金屬空心球復(fù)合材料的研究進(jìn)展

于天淼，高華兵，王春鶴，范琦琪，曹夢馨，姜風(fēng)春，果春煥

(1.哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)(2.青島哈船材料成型研究院有限公司，山東 青島 266000)

1 前 言

泡沫金屬是一類含大量孔隙結(jié)構(gòu)的金屬固體材料，具有較大的孔隙率、比表面積、比強(qiáng)度、比剛度以及良好的吸能、減振降噪、隔熱及屏蔽輻射等特性，在航空航天、石油化工、核能、建筑、汽車等行業(yè)具有巨大的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的泡沫金屬材料制備方法，大都采用傳統(tǒng)的發(fā)泡制備技術(shù)[1-3]，然而，采用傳統(tǒng)制備技術(shù)得到的泡沫金屬，其孔隙尺寸及分布均勻性難以控制，導(dǎo)致性能不均勻。近年來，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復(fù)合泡沫金屬材料，該復(fù)合材料可以有效解決孔隙尺寸不均勻的問題，成為現(xiàn)有多孔材料的研究熱點(diǎn)[1, 4-11]。金屬空心球復(fù)合材料是通過一定的制備工藝[7, 8]，將空心球均勻分布于金屬基體中，進(jìn)而制備出含有空心球結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料。由于金屬空心球復(fù)合材料的孔隙分布均勻，尺寸相對(duì)均一，相比于傳統(tǒng)的泡沫金屬，具有更為優(yōu)良的力學(xué)性能、阻尼和吸能特性[5, 7, 9]、屏蔽輻射性能[10]和隔熱特性[11]。

本文從金屬空心球的制備工藝與性能，金屬空心球復(fù)合材料的制備工藝與性能、影響其性能的因素以及金屬空心球復(fù)合材料的應(yīng)用等方面，綜述了國內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展及應(yīng)用，揭示了目前存在的研究難點(diǎn)與熱點(diǎn)問題，并提出了金屬空心球及其復(fù)合材料的未來發(fā)展方向。

2 金屬空心球的制備工藝和性能研究

2.1 金屬空心球制備工藝

金屬空心球的制備方法主要分為兩大類：去芯法與無芯法。去芯法是以聚合物球形微?；蛘哳w粒前驅(qū)體為模板，通過涂覆、粘附、吸附、沉淀反應(yīng)、溶膠-凝膠作用等手段在模板核外包覆一層一定厚度的金屬料漿(或前驅(qū)體)，形成核殼結(jié)構(gòu)，之后通過熱處理或溶劑溶解除去內(nèi)芯模板，得到所需空心球結(jié)構(gòu)。常見的去芯法按殼的形成方式可以分為兩類：混合涂覆法和表面燒結(jié)法。無芯法是指在制備金屬空心球時(shí)使用惰性壓縮氣體制備空心結(jié)構(gòu)的方法。常見的無芯法主要包括噴霧干燥法和霧化法。此外，尺寸較小的空心微球(微米級(jí)別)大多是通過液相化學(xué)反應(yīng)制備而成的。

2.1.1 混合涂覆法

混合涂覆法一般采用聚合物小球作為模板，將金屬粉末與偶聯(lián)劑、粘結(jié)劑等混合制成料漿，再將金屬料漿均勻地涂覆在聚合物小球表面，通過高溫?zé)Y(jié)除去粘結(jié)劑和聚合物小球，得到空心結(jié)構(gòu)[4]。

遲煜頔等[12]以聚苯乙烯球作為模板，將金屬料漿和聚苯乙烯球加入到離心模具中，在離心時(shí)間為20～200 min、轉(zhuǎn)速為2000～4000 r/min、干燥溫度為60～90 ℃的條件下，獲得涂覆素胚，再通過粉末冶金工藝進(jìn)行燒結(jié)，最后得到金屬空心球，該方法可制備直徑為2～4 mm的不銹鋼和鎳鉻合金空心球。李智偉等[13]以聚苯乙烯球作為模板，將K405合金粉配置成料漿，通過涂覆法和粉末冶金法，燒結(jié)制備了直徑為3 mm、壁厚為0.1 mm的K405金屬空心球。

目前，金屬空心球的制備大部分采用上述涂覆、黏附和吸附等傳統(tǒng)方法，導(dǎo)致所加工的金屬空心球的直徑以及球的表面光滑度等很難控制。因此，金屬空心球的機(jī)械化生產(chǎn)一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。Andersen等[14]以聚苯乙烯球?yàn)槟０?，將金屬流化床技術(shù)與粉末冶金技術(shù)結(jié)合，制備了多種尺寸(直徑為0.5～3 mm)的316L不銹鋼空心球，其工藝流程如圖1所示。Stephani等[15]采用流化床噴涂技術(shù)制備了Cu，Ni，Ti等金屬空心球，制得的空心球直徑為0.5 mm。Yu等[16]和Behnam等[17]將金屬料漿旋轉(zhuǎn)噴涂在發(fā)泡聚苯乙烯小球上，分別獲得了Ti-7Ni-0.5B和低碳鋼空心球前驅(qū)體材料，經(jīng)燒結(jié)制備得到空心球結(jié)構(gòu)。

圖1 金屬流化床技術(shù)結(jié)合粉末冶金技術(shù)制備金屬空心球的流程圖[14]Fig.1 Flow chart of hollow metal spheres prepared by metal fluidized bed technology and powder metallurgy technology[14]

除傳統(tǒng)燒結(jié)方法外，Yu等[16]利用微波輔助燒結(jié)法制備了Ti-7Ni-0.5B空心球結(jié)構(gòu)。微波燒結(jié)具有加熱快、快速致密化的特點(diǎn)，有研究表明[18]，經(jīng)微波燒結(jié)的金屬材料具有更均勻的顯微組織、較低的燒結(jié)密度和較優(yōu)的力學(xué)性能。微波在1200 ℃下對(duì)Ti的影響深度約為12 μm，因此與傳統(tǒng)塊體材料相比，微波燒結(jié)更適用于薄壁空心球結(jié)構(gòu)。當(dāng)燒結(jié)溫度高于1120 ℃時(shí)，相鄰空心球的球殼外部會(huì)熔化，使得空心球緊密相連，從而形成泡沫結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)混合涂覆法工藝步驟繁瑣，制備金屬空心球的成功率與生產(chǎn)效率較低，且耗時(shí)過長，因此金屬空心球的自動(dòng)化生產(chǎn)也是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。而金屬流化床技術(shù)的發(fā)展使金屬空心球的自動(dòng)化批量生產(chǎn)成為可能，理論上可制備出任何種類的金屬空心球，但是由于其成本高昂、工藝繁雜，現(xiàn)階段推廣應(yīng)用仍較為困難。由此可見，金屬空心球的制備技術(shù)仍是現(xiàn)階段有待進(jìn)一步研究的主要內(nèi)容。

