富Si相的形貌以及分布。另外，熱處理后的壓縮強(qiáng)度明顯優(yōu)于未熱處理試樣的，這主要得益于熱處理極大地改善了孔壁的微觀結(jié)構(gòu)，鋁基泡沫復(fù)合材料的孔壁針狀富Si相共晶組織經(jīng)過T6處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畈贿B續(xù)狀，在受到外載荷時(shí)，線彈性階段這些彌散分布的球狀析出相對位錯(cuò)有一定的阻礙作用，具有彌散強(qiáng)化效應(yīng)，同時(shí)彌散分布又能有效地緩解應(yīng)力集中，釋放應(yīng)力，所以熱處理后的壓縮強(qiáng)度普遍較高。

圖1 膨脹珍珠巖/鋁基泡沫金屬復(fù)合材料的形貌[17](a)未熱處理孔壁結(jié)構(gòu)；(b)熱處理孔壁結(jié)構(gòu)；(1)低倍；(2)高倍Fig.1 Morphologies of EP/Al matrix metal foam composites[17](a)untreated pore wall structure；(b)heat-treated pore wall structure；(1)low magnification;(2)high magnification

2.1.3 空心球與基體界面及其反應(yīng)機(jī)制

除晶粒尺寸效應(yīng)外，在泡沫金屬復(fù)合材料中還觀察到泡沫顆粒與基體界面存在反應(yīng)。界面反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生脆性相，這對泡沫復(fù)合材料的性能是不利的。對飛灰微珠/鋁基泡沫復(fù)合材料進(jìn)行透射電鏡分析，表明飛灰顆粒周圍由不同晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)所包圍，即有界面反應(yīng)物生成，這些脆性的金屬間化合物的存在使得材料在受到外載荷時(shí)呈現(xiàn)脆性斷裂[18]。Lin等[19]認(rèn)為，泡沫金屬復(fù)合材料的界面對力學(xué)性能具有積極影響。發(fā)現(xiàn)通過重力浸滲的方法制備空心微珠/Al-Mg泡沫復(fù)合材料時(shí)，其空心微珠與鋁基體的表面會(huì)形成MgAl2O4。與玻璃微珠/純鋁泡沫復(fù)合材料相比，形成的MgAl2O4使得材料在受到壓縮載荷時(shí)，強(qiáng)度得到極大提升。三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，界面的存在還提高了泡沫與基體的結(jié)合能，斷裂韌性得到提高，界面?zhèn)鬟f載荷的能力得到增強(qiáng)。同時(shí)，界面對屏蔽性能也有積極作用。Yu等[20]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬空心球的體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，基體與空心球的界面數(shù)量增加。由于界面兩側(cè)材料之間的聲阻抗差異較大，聲波在界面處會(huì)被反射，難以通過樣品，從而提高了其屏蔽性能。

并不是所有的填充材料與基體都存在界面反應(yīng)，為了提高填充材料與基體間的潤濕性，填充顆粒往往會(huì)被鍍層，從而增加其與基體的結(jié)合程度[21]。

2.2 泡沫金屬復(fù)合材料的性能

2.2.1 力學(xué)性能及變形機(jī)理

不同類型的泡沫金屬復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)有不同的表現(xiàn)[22-23]。圖2是泡沫金屬復(fù)合材料的壓縮性能曲線。圖2中A曲線為典型的壓縮性能曲線，主要包括線彈性區(qū)、平臺(tái)區(qū)和致密化區(qū)3個(gè)區(qū)。A曲線上有4個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)1代表形變0.2%的屈服強(qiáng)度，點(diǎn)2代表線彈性區(qū)域末端的峰值強(qiáng)度，在一些研究中也指彈性應(yīng)力或者壓縮強(qiáng)度[24]，通常情況下這是材料受損的開始。隨后可以觀察到材料的強(qiáng)度以及剛度開始下降，點(diǎn)3代表平臺(tái)區(qū)應(yīng)變，點(diǎn)4代表致密化區(qū)應(yīng)變，主要取決于材料的孔隙率(60%以上)。

圖2 泡沫金屬復(fù)合材料壓縮性能曲線Fig.2 Compression properties curves for metal foam composites

