现代工业发展对结构材料“轻量化、多功能化、集成化”的需求日益迫切，轻质、高强、隔热与隔声性能优异的泡沫铝三明治板材得到了越来越广泛的关注。如何高效且低成本地制备出性能优异与界面结合良好的泡沫铝三明治板材是制约其应用的关键。《泡沫铝三明治板材一体化制备、性能与应用》聚焦泡沫铝三明治板材的成型技术开发，提出了“一体化制备”的新路径，旨在为泡沫铝三明治板材的制备与应用提供一套完整解决方案。《泡沫铝三明治板材一体化制备、性能与应用》从理论基础、技术研发、性能表征到工程应用进行了系统阐述。《泡沫铝三明治板材一体化制备、性能与应用》*先综述了泡沫铝的分类与发展历程，分析了不同制备方法的原理、特点及适用场景；随后介绍了传统泡沫铝三明治板材的制备技术特点，重点阐述了一体化制备技术的设计理念、工艺流程、关键设备及参数控制；并通过实验研究，分析了一体化成型泡沫铝三明治板材（IFAFS）的压缩、弯*与抗侵彻性能，建立了力学性能与结构参数的关联模型；*后，结合典型实例，展示了其工程应用价值。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 泡沫材料的基本概念与特点 1
1.2 泡沫金属材料的分类及发展趋势 4
1.2.1 泡沫铝 4
1.2.2 泡沫镁 5
1.2.3 泡沫镍 7
1.2.4 泡沫钛 8
1.2.5 泡沫铜 9
1.2.6 泡沫钢 9
1.2.7 其他泡沫材料 10
1.3 泡沫材料在民用和国防工业中的潜在应用 10
参考文献 12
第2章 泡沫铝材料的发展 18
2.1 泡沫铝材料的起源 18
2.2 泡沫铝材料的结构 19
2.2.1 闭孔泡沫铝 19
2.2.2 开孔泡沫铝 20
2.3 泡沫铝材料的性能特点 20
2.3.1 泡沫铝材料的物理性能 20
2.3.2 泡沫铝材料的力学性能 20
2.3.3 泡沫铝材料的声学性能 21
2.3.4 泡沫铝材料的阻尼性能 21
参考文献 21
第3章 泡沫铝材料的制备技术 23
3.1 熔体发泡法 23
3.2 粉末冶金法 24
3.3 渗流铸造法 25
3.4 熔模铸造法 25
3.5 直接吹气法 26
3.6 空心微球法 27
3.7 电化学沉积法 27
3.8 两步法 27
3.9 气相蒸发沉积法 28
3.10 腐蚀造孔法 28
3.11 自蔓延高温合成法 28
参考文献 29
第4章 泡沫铝三明治板材制备技术 30
4.1 概述 30
4.1.1 泡沫铝三明治板材简介 30
4.1.2 泡沫铝三明治板材的应用 31
4.2 泡沫铝三明治板材的制备方法 33
4.2.1 物理连接法 34
4.2.2 冶金连接法 35
4.2.3 一体化成型制备法 40
参考文献 40
第5章 泡沫铝三明治板材一体化制备技术 45
5.1 浇注方式选择 45
5.1.1 模具直接发泡法 45
5.1.2 倾倒式浇铸法 48
5.1.3 下漏式浇铸法 49
5.2 一体化制备成型模具设计 51
5.2.1 水平式模具 51
5.2.2 垂直式模具 52
5.2.3 倾斜式模具 53
5.3 一体化制备成套设备设计 55
5.3.1 熔炼与浇铸系统设计 55
5.3.2 搅拌与框架系统设计 56
5.3.3 集成控制系统设计 57
5.3.4 一体化制备成套设备 58
5.4 泡沫铝三明治板材一体化制备工艺 59
5.4.1 工艺参数范围的确定 59
5.4.2 工艺流程 64
5.5 一体化成型泡沫铝三明治板材的宏微观结构 65
参考文献 70