2.1.2 反應(yīng)燒結(jié)法

反應(yīng)燒結(jié)法一般是利用物理或化學(xué)反應(yīng)，將金屬離子沉積在內(nèi)層模板表面，再通過燒結(jié)或蝕刻等手段除去內(nèi)芯模板。電沉積是金屬離子沉積過程中較為常用的技術(shù)，是利用金屬離子溶液，通過電鍍將金屬離子沉積在聚合物基體表面，然后除去內(nèi)芯模板，得到金屬空心球。

李釩等[19]將球形碳材料作為載體，以含有鉑、鈀和金等可溶性化合物的溶液作為活化劑，含有鎳、鈷、鎳鈷鍍覆金屬的鹽為主鹽，聯(lián)氨為還原劑，采用分批加入或連續(xù)滴加還原劑的措施，在載體上進(jìn)行化學(xué)鍍膜，除去載體后，獲得球壁均勻的鎳、鈷、鎳鈷空心球。周娟等[20]使用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)聚苯乙烯微球進(jìn)行表面改性，將微球放入氯金酸溶液中，加熱使金離子固定在微球表面，再通過原位還原反應(yīng)，得到金納米顆粒包裹聚苯乙烯微球的核殼結(jié)構(gòu)。胡永紅等[21-23]以二氧化硅顆粒作為模板、金納米顆粒作為表面晶種，使用NaOH溶液去除模板，制備了殼厚度可控的鎳空心球，研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)成鎳空心球的鎳納米顆粒呈針狀排列。鄧意達(dá)等[23-25]通過化學(xué)反應(yīng)制備了氫氧化鎳膠體，通過膠核表面的自催化還原反應(yīng)分解膠核，表面形成鎳層，最后獲得超細(xì)空心鎳球，研究發(fā)現(xiàn)鎳球的粒度尺寸與反應(yīng)物濃度和NaOH配比密切相關(guān)。

Dokoutchaev等[26]將鉑、鈀和金等金屬的陰離子膠體、氧化物或氫氧化物電沉積在聚苯乙烯微球表面，再通過燒結(jié)或化學(xué)方法除去內(nèi)部微球，獲得空心金屬微球。Yin等[27]使用硫代乙酰胺和醋酸鋅溶液，超聲波振蕩處理ZnS/聚苯乙烯微球，在600 ℃的氮?dú)夂蜌錃鈿夥障拢瑢?duì)微球核殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，形成空心ZnS微球。Song等[28]以鈷的氫氧化物Co(OH)2為模板，在其表面通過化學(xué)鍍法獲得了Co(OH)2/Co-B核殼結(jié)構(gòu)，之后使用絡(luò)合劑溶解了內(nèi)芯Co(OH)2，最終得到了尺寸均勻的空心Co-B微球。

由此可見，反應(yīng)燒結(jié)法可有效獲得尺寸較小的金屬空心結(jié)構(gòu)，故被廣泛應(yīng)用于空心金屬微球的制備。在反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)中，內(nèi)芯模板既可以是有機(jī)/無機(jī)微球，也可以是反應(yīng)生成的金屬膠核。然而，對(duì)自生產(chǎn)的金屬膠核的尺寸控制相對(duì)比較困難，這直接影響了制備的金屬空心球的尺寸。

2.1.3 噴霧干燥法

目前，噴霧干燥法是較為常用的一種工業(yè)生產(chǎn)粉體材料的方法，也被廣泛應(yīng)用于金屬空心球的制備。噴霧干燥技術(shù)是一種較好的從料液中獲得超微干粉料的方法，料液的形式包含溶液、乳濁液、懸浮液等[29, 30]。噴霧干燥技術(shù)的工藝流程為：首先將粉末固體分散到有機(jī)溶劑中形成溶液料漿，再通過噴嘴將分散液噴灑霧化形成液滴，液滴在反應(yīng)容器中經(jīng)高溫處理除去有機(jī)溶劑，并使溶劑部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)致密化，最終獲得金屬空心球。

Iida等[31]利用噴霧干燥技術(shù)將鈦酸鹽膠體懸浮液霧化，并分別在400和650 ℃下加熱分解鈦酸鹽，獲得了粒徑尺寸為10～20 μm的二氧化鈦空心球。Qi等[32]首次采用離心噴霧干燥法制備氧化鋁空心球，其工藝流程如圖2所示，即將氧化鋁料漿通過霧化盤的噴嘴以液滴形式噴灑在干燥塔內(nèi)，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后獲得氧化鋁空心球。

圖2 離心噴霧干燥法制備氧化鋁空心球的示意圖[32]Fig.2 Schematic of preparation of Al2O3 hollow spheres by centrifugal spray drying method[32]

相比于模板法，噴霧干燥法在制備工藝上擺脫了模板的束縛，更為快捷簡便。在生產(chǎn)過程中，料漿的滲透率越大，生產(chǎn)效率越高。此外，金屬空心球的力學(xué)性能與其尺寸、缺陷等因素有關(guān)，因此如何實(shí)現(xiàn)精確控制霧化盤噴灑出的液滴尺寸，是未來采用該方法制備金屬空心球的研究重點(diǎn)。

2.1.4 霧化法

霧化法是以噴霧干燥法為基礎(chǔ)，利用同軸噴管裝置，實(shí)現(xiàn)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)空心球的一種先進(jìn)技術(shù)手段。霧化法的原理是：在金屬熔體的霧化過程中，由于霧化時(shí)部分金屬熔體會(huì)包裹氣體，會(huì)產(chǎn)生部分金屬空心微粒，這些金屬空心結(jié)構(gòu)可以通過浮選法分離出來，再經(jīng)過后處理獲得金屬空心球。

