摘要：微結(jié)構(gòu)材料以其優(yōu)異的性能逐漸受到青睞，對微結(jié)構(gòu)材料的概念、原理及構(gòu)型進(jìn)行了介紹，列舉了常見的微結(jié)構(gòu)材料種類，包括多孔金屬、多孔陶瓷、泡沫塑料、夾芯材料等，分析了其在汽車安全、噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）、熱管理方面的應(yīng)用，并對材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化產(chǎn)品開發(fā)理念進(jìn)行了闡述和展望。

關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)材料 多孔材料 夾芯材料 輕量化

中圖分類號：U466" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240139

Microstructured Materials Applications in Automobiles

Zhu Yinan1， Ma Tingtao1，2， Zhang Peng2， Zhou Yufei1， Li Zhiping1

（1. Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2. College of Material Science and Engineering， Jilin University， Changchun 130000）

Abstract： Microstructured materials are increasingly favored due to their excellent performance. This paper introduces the concepts， principles and configurations of microstructured materials， it lists common types of microstructured materials， including porous metals， porous ceramics， foamed plastics， sandwich materials， etc.， analyzes their applications in automotive safety， NVH and thermal management， describes and prospects the development concept of material-structure-function integrated product.

Key words： Microstructured material， Porous material， Sandwich material， Lightweight

1 前言

汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展對材料的設(shè)計開發(fā)提出了更高的要求，需要在輕質(zhì)、高強、節(jié)能等方面進(jìn)行更深入的研究[1]。其中，微結(jié)構(gòu)材料（Architected Cellular Materials，ACM）以其優(yōu)異的性能越來越受到青睞，吸引了國內(nèi)外眾多學(xué)者和機構(gòu)進(jìn)行研究[2]。

微結(jié)構(gòu)材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛：一方面，可應(yīng)用于車身、底盤、內(nèi)外飾、動力電池等零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]；另一方面，可應(yīng)用于整車輕量化、安全、噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）、熱管理等諸多性能開發(fā)[4]。微結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的發(fā)展不僅顛覆了傳統(tǒng)材料開發(fā)思維，也給汽車設(shè)計開發(fā)帶來了全新的理念。本文對微結(jié)構(gòu)材料的概念、構(gòu)型、分類及應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化產(chǎn)品開發(fā)理念進(jìn)行闡述和展望。

2 微結(jié)構(gòu)材料簡介

2.1 微結(jié)構(gòu)材料的概念

微結(jié)構(gòu)材料是指內(nèi)部填充多孔、格柵或蜂窩等不同形式的結(jié)構(gòu)，采用單一材料或多種材料組合作為基體材料的結(jié)構(gòu)化增強材料[5]。微結(jié)構(gòu)材料既是一種結(jié)構(gòu)，也是一種材料，兩者之間沒有非常明顯的界限，具有輕質(zhì)、高強、可設(shè)計、多功能的優(yōu)點。

由于微結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部多孔隙，按照孔徑的大小可將其分為3類[6]：孔徑小于2 nm的材料稱為微孔材料；孔徑介于2～50 nm范圍內(nèi)的材料稱為介孔材料；孔徑大于50 nm的材料稱為大孔材料。圖1為從納米尺度到宏觀尺度的各種微結(jié)構(gòu)材料[7]。工程材料從最初的實體材料，發(fā)展到桁架結(jié)構(gòu)材料，再到復(fù)合材料最終發(fā)展為微結(jié)構(gòu)材料，材料形式更加多元化。

2.2 微結(jié)構(gòu)材料的原理

自然界大部分生物的微觀結(jié)構(gòu)均為空心狀、泡沫狀或胞狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能在保證受力的同時減輕質(zhì)量。另外，空心結(jié)構(gòu)也是物質(zhì)運輸和新陳代謝的重要通道。微結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量輕、強度高，自然界中以骨骼、木材等為代表，密度較小，能承受較大的外力。圖2所示為人體骨骼的微觀結(jié)構(gòu)，骨松質(zhì)分布于骨的內(nèi)部，呈海綿多孔狀，由許多針狀或片狀的骨小梁交織而成，而骨小梁包含數(shù)個骨質(zhì)纖維和礦物顆粒，骨密質(zhì)包覆在骨松質(zhì)外層，使骨骼輕質(zhì)、堅固[8]。