研究表明，屈服強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度是很難區(qū)分開來的。實(shí)際上，平臺(tái)區(qū)難以清晰定義就會(huì)出現(xiàn)圖2中B曲線所示的形狀，這種情況下平臺(tái)應(yīng)力以及致密化點(diǎn)的解釋就會(huì)有非常大的不同。屈服強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別對應(yīng)圖2中的點(diǎn)1和點(diǎn)2，在大多數(shù)情況下，研究者只會(huì)給出這兩個(gè)數(shù)據(jù)中的其中一個(gè)。當(dāng)復(fù)合材料中所包含的增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，壓縮強(qiáng)度并不清晰可見，所以材料的強(qiáng)度用屈服強(qiáng)度來定義。而當(dāng)復(fù)合材料中所包含的增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，在壓縮強(qiáng)度附近復(fù)合泡沫開始斷裂并且斜率急劇轉(zhuǎn)變，這種情況下一般用壓縮強(qiáng)度作為強(qiáng)度。當(dāng)二者的差別很小時(shí)，對不同金屬基體泡沫復(fù)合材料的強(qiáng)度進(jìn)行比較才有意義。

泡沫金屬復(fù)合材料的服役工況多數(shù)是在壓縮的情況下，所以復(fù)合材料的壓縮性能得以十分廣泛地研究[19,25]。在受到壓縮載荷時(shí)，高強(qiáng)度的空心球能提高復(fù)合材料的模量及強(qiáng)度[26]。泡沫金屬復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能受到諸多因素的影響，例如孔隙率、密度、空心球材料、基體材料、制備工藝和熱處理等。其中孔隙率是對其力學(xué)性能影響較大的一個(gè)因素，同一種泡沫金屬復(fù)合材料在不同孔隙率下的力學(xué)性能會(huì)有很大的差別[27]。大多數(shù)情況下，鋁基體和鎂基體泡沫復(fù)合材料的密度在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，即1～2.2 g/cm3，由于其密度較低且力學(xué)性能基本在同一水平，所以在應(yīng)用上也是互相競爭的。

密度對泡沫金屬復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度有很重要的影響。圖3是鋁基泡沫復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度與密度的關(guān)系曲線[14,23,25,28-39]。可以看出，鋁基泡沫復(fù)合材料經(jīng)過T6熱處理后的屈服強(qiáng)度最高，其次是經(jīng)過固溶處理的，最低的是鑄造態(tài)的屈服強(qiáng)度。圖3中大多數(shù)數(shù)據(jù)都集中在密度為1.4～1.7 g/cm3的區(qū)間，表明屈服強(qiáng)度隨著密度的增加而增加。圖3左下角復(fù)合材料的密度值低于0.4 g/cm3，這些主要是飛灰微珠與基體孔隙組成的具有混合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，具有這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的強(qiáng)度往往較低。

圖3 鋁基泡沫復(fù)合材料屈服強(qiáng)度與密度的關(guān)系Fig.3 Relationship between yield strength and density of aluminum matrix foam composites

圖4為不同基體泡沫金屬復(fù)合材料的密度與屈服強(qiáng)度的關(guān)系曲線[10-11,15-16,30,37,40-48]。主要包括鋁基、鎂基、鈦基、鐵基、鋅基、鋯基和高熵合金基泡沫復(fù)合材料。其中，青色區(qū)域[10,30,37,42,47]是鋁基泡沫金屬復(fù)合材料，金色區(qū)域[11,15-16，44]是鎂基泡沫金屬復(fù)合材料，紅色區(qū)域[40,45]是鋅基泡沫金屬復(fù)合材料；藍(lán)色區(qū)域[48]是鈦基泡沫金屬復(fù)合材料；紫色區(qū)域[43]是高熵合金基泡沫金屬復(fù)合材料；灰色區(qū)域[46]是鐵基泡沫金屬復(fù)合材料；綠色[41]是鋯基泡沫金屬復(fù)合材料?？梢婋S著密度的增加屈服強(qiáng)度也隨之增大。

圖4 鋁、鎂、鋅、鈦、鐵、鋯、高熵合金基泡沫復(fù)合材料密度與屈服強(qiáng)度的比較Fig.4 Comparison of density and yield strength of aluminum, magnesium,zinc,titanium,iron,zirconium and high-entropy alloy matrix foam composites