Torobin[33, 34]利用霧化法研發(fā)了一系列制備金屬空心微球的方法，其團(tuán)隊(duì)將同軸噴嘴設(shè)備與氣體注入設(shè)備相結(jié)合，研發(fā)了一種通過霧化分散金屬分散液(含分散粒子、粘合劑、膜穩(wěn)定劑和連續(xù)液相)，并經(jīng)高溫?zé)崽幚砼c后處理，最終獲得球殼孔隙分散均勻、尺寸統(tǒng)一、球殼封閉的金屬空心微球的制備工藝。

金屬分散液在霧化過程中，由于高溫金屬極易被氧化，因此注入的氣體一般為惰性氣體，周圍環(huán)境一般也要是真空環(huán)境或存在惰性氣體保護(hù)[35, 36]。此外，封閉空心微球膜形成的原因是金屬分散液的表面張力作用，球膜容易破裂，因此要選擇合適的粘結(jié)劑與分散劑加入到金屬分散液中，氣體注入的速率也不宜過快[37, 38]。金屬分散液的粘度也會(huì)影響到空心球結(jié)構(gòu)的尺寸大小與完整性，而這可以通過控制加熱溫度來進(jìn)行工藝探索。

2.1.5 液相合成法

液相合成法通常應(yīng)用于制備尺寸極小的金屬及金屬氧化物空心微結(jié)構(gòu)。Ni等[39]將Na2S2O3加入到CuSO4水溶液中，室溫條件下靜置7 d，由于過量的S2O32-離子存在吸附作用，其會(huì)自組裝形成Cu2-xS空心球結(jié)構(gòu)。Yin等[40]利用Kirkendall效應(yīng)合成空心納米晶體結(jié)構(gòu)，其原理是兩種擴(kuò)散速率不同的金屬在擴(kuò)散過程中兩種金屬的界面處會(huì)形成孔洞，該團(tuán)隊(duì)利用這一機(jī)制合成了鉑鈷氧化物空心納米結(jié)構(gòu)。Ge等[41]通過水油液面合成技術(shù)，以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽為輔助離子液體，合成了巢狀CuS空心微球結(jié)構(gòu)。Tao等[42]采用無模板液相法制備了Zn/Cu復(fù)合空心微球，通過改變反應(yīng)溫度，該團(tuán)隊(duì)獲得了不同鋅銅質(zhì)量比的Zn/Cu復(fù)合空心微球，研究發(fā)現(xiàn)其氧化物層主要是Cu2O。Sun等[43]通過溫和的無模板水熱法與熱分解法，利用納米粒子的自組裝合成了直徑約為2.2 μm的Cr2O3空心微球。

液相合成法的原理主要包括離子的自組裝與金屬擴(kuò)散原理等，該方法的反應(yīng)條件相對(duì)溫和，能耗較低，可獲得尺寸僅有幾微米的空心結(jié)構(gòu)，且該空心結(jié)構(gòu)不局限于球狀結(jié)構(gòu)，亦包括巢狀等多面體結(jié)構(gòu)。

2.2 金屬空心球的性能研究

金屬空心球復(fù)合材料是一種新型多孔金屬材料，單個(gè)金屬空心球的性能對(duì)整體空心結(jié)構(gòu)有很大影響。一般來說，針對(duì)金屬空心球性能的研究主要集中在其力學(xué)性能上，特別是對(duì)沖擊作用下的壓縮性能研究是目前研究的熱點(diǎn)。金屬空心球的壓縮性能研究一般采用準(zhǔn)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，被測試樣形式包括半球殼[44]、單空心球[45, 46]、直接堆積和膠合堆積的兩球、三球金屬空心球列組元等[47]，通過得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及所對(duì)應(yīng)的壓縮變形過程來研究其力學(xué)性能。

金屬空心球的單球壓縮變形過程可分為以下幾個(gè)階段：局部壓平、軸對(duì)稱凹陷、非對(duì)稱變形、內(nèi)表面相互作用、球側(cè)壁失效階段以及球體密實(shí)階段[48, 49]。在壓縮過程中，壓頭的加載速率越大，球殼底部就越早發(fā)生凹陷，空心球的不對(duì)稱變形越嚴(yán)重。此外，金屬空心球半徑與壁厚的比值也會(huì)影響壓縮性能，比值越大越易發(fā)生非對(duì)稱變形。

3 金屬空心球復(fù)合材料的制備工藝和性能研究

3.1 金屬空心球復(fù)合材料的制備工藝

金屬空心球復(fù)合材料的制備過程就是將金屬空心球作為填充相、金屬材料作為基體，通過粉末冶金法、壓力浸滲法和重力鑄造法等制備得到金屬空心球復(fù)合材料。

3.1.1 粉末冶金法

粉末冶金是一種以金屬粉末或復(fù)合粉末(金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法制備空心球復(fù)合材料的過程是先將空心球放置在模具內(nèi)并控制其幾何排布，將它們排列成所需的堆積結(jié)構(gòu)；隨后加入金屬粉末并進(jìn)一步振動(dòng)使之完全填滿球體之間的空隙；最后將預(yù)制的材料及模具按照一定的工藝進(jìn)行加熱燒結(jié)，同時(shí)在燒結(jié)過程中對(duì)材料施加一定的壓力。該方法目前可用于制備鐵、不銹鋼、鋁等多種基體的金屬空心球復(fù)合材料[50, 51]，與其他方法相比，其工藝流程較短且操作簡單。采用粉末冶金工藝時(shí)，需注意金屬空心球材質(zhì)的熔點(diǎn)要高于基體材質(zhì)的熔點(diǎn)，通常選用基體金屬材料熔點(diǎn)溫度的80%～90%作為最終燒結(jié)溫度[8]，燒結(jié)過程中的保溫時(shí)間要適當(dāng)，否則會(huì)影響金屬空心球殼體與基體的結(jié)合情況。