微結(jié)構(gòu)材料的抗振、緩沖、抗彎曲等性能在自然中均有體現(xiàn)。當(dāng)啄木鳥啄樹時，頭部以25 km/h的速度撞擊，卻絲毫不受損傷。圖3a所示為啄木鳥頭骨及喙骨的微觀結(jié)構(gòu)，其頭骨和喙骨中包含許多骨小梁，相對于其他動物，啄木鳥的骨小梁具有更大的厚度、更多的數(shù)量、更密的間距，使啄木鳥在啄木過程中大量吸收和分散了沖擊能量[9]。鳥類在飛行時，羽毛的全部載荷要通過羽軸傳遞給身體，羽軸卻不發(fā)生彎曲或折斷。圖3b所示為羽毛的微觀結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)羽軸包含皮質(zhì)和髓質(zhì)，是一種夾芯結(jié)構(gòu)，使羽軸整體具有很高的模量，能有效承載飛行中的羽毛載荷[10]。

負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)材料是自然界中的一種特殊微結(jié)構(gòu)材料。貝殼主要由碳酸鈣構(gòu)成，但貝殼的抗壓能力是碳酸鈣材料的10倍以上。圖4所示為珍珠母貝殼的微觀結(jié)構(gòu)，貝殼堅硬的原因是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性使其形成了負(fù)泊松比效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)越受壓，越往心部聚合，越能產(chǎn)生更好的抵抗壓力，使貝殼具有更高的韌性和抗變形能力[11]。

2.3 微結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)型

微結(jié)構(gòu)材料按照力學(xué)性能可分為正泊松比材料和負(fù)泊松比材料；按照結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為蜂窩結(jié)構(gòu)、胞狀結(jié)構(gòu)、管狀結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等；按照結(jié)構(gòu)的規(guī)則度可分為有序結(jié)構(gòu)和無序結(jié)構(gòu)。

在工程應(yīng)用中，微結(jié)構(gòu)材料通常為夾芯結(jié)構(gòu)，也稱作三明治結(jié)構(gòu)。夾芯結(jié)構(gòu)材料由高強度面板與微結(jié)構(gòu)芯材組成，上、下面板較薄，具有一定的剛度和強度；微結(jié)構(gòu)芯材較輕，具有一定的功能性。夾芯結(jié)構(gòu)材料在汽車上已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，如蜂窩材料蓋板等。圖5為常見的不同構(gòu)型的夾芯結(jié)構(gòu)形式。

3 微結(jié)構(gòu)工程材料種類及特點

除自然界存在的微結(jié)構(gòu)材料外，絕大多數(shù)工程材料中的微結(jié)構(gòu)材料由人工合成。結(jié)合仿生原理、微結(jié)構(gòu)材料特性，形成了多種不同形狀填充、不同特性需求的微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，主要種類有多孔金屬、多孔陶瓷、泡沫塑料材料、夾芯結(jié)構(gòu)和3D打印微結(jié)構(gòu)材料。不同的微結(jié)構(gòu)具有不同的材料性能，常見的微結(jié)構(gòu)材料（特定牌號）屬性如表1所示。

3.1 多孔金屬

多孔金屬材料由金屬基體和大量孔隙組成，又稱多孔泡沫金屬，主要的制備工藝有粉末冶金法、纖維燒結(jié)法、熔體發(fā)泡法、熔體吹氣法和滲流鑄造法[12]。相對于普通金屬，多孔金屬具有以下3個方面優(yōu)點：

a. 密度小、孔隙率高、比表面積大；

b. 強度高、韌性好、抗沖擊；

c. 孔隙帶來了特殊的聲學(xué)和熱學(xué)特性。

圖6所示為泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)及其性能特點示意，在多數(shù)場合下，多孔金屬同時起到強度支撐的結(jié)構(gòu)性作用和吸聲、隔熱的功能性作用。

目前，多孔金屬主要應(yīng)用于吸能、減振、吸聲等方面，與多孔陶瓷相比，多孔金屬具有抗振、加工性好、導(dǎo)電/導(dǎo)熱性好的優(yōu)勢，與泡沫塑料相比，具有強度高、耐熱、可回收利用的優(yōu)勢，同時具備結(jié)構(gòu)材料、功能材料的特點，未來在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。