通常，復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著基體強(qiáng)度的增加而增加，然而，鎂基泡沫復(fù)合材料卻打破了這個(gè)趨勢，與其他同等密度金屬基體的泡沫復(fù)合材料相比，其具有更高的強(qiáng)度。在相同的密度下，鋁基和鈦基泡沫復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度值比鎂基泡沫復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度值低30%～70%。鐵基泡沫復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度與鎂基泡沫復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度相當(dāng)，但其密度比鎂基泡沫復(fù)合材料高2～3倍。表明在某些應(yīng)用中，用鎂基泡沫復(fù)合材料代替鋁基和鈦基泡沫復(fù)合材料來降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量是可行的。高熵合金基泡沫復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度也較高，同時(shí)由于高熵合金基體為FCC結(jié)構(gòu)，具有更多的滑移系，在受到載荷時(shí)，位錯(cuò)的平面滑移容易開動(dòng)，不易塞積，致使伸長率較高，所以高熵合金基泡沫復(fù)合材料的吸能特性會(huì)比其他金屬基體泡沫復(fù)合材料優(yōu)異。

圖5為鋁基泡沫金屬復(fù)合材料密度與動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度關(guān)系[31,38,49-53]?？梢钥闯觯瑒?dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度隨著泡沫金屬復(fù)合材料的密度增加而增大。另外，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度還會(huì)受到變形速率的影響，在一定的速率范圍內(nèi)，隨著加載速率的增加，動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度也會(huì)越大。一些學(xué)者研究了動(dòng)態(tài)壓縮變形的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)變速率條件下，顆粒斷裂先于致密化，主要原因是脆性顆粒存在于相對韌性的基體中，導(dǎo)致顆粒先被剪切破壞，隨后是微觀組織致密化，這與靜態(tài)壓縮變形的順序是相反的[24]。

圖5 鋁基泡沫金屬復(fù)合材料密度與動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between dynamic compressive strength and density of aluminum matrix metal foam composites

可以看到，密度對泡沫金屬復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響都很大，二者均隨著密度的增加而呈現(xiàn)出增加趨勢。泡沫金屬復(fù)合材料的密度又受空心球、基體以及制備工藝的影響，三者綜合影響著材料的密度，進(jìn)而影響著材料的力學(xué)性能。

空心顆粒的種類繁多，其體積分?jǐn)?shù)是影響性能的主要原因。以空心微珠為例，研究人員制備了不同體積分?jǐn)?shù)的空心微珠/鎂基泡沫復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨著空心微珠體積分?jǐn)?shù)的增加，彈性模量從13.5 GPa下降至11.5 GPa。圖6為鎂基泡沫復(fù)合材料中飛灰微珠的體積分?jǐn)?shù)對材料壓縮強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變的影響[15-16,22,54]。從圖6中紅色、綠色和藍(lán)色區(qū)域可以看出，鎂基泡沫復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變均隨飛灰微珠體積分?jǐn)?shù)的增加而減小。在其他金屬基體中也發(fā)現(xiàn)了與上述一致的規(guī)律，Luong等[24]研究了不同基體空心微珠體積分?jǐn)?shù)變化對力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著空心玻璃微珠含量的增加，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度降低，但是比強(qiáng)度隨著空心微珠含量的增加而增加。在常規(guī)的制備工藝中，泡沫金屬復(fù)合材料的力學(xué)性能均會(huì)隨著填充材料體積分?jǐn)?shù)的增加而降低。然而，Nguyen等[54]通過DMD技術(shù)制備了空心微珠/鎂基泡沫復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨著微珠體積分?jǐn)?shù)的增加，斷裂應(yīng)變得到了提升(紫色區(qū)域)。這主要是因?yàn)?，空心微珠顆粒本身就具有很高的壓縮強(qiáng)度，能抵抗壓縮載荷。利用常規(guī)的增強(qiáng)材料來改善復(fù)合材料的壓縮斷裂行為，在空心微珠/鎂基泡沫復(fù)合材料壓縮斷裂應(yīng)變的改變中是極為罕見的。

圖6 鎂基泡沫復(fù)合材料中空心微珠體積分?jǐn)?shù)和壓縮強(qiáng)度與斷裂應(yīng)變的關(guān)系(圖中數(shù)字代表空心微珠體積分?jǐn)?shù))Fig.6 Relationship between volume fraction of hollow microbeads and compressive strength and strain at break of magnesium matrix foam composites(numbers in the figure represent the volume fraction of hollow microbeads)