3.1.2 壓力浸滲法

壓力浸滲法是將預(yù)制的金屬空心球及模具加熱到適當(dāng)溫度后，施加壓力讓金屬溶液浸滲入預(yù)制塊，待材料緩慢凝固后獲得空心球復(fù)合材料的制備方法。有研究團(tuán)隊(duì)采用壓力浸滲的方法，分別選擇1199、2024、5051、7075等多種型號(hào)的鋁合金作為基體，以飛灰空心球作為填充物，將飛灰空心球放入模具內(nèi)預(yù)熱，再將熔化的鋁合金液體加入模具中并施加一定的壓力讓鋁液滲透，冷卻獲得了一系列空心球體積含量為60%～70%的空心球復(fù)合材料，并采用有限元分析方法對(duì)其彈性模量進(jìn)行了數(shù)值模擬[5, 6]。

壓力浸滲法常被用來制備鋁基等熔點(diǎn)較低的金屬泡沫材料，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是所制備的材料組織中孔洞缺陷較少等，在使用壓力浸滲法時(shí)，金屬空心球的預(yù)熱溫度與金屬液體的澆鑄溫度要選擇適當(dāng)，過低會(huì)出現(xiàn)滲流不足現(xiàn)象，而過高會(huì)出現(xiàn)滲流過度現(xiàn)象。

3.1.3 重力鑄造法

重力鑄造法是一種通過重力將熔融金屬澆入鑄型獲得鑄件的制備方法。Rabie等[7]采用重力鑄造法制備了以低碳鋼、不銹鋼等金屬空心球?yàn)樘畛湎?、A356鋁合金為基體的空心球復(fù)合材料，具體的工藝流程為：先將金屬空心球密排于不銹鋼永鑄模具內(nèi)，再將模具與鋁液都預(yù)熱到700 ℃，將熔融的鋁澆注到模具中以填充球體之間的間隙，待模具冷卻后，將試樣移出。并對(duì)所獲得的金屬空心球復(fù)合材料分別從吸能、隔熱、減振、抗沖擊等性能方面開展系列研究，深入探討了該材料的吸能減振特性和隔熱機(jī)理。

使用這種制備工藝時(shí)需注意，模具預(yù)熱溫度與鋁液溫度不宜過低，否則會(huì)出現(xiàn)鋁液過早凝固的現(xiàn)象。相比于壓力浸滲法，重力鑄造技術(shù)的成本更低、可行性更高，適用于大批量生產(chǎn)金屬空心球復(fù)合材料。此外，重力鑄造的鑄件通常不需要任何后續(xù)熱處理就能表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能[51]。

3.2 金屬空心球復(fù)合材料的性能研究

金屬空心球復(fù)合材料具有特殊的多孔結(jié)構(gòu)，是一種良好的減振降噪和隔熱材料，并具有良好的綜合性能。通過改變加工工藝、金屬空心球尺寸、壁厚、排布以及基體和球體材料等，可以調(diào)控金屬空心球復(fù)合材料的性能，這是其他實(shí)心材料無法比擬的。其性能數(shù)據(jù)不僅可以用于特殊應(yīng)用的評(píng)估，也可用于建立數(shù)據(jù)庫幫助包含該種材料的多孔材料或元件的計(jì)算機(jī)輔助建模。但金屬空心球復(fù)合材料中的“隱藏參數(shù)”，如質(zhì)量分布、非均質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)等，使得試驗(yàn)結(jié)果分散性較大。因此，為了獲得有意義的數(shù)據(jù)及評(píng)估隱藏參數(shù)，與進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測試的非多孔材料相比，獲得金屬空心球復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)，需要對(duì)大量的樣品進(jìn)行測試，以發(fā)現(xiàn)其準(zhǔn)確規(guī)律。

3.2.1 吸能特性

金屬空心球復(fù)合材料是一種很好的吸能材料，與傳統(tǒng)泡沫材料相比，基體的存在加強(qiáng)穩(wěn)固了空心球球壁，減少了材料在載荷作用下屈曲的可能性，使材料具有更強(qiáng)的能量吸收能力。同時(shí)，受到?jīng)_擊作用時(shí)，金屬空心球復(fù)合材料可以通過球壁的彎曲及斷裂、金屬空心球內(nèi)孔隙流體的作用等來提高材料的能量吸收能力。用相似的材料制備而成的金屬空心球復(fù)合材料與傳統(tǒng)泡沫材料相比，能量吸收可以提升7～8倍；且在相同承載下比塊狀結(jié)構(gòu)的同種材料吸收的能量高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)[5, 9, 52]。Alvandi-Tabrizi等[53]對(duì)粉末冶金法制備的鋼-鋼空心球復(fù)合材料(基體材料為316L不銹鋼，空心球材質(zhì)為低碳鋼，S-S CMFs)和鋁-鋼空心球復(fù)合材料(基體材料為A365鋁合金，空心球材質(zhì)為低碳鋼，Al-S CMFs)的高形變速率壓縮行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，試樣的屈服強(qiáng)度及平臺(tái)應(yīng)力隨著加載速率的增加而升高。但當(dāng)應(yīng)變達(dá)到30%時(shí)，平臺(tái)應(yīng)力強(qiáng)度收斂到準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的載荷情況。這種強(qiáng)化行為是由于高速荷載導(dǎo)致的能量吸收能力顯著提高，主要?dú)w因于基體的應(yīng)變率敏感性及球體內(nèi)部的空氣阻力。Neville等[8]分別對(duì)采用粉末冶金法和鑄造法制備的金屬空心球復(fù)合材料試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明：復(fù)合泡沫材料受載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線一般分為3個(gè)階段：彈性區(qū)(應(yīng)變上升至5%左右)、應(yīng)力平臺(tái)區(qū)(在很大的塑性應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力相對(duì)恒定)和致密化區(qū)(應(yīng)變在50%～60%)，達(dá)到致密化區(qū)前應(yīng)力-應(yīng)變曲線下對(duì)應(yīng)的面積一般為空心球復(fù)合材料吸收的能量。彈性區(qū)持續(xù)時(shí)間短、吸收能量少。而在應(yīng)力平臺(tái)區(qū)，孔隙的屈服壓損等會(huì)在近乎恒定的載荷下產(chǎn)生大量的能量吸收。