第6章 一体化成型泡沫铝三明治板材的准静态压缩性能 72
6.1 概述 72
6.2 IFAFS的准静态压缩性能分析 72
6.3 IFAFS的动态压缩性能分析 76
6.4 IFAFS的变形过程和失效模式分析 78
6.5 IFAFS的有限元模拟分析 79
6.5.1 基体合金本构模型的建立 79
6.5.2 变形和失效机理分析 81
参考文献 83
第7章 一体化成型泡沫铝三明治板材的弯*性能 85
7.1 IFAFS的三点弯*性能 85
7.2 IFAFS的变形过程和失效模式分析 89
7.3 IFAFS的变形和失效机理分析 91
7.3.1 三点弯*的理论预测模型 91
7.3.2 裂纹萌生位置结构性分析 93
7.3.3 变形机理分析 95
7.3.4 损伤和失效机理分析 97
参考文献 99
第8章 一体化成型泡沫铝三明治板材的抗侵彻性能 102
8.1 概述 102
8.2 IFAFS的抗侵彻性能实验研究 102
8.3 变形过程和失效模式的宏观分析 105
8.3.1 子弹侵彻过程分析 105
8.3.2 侵彻失效模式分析 108
8.4 IFAFS侵彻过程变形和失效机理分析 109
8.4.1 有限元模拟分析 109
8.4.2 变形和失效机理分析 110
参考文献 111
第9章 一体化成型泡沫铝三明治板材的应用实例 113
9.1 一体化成型泡沫铝三明治板材在航空航天领域的应用实例 113
9.2 一体化成型泡沫铝三明治板材在武器装备领域的应用实例 116
9.2.1 空投防护装备 116
9.2.2 陆基防护装备 118
9.2.3 海洋工程装备 119
9.2.4 空中武器装备 120
9.3 一体化成型泡沫铝三明治板材在交通运输领域的应用实例 121
9.3.1 汽车工业应用 121
9.3.2 轨道交通应用 126
9.3.3 轮船船体应用 128
9.3.4 声屏障应用 128
9.4 一体化成型泡沫铝三明治板材在建筑领域的应用实例 130
9.4.1 建筑隔声和装饰应用 130
9.4.2 建筑防护应用 135
9.4.3 建筑防爆应用 136
9.4.4 建筑减振应用 138
9.5 一体化成型泡沫铝三明治板材在电子封装领域的应用实例 139
9.6 一体化成型泡沫铝三明治板材在机械制造领域的应用实例 140
9.7 一体化成型泡沫铝三明治板材在其他领域的应用实例 142
参考文献 143

第1章 绪论
　　世界的变化日新月异，目不暇接。人类的历史若按制造生产工具所用材料的种类划分，由*初的石器时代，经过青铜器、铁器时代，而今正跨入合成材料时代。材料是人类进化的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将促进文明的发展和技术的进步。
　　进入21世纪，面对矿石能源的日益枯竭，人类越来越意识到节约能源是社会经济发展的一个永恒话题，这不仅可为人类节约更多的财富，而且对环境保护大有裨益。目前，世界各国都将新材料的研究视为解决能源问题的重大科学领域，根据材料的类型和应用领域，新材料可划分为以下几类。
　　（1）工程结构材料：与航空航天工业的发展和地面交通运输工具的要求相适应的轻质、高比强度和高比刚度的新材料。日益增大的能源消耗和由此带来的环境污染迫使人们必须发展轻质高强度材料，从而实现系统减重，达到节能减排的目的。
　　（2）信息功能材料：与信息获取、传输、存储、显示及处理有关的材料。
　　（3）能源材料：能源结构材料、功能材料和含能材料。