Xue等[55]研究了粉末冶金法制備厚壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)，厚壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的實(shí)際孔隙率低于薄壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的實(shí)際孔隙率；此外，由于厚壁陶瓷空心微珠具有較高的抗壓強(qiáng)度，隨著其體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度也隨之提高；在燒結(jié)過程中，鈦基體與厚壁陶瓷空心微珠之間存在界面反應(yīng)，生成的反應(yīng)產(chǎn)物鈦硅化物具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，可以減少二者界面處的缺陷，從而提高鈦基體泡沫復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度；厚壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的彈性模量也略高于薄壁陶瓷空心微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料。

另外，同種基體添加不同種類的空心顆粒，力學(xué)性能也是不同的。SiC空心球/A356鋁基泡沫復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度高于飛灰空心球/A356鋁基泡沫復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度[51]。

空心顆粒的強(qiáng)度也會(huì)影響泡沫金屬復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)空心顆粒的強(qiáng)度不足時(shí)，采用壓力浸滲的方法制備泡沫金屬復(fù)合材料時(shí)，空心球易被壓碎，干擾其分布程度，從而影響其性能，為此Cao等[56]和Yu等[57]制備了一系列具有高強(qiáng)度的金屬空心球；劉培生等[12]提出“類比強(qiáng)度”指標(biāo)，既可有效地適用于不同質(zhì)地材料的空心球顆粒產(chǎn)品之間的強(qiáng)度比較，也可有效地適用于同種材質(zhì)不同尺度結(jié)構(gòu)規(guī)格的空心球產(chǎn)品之間的強(qiáng)度比較，通過對比分析即可優(yōu)選出其中強(qiáng)度指標(biāo)最高的空心球顆粒制品。

所以，在制備泡沫金屬復(fù)合材料時(shí)，要考慮空心球的體積分?jǐn)?shù)、尺寸、種類、強(qiáng)度和分布程度等因素對其力學(xué)性能的影響。

圖4中可以明顯看到不同的金屬基復(fù)合材料具有不同密度，當(dāng)密度不同時(shí)，泡沫金屬復(fù)合材料的力學(xué)性能也是不同的。泡沫金屬復(fù)合材料在近些年的研究中主要集中在鋁基、鎂基、鈦基、鐵基、鋅基、銅基等。

當(dāng)基體材料的強(qiáng)度較高時(shí)，泡沫金屬復(fù)合材料往往也表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。Lin等[19]通過壓力浸滲的方法制備了玻璃微珠/Al以及玻璃微珠/Al-Mg兩種不同鋁基體的泡沫復(fù)合材料。壓縮實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，兩種復(fù)合材料的壓縮曲線均呈現(xiàn)出典型的3個(gè)區(qū)域，即線彈性區(qū)、平臺(tái)區(qū)以及致密化區(qū)。然而玻璃微珠/Al-Mg的壓縮強(qiáng)度明顯高于玻璃微珠/Al的壓縮強(qiáng)度，且二者壓縮斷裂的方式存在明顯的不同，玻璃微珠/Al的斷裂是由兩條剪切帶在中心相交導(dǎo)致的材料失效，而玻璃微珠/Al-Mg斷裂是由一條剪切帶導(dǎo)致的材料失效。其中的一個(gè)主要原因就是純鋁的強(qiáng)度比鋁鎂合金低，在受到外載荷時(shí)候容易變形，釋放應(yīng)力集中。

制備工藝對復(fù)合材料的力學(xué)性能也有很重要的影響。Huang等[58]通過調(diào)整熔體的保溫工藝制備了AZ91D鎂基泡沫復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的強(qiáng)度為87～146 MPa。Mondal等[59]深入研究了粉末冶金制備工藝對微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并利用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的強(qiáng)度以及模量。發(fā)現(xiàn)在粉末冶金燒結(jié)之前給與粉末不同的壓力會(huì)對力學(xué)性能有很大的影響。隨著壓力的增加，燒結(jié)前后微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的密度均增大，孔隙率降低，這就使得材料的楊氏模量以及強(qiáng)度均呈現(xiàn)增加的趨勢；當(dāng)壓力增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空心微珠的破碎，這些破碎的空心微珠通過燒結(jié)混合在基體中，使得復(fù)合材料基體的硬度增加。微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的強(qiáng)度為[59]：