金屬空心球復(fù)合材料與其他金屬泡沫材料的性能有較大差距，從表1(S代表不銹鋼，LC代表低碳鋼)可以發(fā)現(xiàn)，在金屬空心球復(fù)合材料中，隨著平臺(tái)壓縮強(qiáng)度的增加，材料的能量吸收也隨之增加。相比于其他金屬材料，金屬空心球復(fù)合材料不存在快速應(yīng)變積累，也沒有在多孔結(jié)構(gòu)單元上優(yōu)先形成折疊帶；在壓縮過程中是整個(gè)樣品表現(xiàn)出均勻的變形分布，直到致密為止；雖然存在局部變形，但并沒有坍塌帶的形成[7, 8, 51, 54]。而在其他泡沫金屬中，坍塌帶會(huì)在泡沫結(jié)構(gòu)的薄弱部分形成，限制了泡沫材料的力學(xué)性能。

表1 金屬空心球復(fù)合材料與其他金屬泡沫材料的性能比較Table 1 Performance comparison of metal hollow spheres composites and other metal foam materials

3.2.2 聲學(xué)性能

金屬空心球復(fù)合材料在降低噪聲的同時(shí)還具有較高的強(qiáng)度和韌性，與其他吸聲材料相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，故其聲學(xué)性能的研究也同樣重要。通?？梢允褂米杩构軐?duì)金屬空心球復(fù)合材料的吸聲特性進(jìn)行快速精確的測量[58-60]。阻抗管只能對(duì)垂直入射的聲波樣品進(jìn)行表征，它由一端的盤狀樣品(在聲音發(fā)射器和后墻有一個(gè)可變的距離)和對(duì)面端的探測器組成。一般來說，測量得到的衰減是作為頻率的一種函數(shù)。如果樣品和阻抗管尾部之間的孔穴也發(fā)生變化，那么會(huì)獲得一系列關(guān)于吸收系數(shù)對(duì)頻率的函數(shù)。具有封閉孔隙的金屬空心球復(fù)合材料有相同的獨(dú)立于孔穴的吸收曲線，這是由于聲音難以穿透樣品，吸收僅發(fā)生在表面。因此有必要對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行測量，尤其是當(dāng)管直徑較小時(shí)，應(yīng)對(duì)每一個(gè)樣品進(jìn)行兩次測量，每次測量選取其側(cè)邊的一個(gè)方向進(jìn)行。

Stephani等[61]利用Kundt’sche管、冷斬波器發(fā)動(dòng)機(jī)和熱機(jī)試驗(yàn)對(duì)燒結(jié)316L MHSS(metal hollow sphere structure)的吸聲性能進(jìn)行了研究，當(dāng)測試頻率在1000 Hz附近時(shí)，MHSS的吸聲能力明顯高于玻璃棉結(jié)構(gòu)，聲級(jí)可降低10～15 dB。該材料的真實(shí)熱機(jī)試驗(yàn)(BMW 2.4 TDI)結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1500 r/min時(shí)，MHSS的聲級(jí)大幅降低。這是因?yàn)榭招那蚪Y(jié)構(gòu)的直徑和密度是吸聲能力的主要參數(shù)，球體直徑小、結(jié)構(gòu)密度低會(huì)帶來更明顯的聲耗散。且空心球結(jié)構(gòu)會(huì)帶來重量的減輕，與目前最先進(jìn)的消聲器相比，若以MHSS作為消聲器，其重量大幅降低(約25%)。

3.2.3 屏蔽性能

金屬空心球復(fù)合材料不僅具有輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)特性，其獨(dú)特的孔洞結(jié)構(gòu)和高孔隙率特性，使得這類材料還具有屏蔽X射線、γ射線和中子射線的能力。Xu等[11]設(shè)計(jì)了一種基于開孔泡沫金屬的超輕結(jié)構(gòu)，并在泡沫金屬內(nèi)分別填充了水和含硼水，使之與普通塊狀鋁材進(jìn)行對(duì)比，研究這幾種材料對(duì)γ射線和中子射線的衰減能力，研究發(fā)現(xiàn)，開孔泡沫金屬對(duì)中子射線的抵御能力更佳。Chen等[62]研究比較了A356鋁合金、閉孔金屬空心球復(fù)合材料以及開孔泡沫鋁抵御輻射的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于A356鋁合金，閉孔金屬空心球復(fù)合材料具有更強(qiáng)的抵御γ射線和中子射線的能力；開孔泡沫鋁與閉孔金屬空心球復(fù)合材料都具有很好的中子衰減效果，但對(duì)γ射線的屏蔽效果不如A356鋁合金。

隨著世界核能的不斷發(fā)展，我們在對(duì)金屬空心球復(fù)合材料的輻射屏蔽性能要求越來越高的同時(shí)，要求材料的力學(xué)強(qiáng)度也要有保障。因此，高強(qiáng)度的不銹鋼基體泡沫屏蔽材料逐漸成為研究熱點(diǎn)，而不銹鋼基體的選擇也十分重要，研究已表明，高鎢、高釩的不銹鋼基體具有更好的輻射屏蔽性能[63-65]。

3.2.4 隔熱性能

相比于傳統(tǒng)實(shí)心塊狀金屬材料，金屬空心球復(fù)合材料具有更好的隔熱性能，這與空心球結(jié)構(gòu)具有很大關(guān)系。一般可以從泡沫材質(zhì)的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等方面來研究金屬空心球復(fù)合材料的隔熱性能，其孔隙率及相對(duì)密度也是隔熱性能的影響因素之一。

金屬空心球復(fù)合材料可在高溫環(huán)境中用作絕熱，材料的熱導(dǎo)率范圍在0.5～2 W/(m·K)之間[61]。Chen等[10]等將不銹鋼空心球加入到A356鋁合金和316L不銹鋼基體中，分別制備了不銹鋼空心球-鋁基復(fù)合材料和不銹鋼空心球-不銹鋼基復(fù)合材料。經(jīng)差示掃描量熱技術(shù)(DSC)測試后發(fā)現(xiàn)，鋁合金基體的熱導(dǎo)率較高，約為不銹鋼基體的14倍；但當(dāng)加入空心球后，不銹鋼空心球-鋁基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為不銹鋼空心球-不銹鋼基復(fù)合材料的7倍，這說明金屬空心球可以降低鋁合金基體的熱導(dǎo)率。具有多孔外殼的金屬空心球及其結(jié)構(gòu)也可作為新一代換熱器[16]，將作為溫度穩(wěn)定劑的相變材料(PCMs)通過殼體孔隙填充到球體內(nèi)部，并在后續(xù)對(duì)球體進(jìn)行包覆以防止PCMs的流出。