　　（4）纳米材料：三维空间尺度至少有一维处于纳米量级的材料。
　　（5）生物材料：与医学和生物工程相关的材料。
　　（6）智能化材料：与信息产业相关的材料。
　　（7）生态材料：与环境工程相关的环境材料。
　　综上，适用于航空航天和地面交通运输工具的轻质、高比强度和高比刚度工程结构材料的开发和应用在新材料研究领域占有举足轻重的地位。泡沫材料因为具有密度小、比刚度和比强度大、比表面积大、减振性能好、隔声效果好、电磁屏蔽性能高、易回收等一系列优良特性，顺应了历史的发展潮流，逐渐进入人类历史的发展进程。
　　1.1 泡沫材料的基本概念与特点
　　泡沫材料是由大量微孔分散于固体基体中而形成的一类材料，这些微孔可以是开放连通的，也可以是封闭*立的。材料内部的大量气孔赋予了泡沫材料轻质、减振、隔热、吸声等诸多特性，使其在汽车工业、航空航天、建筑材料等多个领域广泛应用。如今，泡沫材料已经成为现代工业中不可或缺的一种材料。
　　目前常见的工业泡沫材料主要包括：泡沫混凝土材料、聚氨酯泡沫材料、泡沫陶瓷材料和泡沫金属材料。
　　（1）泡沫混凝土材料：1923年，科学家提出用预制气泡和水泥砂浆混合的方法来制备泡沫混凝土材料，从此泡沫混凝土的制备工艺及性能研究开始发展起来[1]。20世纪以来，泡沫混凝土开始在吸音材料、隔声材料、耐火材料等领域应用，并逐步形成了规模化应用，一直到20世纪30年代，是泡沫混凝土技术和应用的高速发展阶段[2-5]。近年来随着高层和超高层建筑的不断发展，减轻墙体自重成为人们关注的焦点。同时，为满足建筑节能和环保的要求，轻质混凝土成为近几年来研究的重点，其中泡沫混凝土由于轻质、节约材料、绿色环保、耐火性好、与建筑主体同寿命、成本低、来源广、有效利用废弃物如粉煤灰等，日益受到人们的关注，已越来越被广泛应用于建筑保温行业。其组成主要包括：①水泥：泡沫混凝土的主要成分，占总质量的80%左右；②发泡剂：主要有水解蛋白质和动物蛋白质等；③添加剂：主要包含纳米材料、粉煤灰等提高泡沫混凝土抗压强度的材料。泡沫混凝土的主要特点包括：①密度：一般控制在300～1500kg/m3；②抗压强度：受孔隙率和孔径影响较大，一般抗压强度在10～50MPa；③导热系数：泡沫混凝土的保温性能良好，其导热系数与传统膨胀珍珠岩相比低20%～60%。泡沫混凝土的不足之处：①密度较大，实验室一般很难制备出密度小于300kg/m3的样品；②抗冻性和持久性较差，不利于寒冷区域的大范围推广；③比强度和比刚度低；④后期干燥收缩大，墙体易产生裂缝。
　　（2）聚氨酯泡沫材料[6]：是一种重要的聚氨酯合成材料，主要分为软质泡沫材料和硬质泡沫材料。我国聚氨酯（PU）泡沫材料的生产起始于20世纪50年代，主要是软质泡沫材料，主要用于家具衬垫与装饰材料、车用垫材、建筑吸音材料、体育垫材以及床垫和仪器包装材料等方面。60年代中期，我国开始生产硬质PUR泡沫材料，主要用于船舶、石油化工管道、冰箱、冷库行业等。国外硬质PUR泡沫塑料主要应用于建筑业，占硬质泡沫塑料消费量的50%以上。聚氨酯泡沫材料的主要特点：①防水性能好：聚氨酯硬泡体连续致密的表皮和近于100%的高强度互连闭孔蜂窝，具有理想的不透水性和良好的水蒸气渗透阻；②保温隔热性能好：导热系数低于0.024W/(m K)，优于传统的保温材料；③强度：硬泡体密度大于55kg/m3，其抗压强度大于400kPa；④延伸率：改性PUR硬泡体的断裂延伸率高达13%[7]；⑤耐久性和阻燃性能好：适应环境温度范围大、阻燃，且耐弱酸、弱碱、植物油和矿物油及工业废气等化学物质的侵蚀，化学稳定性高[8]。聚氨酯泡沫的不足之处：①抗变形能力差；②阻燃性能有待进一步提高；③生产成本较高。