3.2 多孔陶瓷

多孔陶瓷是一種具有可變孔徑、高孔隙率的陶瓷材料，以剛玉砂、碳化硅等為原料，經(jīng)過成型和高溫?zé)Y(jié)而成，主要的制備工藝有顆粒堆積燒結(jié)法、添加造孔劑法、有機泡沫浸漬法、發(fā)泡法等[13]，不僅具有耐高溫、耐高壓、抗酸堿的特性，還具有可控孔結(jié)構(gòu)、高開孔孔隙率的優(yōu)點，圖7所示為一種多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)示意。

目前，多孔陶瓷已在過濾分離、排氣消聲、電解隔膜等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，另外在吸聲減振、保溫隔熱等方面具有一定的應(yīng)用潛力。

3.3 泡沫塑料

泡沫塑料是工程中最常見的微結(jié)構(gòu)材料，原料為聚氨酯、聚氯乙烯等，通過發(fā)泡方式制成，主要的制備工藝有擠出發(fā)泡成型、模壓發(fā)泡成型、注射發(fā)泡成型、澆注發(fā)泡成型[14]。具有密度小、吸能好的優(yōu)點。常見的泡沫塑料分類及作用如表2所示[15]，目前，泡沫塑料主要應(yīng)用于汽車的隔聲件或減振件，在白車身及內(nèi)外飾領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

3.4 夾芯結(jié)構(gòu)材料

夾芯材料是由高強度面層與輕質(zhì)芯材組成的一種結(jié)構(gòu)材料，又稱三明治結(jié)構(gòu)材料。表層厚度薄，有一定的剛度和強度，芯材質(zhì)量輕、抗彎和抗壓性能較好。此外，夾芯結(jié)構(gòu)材料還能夠進(jìn)行隔熱或傳熱，對噪聲和振動有抑制作用[16]。圖8所示為夾芯結(jié)構(gòu)材料的示意，其中，面層材料可采用玻璃、金屬板、塑料板、紙板等，芯材可采用泡沫夾芯、波紋夾芯、木芯夾芯、蜂窩夾芯、桁架夾芯等。

根據(jù)不同零部件需求，面層和芯材可進(jìn)行組合，以獲得不同的性能。夾芯結(jié)構(gòu)材料具備高剛度、高強度、輕量化、吸熱、隔聲等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車零部件。

3.5 3D打印微結(jié)構(gòu)材料

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用粉末或絲狀材料，通過逐層打印、疊加增材的方式來制造零件的技術(shù)[17]，具備精度高、效率高、個性化的優(yōu)點，能夠制造傳統(tǒng)工藝無法成型的結(jié)構(gòu)。如圖9所示，3D打印技術(shù)可通過多種途徑完成有序微結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和制造，以獲得特定的穩(wěn)定性能。

隨著材料-結(jié)構(gòu)-功能的同步設(shè)計概念逐步成熟，3D打印技術(shù)將與微結(jié)構(gòu)材料設(shè)計開發(fā)完美融合，實現(xiàn)更大的突破。

4 微結(jié)構(gòu)材料在汽車上的應(yīng)用

眾多主機廠和科研機構(gòu)在汽車安全、NVH、熱管理等方面就微結(jié)構(gòu)材料開展了大量研究，充分展示了其在產(chǎn)品性能和功能提升方面的巨大潛力，部分技術(shù)已實現(xiàn)應(yīng)用。

4.1 在汽車安全中的應(yīng)用

相比于傳統(tǒng)實體材料，微結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部存在拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)，使微結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的能量吸收特性。當(dāng)微結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷作用時，內(nèi)部孔隙使沖擊波在微結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的過程中產(chǎn)生折射和反射，沖擊波逐漸衰減，能量逐漸被耗散，最終達(dá)到吸收沖擊能量的效果。微結(jié)構(gòu)優(yōu)化了材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，減小了碰撞時的加速度與侵入量，整車安全性能得到提升。因此，微結(jié)構(gòu)材料優(yōu)異的吸能特性可應(yīng)用于車輛安全件中，如保險杠橫梁、B柱、發(fā)動機艙蓋等，提升正面碰撞、側(cè)面碰撞以及行人保護(hù)性能。