σtif=[Cσtimul(1-Vfceno(1-fcc))n]+

[Cσcs(1-Vfcp)nVfceno(1-fcc)]

(1)

式中：σtif為空心微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的強(qiáng)度；C與n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取0.75和2.19；σtimul為破碎微珠/鈦基泡沫復(fù)合材料的強(qiáng)度；Vfceno為空心微珠體積分?jǐn)?shù)；fcc為冷壓實(shí)力的許用應(yīng)力；σcs為空心微珠殼的強(qiáng)度；Vfcp為空心微珠中孔隙所占的體積分?jǐn)?shù)。

分析表明，泡沫金屬復(fù)合材料的力學(xué)性能受密度、基體材料、空心球材料和制備工藝等的影響，所以，在制備所需要泡沫金屬復(fù)合材料時(shí)，要兼顧多個(gè)方面。

2.2.2 屏蔽機(jī)理及性能

空心顆粒與基體具有較大的比表面積使得泡沫金屬復(fù)合材料具有優(yōu)異的吸收以及反射電磁波的能力。另外，泡沫金屬復(fù)合材料制備加工簡單，易于安裝，能滿足相關(guān)精密儀器的屏蔽要求，可作為一款理想的電磁屏蔽材料。

實(shí)體金屬或者合金的電磁屏蔽作用原理是電磁波入射到屏蔽材料表面，產(chǎn)生反射和吸收并且在材料內(nèi)部多次反射，消耗電磁波能量，從而達(dá)到屏蔽目的。通常用電磁屏蔽效能(shielding effectiveness, SE)來表示材料的屏蔽效果，在給定的頻段內(nèi)，以分貝的損耗來表示。根據(jù)Schelkunoff電磁屏蔽理論，材料的SE為[60]：

SE=R+A+M

(2)

式中：R為表面單次反射損耗；A為吸收損耗；M為屏蔽體內(nèi)的多次反射損耗。

泡沫金屬復(fù)合材料與實(shí)體金屬的內(nèi)部構(gòu)造有所不同，所以電磁波遇到二者后的傳輸過程也會(huì)有所不同，如圖7所示。當(dāng)電磁波在傳輸過程中遇見泡沫金屬復(fù)合材料時(shí)，會(huì)在復(fù)合材料的表面、內(nèi)部以及孔壁內(nèi)多次反射并損耗，起到了屏蔽的效果?；陔姶挪ㄔ谂菽饘購?fù)合材料中的傳播特點(diǎn)，對式(2)做出適當(dāng)?shù)男拚勘碚麟姶臩E，修正模型見式(3)[61]。

SE=R+A+Mw+Mp+W+E+O

(3)

式中：Mw是泡孔壁內(nèi)的多次反射損耗；Mp是泡孔內(nèi)的多次反射損耗；W是波-流相互作用引起的波動(dòng)因子；E是渦流損耗；O是微觀缺陷引起的波動(dòng)因子。

圖7 泡沫金屬內(nèi)部電磁波傳輸示意圖Fig.7 Schematic diagram of electromagnetic wave transmission in metal foam

對于屏蔽效果的定量表征有2個(gè)指標(biāo)，屏蔽效能與衰減率，根據(jù)ASTMD4935—2010《測量平面材料的電磁屏蔽效應(yīng)方法》以及IEEE-299—2006《測量電磁屏蔽殼有效性的方法》中規(guī)定，SE可表示為[62]：

SE=10lg(P1/P2)=20lg(V1/V2)

(4)

式中：P1為無平面屏蔽材料時(shí)接收到的功率，W；P2為有平面屏蔽材料時(shí)接收到的功率，W；V1為無平面屏蔽材料時(shí)接收到的電壓，V；V2為有平面屏蔽材料時(shí)接收到的電壓，V。

目前，泡沫金屬復(fù)合材料對于電磁屏蔽性能的研究多集中于鋁基泡沫復(fù)合材料、鈦基泡沫復(fù)合材料以及鎳基泡沫復(fù)合材料。隨著科技的進(jìn)步，更多優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的方法得以出現(xiàn)，有限元的優(yōu)化模擬在這方面提供了很大的幫助，如Plasma模型[63]和Drude模型[64]等。