　　（3）泡沫陶瓷材料：泡沫陶瓷是一种造型上像泡沫的多孔陶瓷。这种高技术陶瓷具有三维连通孔道，同时对其形状、孔尺寸、渗透性、表面积及化学性能均可进行适度调整变化。作为一种新型的无机非金属过滤材料，泡沫陶瓷具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点[9，10]。其应用领域主要包括：①环境材料：泡沫陶瓷在汽车催化转化器中的应用已经有很长时间；除臭用的泡沫陶瓷催化器能使废水中有机溶剂、恶臭气体催化燃烧，达到除臭净化的目的。②吸声材料：泡沫陶瓷具有大量的从内到外的三维互相贯通的网状小孔结构，当声波传入泡沫陶瓷内部引起孔隙中的空气振动，并与陶瓷筋络发生摩擦，由于黏滞作用声波转换为热能而消耗，从而达到吸收噪声的效果。③隔热材料：泡沫陶瓷中闭气孔的存在，降低了其放热效率，减少了热传播过程中的对流，使泡沫陶瓷具有导热系数低、抗热振性能优良等特性，是一种理想的耐热材料[11]。④生物材料：用添加造孔剂和制备泡沫陶瓷的方法研制多孔羟基磷灰石生物陶瓷，其相互连通的孔隙有利于组织液的微循环，促进细胞的渗入和生长。泡沫陶瓷材料的不足之处：①延展性差；②应用领域较少。
　　（4）泡沫金属材料：泡沫金属材料是一种以金属为基体，内部随机分布三维孔洞的金属材料，是20世纪80年代后期在国际上迅速发展起来的一种具有优异物理和机械性能的新型多功能结构材料[12]。根据孔洞之间的连通性可分为开孔（open-cell）泡沫金属材料和闭孔（closed-cell）泡沫金属材料，如图1.1所示。闭孔泡沫金属因为密度小、比刚度大、比表面积大、减振性能好、隔声效果好、电磁屏蔽性能高等一系列良好性能，在许多领域受到广泛关注[12-15]。主要特性如下：①密度小：由于泡沫金属中存在气泡，因此它具有较小的密度。以泡沫铝为例，其密度范围为0.2～0.59 g/cm3，为纯铝的1/10～1/5。②耐热性好：泡沫金属有较高的耐热性，温度达到基体合金的熔点也不熔化，因而泡沫金属有望成为耐热的结构材料。③刚性强：泡沫金属延展性差，拉伸试验很难测出其拉伸率，弹性模量是基体金属的1/100～1/50。泡沫金属质脆，与原料合金不同，当发生大的变形时，其蜂窝组织产生破坏；反之，如果蜂窝组织达不到破坏强度，泡沫铝不会产生变形。④抗冲击性好：泡沫金属不具有方向性，也不具有反弹作用，它有很好地吸收冲击性能和减振性能，是制造抗冲击部件的良好材料，也是精密仪器的理想包装材料，可应用到汽车、飞机、坦克等各种防振机构。⑤隔声性好：优良的隔声性能，作为建筑材料，能大大降低噪声污染，提高人类的生活质量。⑥保温性能好：泡沫金属材料的导热系数比纯金属材料小得多（如泡沫铝导热系数为纯铝的l/400），因而具有较好的保温性能。
　　图1.1 泡沫金属材料：（a）开孔结构；（b）闭孔结构
　　1.2 泡沫金属材料的分类及发展趋势
　　1.2.1 泡沫铝