大量的孔隙結(jié)構(gòu)是金屬空心球復(fù)合材料具有良好隔熱性能的主要原因，金屬空心結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)包含著大量空氣，熱量在空氣中的傳播速度比通過塊體金屬傳播的要慢很多。因此，在熱量傳遞過程中，孔隙部分變成阻熱部分，金屬空心球復(fù)合材料便具有了良好的隔熱性能[10, 66, 67]。

3.2.5 其他性能

除了良好的吸能特性、聲學(xué)性能、屏蔽性能及隔熱性能外，金屬空心球復(fù)合材料還具有良好的阻尼性能、獨(dú)特的導(dǎo)電性能及電磁屏蔽性能等。

材料的阻尼性能是指材料內(nèi)部將機(jī)械振動(dòng)能不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能的本領(lǐng)。而空心球復(fù)合材料由于空心球結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空氣與周圍金屬基體、金屬空心球兩相的不均勻，應(yīng)變會(huì)滯后于應(yīng)力，因此在金屬空心球復(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)，這說明金屬空心球復(fù)合材料是一種具有高能量吸收特性的高阻尼材料。此外，金屬空心球復(fù)合材料的導(dǎo)電性較實(shí)體金屬差，這主要是由于空心球內(nèi)部的空氣屬于非導(dǎo)電材料，造就了金屬空心球復(fù)合材料獨(dú)特的導(dǎo)電性。另外，金屬空心球復(fù)合材料的高孔隙率使之具有良好的反射和吸收電磁波的能力，因此它還是良好的電磁屏蔽材料。

4 影響金屬空心球復(fù)合材料性能的因素

4.1 金屬空心球及基體材料的選擇

金屬空心球和基體材料所選擇材質(zhì)的性能會(huì)極大影響最終制備的復(fù)合泡沫金屬的性能。金屬空心球復(fù)合材料可選擇多種材質(zhì)：在空心球方面，不銹鋼、鈦及其合金是較為常見的材料；在基體方面，不銹鋼和鋁是較為常見的材料。不同材質(zhì)的空心球與基體搭配，會(huì)得到不同體系的金屬空心球復(fù)合材料，其性能也不相同。此外，相對(duì)密度[68-70]對(duì)金屬空心球復(fù)合材料的性能影響也很大，相對(duì)密度的表達(dá)形式如式(1)：

(1)

式中，ρ表示金屬空心球復(fù)合材料的相對(duì)密度，無量綱；ρ泡和ρ固分別表示金屬空心球復(fù)合材料的表觀密度和致密固體材質(zhì)的密度，單位是g/cm3。

在制備金屬空心球復(fù)合材料的過程中，材料的相對(duì)密度變化余地較大，因此材料的性能會(huì)隨著密度的變化呈現(xiàn)一定的變化[68]。因此，在材料選擇上，要根據(jù)所需的性能綜合考慮空心球及基體材料的材質(zhì)與相對(duì)密度。Balch等[69]在陶瓷空心微球復(fù)合鋁基復(fù)合材料的研究中發(fā)現(xiàn)，材料的強(qiáng)度不僅與其密度相關(guān)，更與空心球和基體材料的材質(zhì)有關(guān)。Vendra等[9]以不銹鋼空心球和低碳鋼空心球?yàn)樘畛湎唷356鋁合金為基體，制備了不銹鋼空心球-鋁基復(fù)合材料和低碳鋼空心球-鋁基復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了壓縮性能測試。研究表明，不銹鋼空心球-鋁基復(fù)合材料的壓縮屈服強(qiáng)度要高于低碳鋼空心球-鋁基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度，這說明復(fù)合材料中空心球的材質(zhì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能具有重要影響。Chen等[10]研究發(fā)現(xiàn)，金屬空心球復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)與空心球的尺寸無關(guān)，而與空心球、基體材料的導(dǎo)熱系數(shù)、體積模量以及金屬空心球和體材料所占體積百分比有關(guān)。

4.2 孔隙率

金屬空心球復(fù)合材料的孔隙率是指復(fù)合材料中孔隙所占的體積與該材料總體積的比值，可以用百分?jǐn)?shù)或小數(shù)表示，是金屬空心球復(fù)合材料的基本參量之一。相比于其他多孔材料，金屬空心球復(fù)合材料中的孔隙即為空心球內(nèi)的腔體(閉合孔)，一般不存在貫通孔和半通孔，因此金屬空心球復(fù)合材料孔隙率的測量與其他多孔材料相比更為簡單，可直接采用質(zhì)量-體積計(jì)算法來進(jìn)行孔隙率α的測定，如式(2)所示：

(2)

式中M是試樣質(zhì)量，單位為g；V是試樣體積，單位為cm3；ρ固是金屬空心球復(fù)合材料對(duì)應(yīng)致密固體材質(zhì)的密度，單位為g/cm3。

此外，孔隙率α可直接由表觀密度ρ泡和致密固體材質(zhì)的密度ρ固表達(dá)，如式(3)：

(3)

根據(jù)孔隙率的大小可將多孔材料分為中低孔隙率材料和高孔隙率材料，中低孔隙率的孔隙多為封閉結(jié)構(gòu)，而高孔隙率材料可分為蜂窩材料、開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料[70-72]。

研究發(fā)現(xiàn)，孔隙率與閉孔金屬空心球復(fù)合材料的彈性模量和壓縮強(qiáng)度的關(guān)系如式(4)和式(5)：

Ec=CcEs[0.5(1-α)2+0.3(1-α)2]

(4)

(5)

式中，Ec和Es分別代表金屬空心球復(fù)合材料及致密固體的彈性模量，單位為Pa；σc和σs分別代表金屬空心球復(fù)合材料及致密固體的壓縮強(qiáng)度，單位為Pa；Cc是由空心球幾何排布形式?jīng)Q定的常數(shù)；α代表孔隙率。

綜上所述，除了材料體系及空心球集合排布外，孔隙率也是影響金屬空心球復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素[73, 74]。Song等[75]使用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)分析了符合金屬空心球復(fù)合材料的孔隙形態(tài)與分布狀況，發(fā)現(xiàn)金屬空心球復(fù)合材料外壁的楊氏模量和屈服強(qiáng)度均會(huì)隨著材料孔隙率的增加呈非線性減小，遵循冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4.3 空心球尺寸