研究人員發(fā)現(xiàn)泡沫金屬復(fù)合材料在不同的測試頻段會(huì)表現(xiàn)出不同的屏蔽性能。Dou等[65]制備了70%飛灰空心微珠/鋁基泡沫復(fù)合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)材料在低頻時(shí)的電磁屏蔽性能較為優(yōu)異。在1 MHz頻段內(nèi)，復(fù)合材料的電磁SE可達(dá)102 dB；然而，當(dāng)測試頻段在1 GHz時(shí)，電磁SE降至32 dB。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，鈦基泡沫復(fù)合材料的電磁屏蔽性能在低頻段時(shí)也較為優(yōu)異，泡沫鈦的電磁SE隨著電磁波頻段的增加，呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。在低頻段內(nèi)測得復(fù)合材料的電磁SE出現(xiàn)衰減的趨勢，當(dāng)頻段增加時(shí)，SE上升并穩(wěn)定在一個(gè)平臺(tái)[66]。

2.2.3 阻尼機(jī)理及性能

泡沫金屬復(fù)合材料由于空心顆粒內(nèi)部的空氣與周圍金屬基體、金屬空心顆粒兩組分接觸不均勻，導(dǎo)致其應(yīng)變會(huì)滯后于應(yīng)力。因此，在泡沫金屬復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上會(huì)觀察到一個(gè)較長的平緩應(yīng)力平臺(tái)區(qū)，是一種具有高能量吸收特性的阻尼材料。和傳統(tǒng)合金材料單一的阻尼機(jī)制不同，泡沫金屬復(fù)合材料的阻尼機(jī)制是多重的，基體內(nèi)填充材料所形成的彌散的孔洞、基體本身以及基體與填充材料所形成的界面均會(huì)對振動(dòng)載荷有所消耗，從而達(dá)到減振的目的。復(fù)合材料的阻尼性能由基體本征阻尼、填充材料本征阻尼以及界面阻尼三部分構(gòu)成，如式(5)所示[67]。

Ψc=ΨmVm+ΨrVr+ΨiVi

(5)

式中：Ψ為阻尼性能，Ψ=2πQ-1，Q為阻尼內(nèi)耗；V為體積分?jǐn)?shù)；下標(biāo)c，m，r和i分別代表復(fù)合材料、基體、填充材料和界面。

泡沫金屬復(fù)合材料的阻尼性能受到多種因素的影響。當(dāng)填充材料的體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，復(fù)合材料的阻尼性能會(huì)顯著地提升。原因是，隨著填充材料體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料內(nèi)部的界面數(shù)量增多，從而提高了阻尼性能[68]。研究人員還研究了熱處理對阻尼性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理后泡沫金屬復(fù)合材料的阻尼性能呈現(xiàn)下降的趨勢。主要的原因是，熱處理后復(fù)合材料中的位錯(cuò)密度降低，致使其性能下降[69]。

2.2.4 其他性能

除上述性能外，泡沫金屬復(fù)合材料還具備優(yōu)異的吸能特性以及隔熱性能等。尤其是近年來得到長足發(fā)展的金屬空心球復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的泡沫金屬材料相比其具有更高的吸能特性，用相同的研究材料制備成金屬空心球復(fù)合材料，其吸能特性可明顯提高。原因是，金屬空心顆粒的加入增加了二者界面的穩(wěn)定性，在受到載荷時(shí)，空心球能有效地分散載荷，使平臺(tái)區(qū)的應(yīng)變增加[26]。泡沫金屬復(fù)合材料在高溫下也具有良好的隔熱性能，原因是復(fù)合材料孔隙的熱量傳播速度小于金屬的傳播速度[70]。Chen等[71]制備了鋁基空心球復(fù)合材料與鋼基空心球復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)與不含空心球的泡沫金屬材料相比，空心球的加入顯著地降低了材料的導(dǎo)熱效率。另外，前者的導(dǎo)熱效率是后者的7倍，說明鋁基泡沫復(fù)合材料的導(dǎo)熱效率優(yōu)于鋼基泡沫復(fù)合材料的導(dǎo)熱效率。

3 泡沫金屬復(fù)合材料的應(yīng)用

與傳統(tǒng)材料不同，泡沫金屬復(fù)合材料由于其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和優(yōu)異的功能特性被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、海洋等領(lǐng)域[72]。