　　在众多的泡沫金属中，泡沫铝是*早、*适宜实现产业化和应用*广泛的泡沫金属材料，在国内外泡沫金属研究中*成熟的也是泡沫铝。泡沫铝是由铝/铝合金基体和气孔（闭孔或通孔）复合而成的新型轻质结构与功能一体化材料。其特殊的结构决定了它的轻质、高孔隙率、高比表面积等特点，使其具有许多致密金属所没有的特殊性能，如很强的能量吸收性、抗冲击性、高比强度、电磁屏蔽性、高吸声隔声性能、高阻尼性、低热（电）导率等优良性能[16-21]。20世纪50年代后期，由Sosnick等提出利用汞在铝中汽化而制取泡沫铝的想法，随后美国科学家Elliott将发泡剂（TiH2，ZrH2）加入纯铝溶液中，在一定温度下使其分解产生气体，于1956年成功地生产出泡沫铝[22]，标志着泡沫铝研制的开始。这种利用熔体发泡法生产泡沫金属的研究在世界范围内得到了关注。在*初的研究过程中泡沫铝的发展比较缓慢，由于发泡工艺不稳定、气泡结构均匀性不易控制、材料性能的再现性低、生产成本高等，泡沫金属的发展和应用都受到了很大限制[23]。20世纪80年代初，泡沫铝的质轻、隔声、阻燃、吸能和电磁屏蔽等优点开始受到材料界科学家的高度关注，很多国家加大了对泡沫金属的研究。比较有代表性的有：Yang和Hur采用全新的程序升温分解（temperature programmed decomposition，TPD）理论获得了闭孔泡沫铝合金制备过程中氢化钛（TiH2）的热分解动力学方程组[24]。Orbulov和Ginsztler研究了不同工程因素下复合闭孔泡沫铝合金材料在铸态和T6热处理条件下的压缩变形行为[25]。Gibson系统地研究了闭孔泡沫铝在准静态和动态压缩条件下的变形行为[16]。Markaki和Clyne研究发现闭孔泡沫铝合金的孔壁微观结构对泡沫铝的准静态压缩行为具有显著的影响[26]。Campana和Pilone研究了热处理条件下闭孔泡沫铝合金的单轴压缩变形特性[27]。Mukai等[28]、Deshpande和Fleck[29]分别报道了不同闭孔泡沫铝合金在高应变速率下的压缩变形行为。Nakajima等讨论了低速率撞击过程中闭孔泡沫铝合金对冲击能的吸收情况[30]。进入21世纪，闭孔泡沫铝产业化得到了迅速发展，目前，在一些国家的工业生产商已经实现了泡沫铝从发泡到成型的连续生产，如Shinko-Wire、Neuman-Alufoam GmbH、Cymat、Schunk、、Karman等公司，并且不断有新的公司加入他们的行列。在泡沫金属性能的研究方面，美国哈佛大学、德国Fraunhofer先进材料研究所、韩国国立庆尚大学、英国剑桥大学、日本东京大学等都取得了不错的成果[31]。美国陆军办公室将集低密度、多方向能量吸收与耗散等多项性能于一体的泡沫金属作为新型功能材料研究和开发的重点。德国将泡沫金属用作电梯夹层板材料，Karman公司利用复合泡沫铝材制造出了性能优越的吉雅轻便轿车（Ghia Roadster）。美国ERG公司通过“Duocel”方法制得的泡沫金属材料已经成功应用于美国航天飞机。日本神户钢铁公司开发的亚尔波拉斯泡沫铝材也在日本的高速列车制造中得到应用。此外，泡沫金属的吸声隔声、电磁屏蔽、阻燃、散热等方面的性能也得到了广泛的研究[16，21，32-35]。我国对泡沫金属材料的研究开始于20世纪80年代，一批科研机构和院校先后开展了泡沫铝材料的研究，经过多年的探索取得了可喜的研究成果[36-44]。目前，在泡沫铝的制备方法和某些性能测试方面已接近世界水平，但总体研究水平还是落后于发达国家。
　　1.2.2 泡沫镁
　　泡沫镁按气孔连通性可分为闭孔泡沫镁和开孔泡沫镁两种，都具有良好的阻尼、抗冲击、电磁屏蔽、吸声隔声性能以及生物相容性能。与铝合金相比，镁合金的密度更小，具有比强度和比刚度高，阻尼吸振性、导热性和抗电磁干扰性好，易于回收等优点[45]。此外镁基材料与致密骨的差异比钛和不锈钢小得多，具有更优越的生物相容性和力学相容性，具有其他金属无法比拟的可吸收降解性[46]。因此，泡沫镁材料不仅在汽车、航空航天、造