4.1.1 正面碰撞應(yīng)用

在汽車正面碰撞過程中，保險杠橫梁及吸能盒是重要的吸能部件，尤其是低速碰撞下，能夠降低汽車的損毀程度。在防撞梁及吸能盒中填充泡沫金屬、負(fù)泊松比等微結(jié)構(gòu)材料，能夠大幅提升吸能性能，奧迪A8車型在前保險杠防撞梁中應(yīng)用了泡沫鋁。圖10所示為國內(nèi)某車型研發(fā)的負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)材料填充的吸能盒，正面碰撞時，能夠明顯降低沖擊力峰值，提升正面碰撞的安全性，在同等吸能性能下，壓縮位移最大可減少24%[18]。同理，在前縱梁、后縱梁中也可以填充微結(jié)構(gòu)材料提升吸能性能。

4.1.2 側(cè)面碰撞應(yīng)用

在汽車側(cè)面碰撞中，B柱及其加強板是主要的吸能部件，側(cè)面碰撞變形空間較小，可在鈑金空腔內(nèi)填充微結(jié)構(gòu)材料，在很小的變形范圍內(nèi)吸收大量能量。圖11所示為某SUV車型泡沫鋁填充B柱，在同等的沖擊載荷下，泡沫鋁填充式B柱結(jié)構(gòu)的碰撞載荷效率更高，為原型車B柱結(jié)構(gòu)的1.16倍[19]。泡沫鋁的填充還能提升整車的剛度和NVH性能，進(jìn)一步提升整車的安全性與舒適性。

4.1.3 行人保護(hù)應(yīng)用

發(fā)動機艙蓋是行人保護(hù)的關(guān)鍵部件，通過夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效降低行人頭部碰撞所受傷害。圖12所示為某車型開發(fā)的一種新型發(fā)動機罩，包含上蒙皮、蜂窩芯材、下蒙皮。試驗結(jié)果表明，多孔蜂窩芯材的存在使行人頭部碰撞HIC值降低22.3%，且延長了碰撞時間，有效減少了二次碰撞傷害[20]。

4.2 在汽車NVH中的應(yīng)用

微結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部具有大量的互相貫通且向外敞開的微孔，當(dāng)聲波入射時，會激發(fā)微孔內(nèi)部空氣振動，振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，使得聲能不斷減弱。與一般隔聲降噪材料相比，在微結(jié)構(gòu)材料中的聲波會多次進(jìn)行反射和折射，使傳播路徑增大，聲能消耗量提升[21]。微結(jié)構(gòu)優(yōu)化了材料的吸聲系數(shù)與隔聲系數(shù)，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效提升材料的NVH性能。

微結(jié)構(gòu)材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的吸聲、隔聲、減振特性，可應(yīng)用于車輛聲學(xué)包中，如吸聲棉、蜂窩板、泡沫塑料等，顯著提升汽車NVH性能。

4.2.1 多孔泡沫材料吸聲減振應(yīng)用

用于吸聲減振的泡沫材料主要包括多孔泡沫金屬、泡沫塑料和多孔泡沫陶瓷。多孔泡沫金屬材料在低頻域具有較高的吸聲特性，泡沫塑料、泡沫陶瓷在高頻域具有較好的吸聲特性。圖13所示為國外某車型采用泡沫鋁填充的汽車消聲器，可以適用于溫度為600 ℃的尾氣降噪，降噪效果為阻抗型消聲內(nèi)芯、并聯(lián)共振式消聲內(nèi)芯消聲器的2～3倍，質(zhì)量減輕約1/3[22]；泡沫塑料大量應(yīng)用于座椅、氣囊中，提高緩沖性能；多孔泡沫陶瓷應(yīng)用較為單一，目前主要用于消聲器等高溫、高頻噪聲區(qū)。

4.2.2 多孔纖維材料吸聲減振應(yīng)用

多孔纖維材料也是用于吸聲減振的重要材料，吸聲減振性能與材料的纖維孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，如纖維的粗細(xì)、材料密度、孔隙率等。纖維多孔材料一般作為填料或直接作為吸聲材料制成汽車聲學(xué)包。汽車內(nèi)飾中大量使用纖維材料聲學(xué)包，如頂棚、儀表板、門板、前圍的吸音棉[23]。圖14所示為整車聲學(xué)包的示意，多數(shù)由多孔纖維材料或多孔纖維材料與泡沫材料復(fù)合制成。