目前，開發(fā)輕質(zhì)、高強(qiáng)并具有特殊功能的泡沫金屬復(fù)合材料已成為航空航天飛機(jī)制造廠商關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。同其他常用材料相比，復(fù)合材料均有較高的比強(qiáng)度、剛度、抗沖擊性能、剪切性能以及阻尼性能等，在航空航天領(lǐng)域常被用作隔音材料或者阻燃材料。目前，泡沫金屬復(fù)合材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)飛翼、機(jī)艙門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩襟翼軌道板等主要和次要結(jié)構(gòu)部件[73]。

作為一種多孔性材料，泡沫金屬復(fù)合材料具有良好的吸能特性，在受到外載荷時(shí)，由于其自身特點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的塑性變形，抵御外力的沖擊；具有優(yōu)異的阻尼性能，能有效降低NVH (noise，vibration，harshness)，提高整車質(zhì)量，改進(jìn)乘用車在駕駛過程中的舒適性；具有密度低、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，這就使得泡沫金屬復(fù)合材料制備的結(jié)構(gòu)件可以代替汽車中的某些單一金屬結(jié)構(gòu)件，比如機(jī)動(dòng)車蓋板、底盤板、保險(xiǎn)杠等，達(dá)到減重的目的[74]。

Rigby等[75]還發(fā)現(xiàn)泡沫金屬復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和剛度，因此被應(yīng)用于水下浮力材料。在海工應(yīng)用中也較常見，例如水下遙控航行器(remotely operated underwater vehicles，ROVs)、水下自主航行器(autonomous underwater vehicles, AUVs)、深?？睖y以及船體等方面[75]。由于其具有良好的隔熱性能以及阻尼性能，在建筑保溫、冷藏隔熱等方面具有良好的應(yīng)用前景。泡沫金屬復(fù)合材料還具有良好的電磁屏蔽性能，其內(nèi)部存在的大量孔隙結(jié)構(gòu)可以使電磁波在傳遞的過程中發(fā)生大量的反射和能量吸收損耗，從而達(dá)成電磁屏蔽的效果。

4 結(jié)束語

由于泡沫金屬復(fù)合材料的低密度，人們對其研究和產(chǎn)品的開發(fā)都表現(xiàn)出了極大的興趣。輕質(zhì)泡沫金屬復(fù)合材料可代替原有的金屬材料實(shí)現(xiàn)輕量化，在航空航天、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用中節(jié)約能源。近年來，對泡沫金屬復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)方面的研究已經(jīng)非常成熟，但對其性能的研究還不夠深入，未來以下4個(gè)方面的研究將會(huì)引起人們的關(guān)注：

(1)泡沫金屬復(fù)合材料的制備工藝：當(dāng)增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，通過壓力浸滲或粉末冶金等手段可以制備增強(qiáng)體在基體中分布較為均勻的試樣；當(dāng)增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，由于制備工藝的局限性，其在基體中會(huì)有大量的偏聚，復(fù)合材料的質(zhì)量難以得到保證。開發(fā)或改進(jìn)制備工藝就成為急切需要解決的問題，近年來AM的方法發(fā)展得十分迅速，未來研究過程中可采用此方法解決泡沫金屬復(fù)合材料的偏聚問題。

(2)高性能泡沫空心球的制備工藝：泡沫金屬復(fù)合材料中，高強(qiáng)泡沫空心球殼體對于復(fù)合材料的質(zhì)量影響是非常重要的。如果泡沫空心球殼體的強(qiáng)度不夠，在制備過程中就有大量的破碎，所得試樣失去泡沫金屬復(fù)合材料的特點(diǎn)。增強(qiáng)空心球的顆粒大小以及壁厚方面的控制也具有很大的局限性，是需要解決的問題。

(3)泡沫金屬復(fù)合材料的建模研究：目前的研究中缺乏有力且可靠的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測材料的相關(guān)性能。許多模型在聚合物基泡沫復(fù)合材料中可以廣泛應(yīng)用，但是拓展到泡沫金屬復(fù)合材料當(dāng)中卻是十分困難的，因?yàn)檫@種模型中不包含金屬的基本參數(shù)，例如晶粒尺寸、晶體結(jié)構(gòu)等。

(4)泡沫金屬復(fù)合材料的夾芯結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)的研究目前尚處于起步階段，也取得了一些成果，但是該結(jié)構(gòu)的泡沫金屬復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度較低，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用，在未來如何利用該結(jié)構(gòu)開發(fā)高性能的泡沫金屬復(fù)合材料將會(huì)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。