金屬空心球的尺寸會(huì)影響復(fù)合泡沫金屬的孔隙率大小，而孔隙率除了會(huì)影響復(fù)合泡沫金屬的力學(xué)性能外，對(duì)屏蔽輻射等方面的性能也會(huì)存在影響[76, 77]。

Sanders等[78]對(duì)兩個(gè)空心球緊密相連時(shí)(空心球密排，如圖3所示)，空心球尺寸與孔隙率的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，可以看出空心球的尺寸包括：外半徑(R)、壁厚(t)、連接頸半徑(rb)以及連接頸水平對(duì)向的夾角(2θ)，其關(guān)系如式(6)所示：

(6)

泡沫結(jié)構(gòu)中相鄰空心球的相對(duì)密度ρ是空心球相對(duì)密度ρspheres和空心球之間連接處的相對(duì)密度ρbonds之和，可由式(7)表達(dá)：

ρ=ρspheres+ρbonds

(7)

式中，PF是空心球集合排布常數(shù)(排布為簡單立方時(shí)，PF=π/6)，CN為空心球堆垛配位數(shù)，Vbond空心球之間連接處體積，Vunit cell是單位空心結(jié)構(gòu)體積。

圖3 兩個(gè)空心球連接頸區(qū)域的幾何尺寸示意圖[78]Fig.3 Schematic of geometric dimensions of two hollow spheres connecting neck region[78]

Rabiei等[54]研究了空心球直徑等多種因素對(duì)S-S CMF(steel-steel composite metal foam)材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，在較高的應(yīng)變水平下，復(fù)合泡沫材料的屈服強(qiáng)度、平臺(tái)強(qiáng)度及能量吸收能力隨空心球直徑的減小而增加。這是由于球體較大，會(huì)在壓縮載荷下發(fā)生較快的崩塌所致。Chen等[79]將多種尺寸的不銹鋼空心球分別與不銹鋼基體和A356鋁合金基體混合，制備了不銹鋼空心球-不銹鋼基和不銹鋼空心球-鋁基兩種體系的復(fù)合材料。通過中子穿透實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于不銹鋼空心球-不銹鋼基復(fù)合材料而言，影響其中子屏蔽性能最主要的因素是不銹鋼空心球的球壁壁厚與球外半徑的比值；而對(duì)于不銹鋼空心球-鋁基復(fù)合材料來說，通過掃描電鏡可以觀察到球壁與基體間形成了一層金屬間化合物，隨著加入的不銹鋼空心球直徑的增加，形成的金屬間化合物呈逐漸減少的趨勢，復(fù)合材料的屏蔽性能也相應(yīng)降低，這說明金屬間化合物對(duì)材料的屏蔽性能具有重要的影響，但屏蔽機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

4.4 復(fù)合材料的界面

復(fù)合材料的界面是指復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有明顯變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、起到載荷等傳遞作用的微小區(qū)域。對(duì)于金屬空心球復(fù)合材料而言，其界面結(jié)合處就是空心球球壁與基體材料的結(jié)合部分，這一界面部分的化學(xué)組成以及微觀組織結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)空心球的性能造成很大影響。

美國北卡羅萊納州立大學(xué)的Vendra等[51, 80]把356鋁合金作為基體、316L不銹鋼空心球作為空心結(jié)構(gòu)，采用700和740 ℃兩種澆鑄溫度，通過鑄造法制備了空心球復(fù)合材料試樣，通過掃描電鏡與X射線光電子能譜分析發(fā)現(xiàn)，不銹鋼球壁內(nèi)的Fe元素以及基體內(nèi)的Al和Si元素都發(fā)生了擴(kuò)散，在球壁與基體的界面處形成了FeAl4Si、Fe2Al7Si和Fe25Al60Si15等3種硬而脆的金屬間化合物，當(dāng)澆鑄溫度為740 ℃時(shí)，界面處的Fe25Al60Si15含量較多，這種化合物的增多會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度下降，吸能性下降。Brown等[52]研究了鑄造法與粉末冶金法兩種制備工藝對(duì)不銹鋼空心球鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能及失效機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)鑄造結(jié)構(gòu)件的空心球壁與鋁合金基體的界面處形成了硬而脆的金屬間化合物，而使用粉末冶金工藝制備的試樣界面處并未發(fā)現(xiàn)金屬間化合物的存在。

4.5 熱處理方式

金屬空心球復(fù)合材料的熱處理方式主要可以分為固溶處理和時(shí)效處理。熱處理過程主要的作用包括：① 改善合金的組織與結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能；② 消除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；③ 穩(wěn)定產(chǎn)品的組織、形狀和尺寸，防止因高溫引起的合金相變所導(dǎo)致的體積脹大；④ 消除偏析，改善合金的組織和性能的均勻性[81]。

固溶處理是指將金屬空心球復(fù)合材料加熱到某恒定溫度，并進(jìn)行保溫，使強(qiáng)化相充分溶入母相中形成固溶體，隨后經(jīng)過快速冷卻，使固溶體呈過飽和狀態(tài)直到室溫。固溶強(qiáng)化是一種形成點(diǎn)缺陷的強(qiáng)化機(jī)制，當(dāng)溶質(zhì)原子溶入基體后，基體的位錯(cuò)密度增加，晶格發(fā)生畸變，通過畸變所產(chǎn)生的應(yīng)力場與位錯(cuò)周圍的彈性應(yīng)力場的交互作用，來構(gòu)成位錯(cuò)滑移的障礙，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，從而使基體得到強(qiáng)化，提高金屬空心球復(fù)合材料的力學(xué)性能。為保證強(qiáng)化相充分固溶，加熱溫度應(yīng)超過泡沫基體材料的固溶度線，溫度愈高，愈接近固相線溫度，則固溶處理的效果愈好。

金屬空心球復(fù)合材料的時(shí)效處理是指在固溶處理時(shí)，所得到的固溶體或新x相大多處于亞穩(wěn)態(tài)，在室溫保持一段時(shí)間或者加熱到一定溫度時(shí)，過飽和相將脫溶分解，析出沉淀相，進(jìn)而引起組織、性能和內(nèi)應(yīng)力的改變。在脫溶過程中，隨著時(shí)間的延長，合金的強(qiáng)度、硬度會(huì)隨之提高，這種熱處理工藝被稱為時(shí)效處理[82]。