玄武巖纖維是一種新型纖維，吸聲及耐熱性遠(yuǎn)大于玻璃纖維[24]，特斯拉Model S的保險杠采用玄武巖纖維制成，減振緩沖效果良好；金屬纖維材料高頻吸聲能力優(yōu)異，奧迪、大眾等車型都將其用作汽車消聲器芯。未來，單一的纖維已無法滿足NVH要求，復(fù)合吸聲纖維材料的應(yīng)用將越來越廣泛。

4.3 在汽車熱管理中的應(yīng)用

微結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)部微孔分為通孔和閉孔。閉孔結(jié)構(gòu)能夠抑制氣體在夾芯中流動，從而減小對流和熱輻射作用，因此，閉孔材料具有優(yōu)良的隔熱性能；反之，通孔材料有較小的流阻和較大的換熱面積，可以提高夾芯內(nèi)氣體與骨架的對流換熱效果，因此，通孔材料具有優(yōu)良的散熱性能[25]。微結(jié)構(gòu)優(yōu)化了材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，結(jié)合不同應(yīng)用場景，實現(xiàn)隔熱/導(dǎo)熱的合理應(yīng)用。

微結(jié)構(gòu)材料獨特的熱學(xué)性能使其在汽車熱管理中得到大量應(yīng)用，如動力電池、內(nèi)飾件等。

4.3.1 座艙的熱管理應(yīng)用

汽車座艙的保溫隔熱一直是新能源汽車節(jié)能降耗的關(guān)注重點，頂棚、地毯等零件覆蓋面積大、用戶感知強，是座艙進(jìn)行保溫隔熱的關(guān)鍵。圖15所示為某車型保溫隔熱頂棚，采用多層隔熱材料，并優(yōu)選導(dǎo)熱系數(shù)小且反射熱波能力強的材料制成復(fù)合隔熱材料，熱流透過率減少10%以上[26]。

4.3.2 動力電池的熱管理應(yīng)用

鋰離子電池在特定條件下存在燃燒或爆炸風(fēng)險，氣凝膠在解決這一問題上有很大的潛力。

氣凝膠是一種內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充滿氣體，外表呈現(xiàn)固體狀的多孔材料，是目前密度最低的固體材料，首先在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用[27]。與傳統(tǒng)隔熱材料相比，氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)極低，在同等隔熱條件下，僅為傳統(tǒng)材料的1/5～1/2，可有效阻隔電芯在大功率充放電時產(chǎn)生的熱量擴散，可在電芯發(fā)生熱失控時有效隔熱，可在電芯燃燒時達(dá)到A級阻燃延緩火勢蔓延，符合新能源汽車及動力電池更薄、更高效的保溫隔熱要求，通用別克微藍(lán)車型在國內(nèi)首次搭載氣凝膠技術(shù)，小米SU7也采用了氣凝膠進(jìn)行電池防護(hù)。

4.4 材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計理念出現(xiàn)并不斷完善，理念核心是在產(chǎn)品設(shè)計時將材料性能、零件性能與使用功能進(jìn)行有機結(jié)合，實現(xiàn)性能與功能最大化。

材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計的基本原理是通過對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和調(diào)控，實現(xiàn)材料宏觀上的性能和功能優(yōu)化。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要深入研究材料微觀結(jié)構(gòu)特點，掌握結(jié)構(gòu)與性能、功能之間的關(guān)系。同時，還需要掌握一系列的制備和加工方法，以實現(xiàn)對微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)控制。

材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計的基本步驟為：確定材料需要具備的性能和功能要求；結(jié)合要求，選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)；運用分析和計算方法，確定最佳的材料結(jié)構(gòu)；通過材料制備和加工技術(shù)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的精細(xì)控制；最終，完成材料及零部件性能和功能測試和驗證。

5 結(jié)束語

微結(jié)構(gòu)材料以其優(yōu)異的性能越來越受到青睞， 主要種類有多孔金屬、多孔陶瓷、泡沫塑料、夾芯結(jié)構(gòu)材料和3D打印微結(jié)構(gòu)材料，其性能及用途多種多樣。微結(jié)構(gòu)材料已在汽車安全、NVH、熱管理等方面實現(xiàn)應(yīng)用，充分展示了其在性能和功能提升方面的巨大潛力。材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化設(shè)計理念意義重大，在推動技術(shù)進(jìn)步、提升用戶感受、節(jié)約自然資源等方面均有重要影響。

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