4.6 組織缺陷

缺陷是導(dǎo)致金屬空心球復(fù)合材料力學(xué)性能下降的重要原因，甚至?xí)?dǎo)致廢品率上升，采用不同方法制備的金屬空心球復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生不同的缺陷。

熔體發(fā)泡法是制備泡沫金屬最常見的工藝之一，然而當(dāng)原材料或工藝選擇不當(dāng)時(shí)，采用這種方法制備的泡沫金屬內(nèi)部極易產(chǎn)生缺陷。缺陷大致可以分為：① 出現(xiàn)在單個(gè)孔泡壁上的裂紋、褶皺、微孔等；② 泡孔之間形成的連通孔洞和多個(gè)泡孔之間合并形成的較大泡孔等；③ 復(fù)合泡沫體底部的無泡區(qū)域過厚，泡沫體內(nèi)部出現(xiàn)的大裂縫、空腔等[2, 3]。

采用真空滲流法制備金屬空心球復(fù)合材料時(shí)，容易出現(xiàn)滲流不足、滲流過度和中間缺陷等現(xiàn)象。滲流不足是指金屬液體在制品上部集中，滲流長度很短或沒有達(dá)到模具底部。滲流過度是指金屬液體在滲流過程中，滲流過程尚未結(jié)束，金屬液繼續(xù)下行，從而使上部空心球之間的金屬液減少且強(qiáng)度變差，下部有較多金屬液從模具中滲出。中間缺陷是指在金屬空心球復(fù)合材料的內(nèi)部存在較大的孔洞。

造成滲流不足和滲流過度的原因主要是金屬空心球預(yù)熱溫度和金屬液的澆鑄溫度不合適。在滲流過程中，由于金屬空心球的預(yù)熱溫度或金屬液的澆鑄溫度過低，使得下部的金屬液過早凝固，導(dǎo)致滲流過程提前結(jié)束，出現(xiàn)滲流不足；反之，當(dāng)金屬空心球預(yù)熱溫度或鋁液的澆鑄溫度過高時(shí)，滲流過程尚未結(jié)束，金屬液繼續(xù)下行，從而使上部金屬空心球中間的金屬液過少且強(qiáng)度變差，導(dǎo)致金屬液滲出模具，出現(xiàn)滲流過度。

中間缺陷產(chǎn)生的原因是金屬液體在冷卻過程中接觸到模具壁，上部接觸空氣的金屬液由于溫差過大，傳熱較快而先冷卻，中間沒有冷卻的金屬液則不斷補(bǔ)縮。隨著冷卻的持續(xù)，上部和邊上的金屬液凝固后，中間部分得不到足夠的金屬液補(bǔ)充，從而產(chǎn)生缺陷[83]。

5 金屬空心球復(fù)合材料的應(yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著航空航天、車輛工程、核能發(fā)電以及大型土木工程等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料性能的要求不斷提高，傳統(tǒng)的泡沫金屬材料逐漸顯現(xiàn)出一些缺點(diǎn)，在某些領(lǐng)域苛刻的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)泡沫金屬各向異性高、孔徑尺寸和孔隙分布較難控制等缺點(diǎn)，已經(jīng)限制了其適用范圍，而金屬空心球復(fù)合材料則很好地克服了以上缺點(diǎn)。

作為一種多孔材料，當(dāng)金屬空心球復(fù)合材料受到外力沖擊時(shí)，其鮮明的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)使其首先發(fā)生大量明顯的塑性變形，沖擊能量被轉(zhuǎn)化成塑性能，能夠很好地抵御外力沖擊，具有良好的能量吸收特性和阻尼特性。在汽車領(lǐng)域，包括機(jī)動(dòng)車的蓋板、底蓋板、保險(xiǎn)杠、金屬橫梁等零部件，金屬空心球復(fù)合材料都具有廣闊的應(yīng)用前景，也極大地促進(jìn)了汽車的輕量化及節(jié)能環(huán)保的發(fā)展。在航空航天領(lǐng)域，金屬空心球復(fù)合材料已得到大量應(yīng)用，如美國波音公司就將金屬空心球復(fù)合材料用于制造直升機(jī)的尾翼，在減重方面達(dá)到了理想的效果，金屬空心球復(fù)合材料未來還可應(yīng)用于固定翼飛機(jī)，以達(dá)到降低能耗的目的。此外，良好的抗沖擊特性使得金屬空心球復(fù)合材料可以大量應(yīng)用于軍用飛機(jī)和艦船的裝甲防護(hù)、汽車和火車的防撞裝置以及升降機(jī)和傳送器的減震裝置等多種領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備上。

在隔熱材料領(lǐng)域，金屬空心球復(fù)合材料作為一種新興材料，在建筑保溫、冷藏隔熱等方面具有良好的應(yīng)用前景。

在核能領(lǐng)域，由于切爾諾貝利和福島等核泄漏事件的發(fā)生，先進(jìn)的核輻射屏蔽材料的研究引起了人們的關(guān)注，而金屬空心球復(fù)合材料多孔、輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)可以有效降低重金屬輻射屏蔽材料的重量，達(dá)到屏蔽材料減重的效果，能夠更安全、更有效地防止核反應(yīng)的泄露。此外，金屬空心球復(fù)合材料也是一種良好的電磁屏蔽材料，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。

6 結(jié) 語

金屬空心球復(fù)合材料作為一種新型多孔材料，具有低密度、減震降噪、隔熱吸聲以及輻射屏蔽等多種良好的特性，在綜合性能上較傳統(tǒng)泡沫材料有很大提高，目前已經(jīng)受到大量國內(nèi)外學(xué)者的重視，并在國內(nèi)外多個(gè)行業(yè)中開始逐步得到應(yīng)用，未來發(fā)展前景巨大。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)金屬空心球復(fù)合材料的研究與應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)不再滿足其單一性能的應(yīng)用，而是尋求多種性能相結(jié)合的先進(jìn)材料以適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境的需求。諸如如何降低金屬空心球的生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等是亟待解決的重要問題。可以預(yù)見，在未來幾十年內(nèi)，金屬空心球復(fù)合材料將在航空航天、船舶、汽車、建筑、核能發(fā)電等領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用，作為一種新型多功能材料，成為國家發(fā)展建設(shè)和材料領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。