超輕材料在航空業(yè)的應(yīng)用前景

寂靜天花板

一種由微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（microlattice）組成的超輕材料在密度極低的同時(shí)具備極佳的抗壓彈性和沖擊吸收能力，可在航空工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

波音公司下屬的HRL實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出一種號(hào)稱是目前最輕的金屬鎳氣凝膠材料，它是HRL實(shí)驗(yàn)室在2011年為美國(guó)國(guó)防預(yù)研局（DARPA）研發(fā)的，其密度為0.9mg/cm3，一張?jiān)摬牧现糜谄压�英上的圖片還入選了《自然》雜志的年度十大圖片。

所謂氣凝膠是一種新型固體材料，具有獨(dú)特的納米級(jí)多孔及三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有極低的密度（3～500kg/m3）、高比表面積（200～1000m2/g）和高孔隙率（孔隙率高達(dá)80％～99.8％，孔洞典型尺寸為1～100nm），從而表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)及電學(xué)性能。這種材料也被稱為“微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)”（microlattice），意為材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由無(wú)數(shù)微點(diǎn)陣組成的。

不斷刷新紀(jì)錄的超輕材料研究

近年來(lái)，號(hào)稱“最輕材料”的紀(jì)錄不斷被刷新。2011年，美國(guó)一些研究人員研制出多壁碳納米管氣凝膠，密度為4mg/cm3；而到了年底，由美國(guó)學(xué)者研制出的金屬鎳氣凝膠，其密度僅有0.9mg/cm3。2012年，德國(guó)學(xué)者利用ZnO粉末作為犧牲模板，制備出密度僅為0.2mg/cm3的“飛行石墨”。2013年，浙江大學(xué)高分子系高超教授制備出一種 “碳海綿”，密度只有0.16mg/cm3，僅為空氣密度的1/6，是當(dāng)前最輕的固體材料。

除此之外，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)還開(kāi)展了以微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升材料力學(xué)性能的研究，總的來(lái)說(shuō)，超輕材料的發(fā)展正向“設(shè)計(jì)材料”的方向轉(zhuǎn)變。2013年，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）開(kāi)發(fā)出“數(shù)字材料”，它的新穎之處并非是材料本身，而是組成宏觀零件的方式。他們將這種新型材料稱作“可逆裝配多孔性復(fù)合材料”，其鎖鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)可方便地增加或去除零件單元。微小的結(jié)構(gòu)單元可以制造得很�。ㄈ�1μm 或更�。�，甚至可與材料微觀結(jié)構(gòu)中的原子晶格相比。這種支架狀的模塊化數(shù)字材料能夠快速地將微小的支架模塊組裝在一起，從而制造出諸如飛機(jī)機(jī)翼這樣的大型結(jié)構(gòu)零件。利用這種材料和裝配方式制造的零件，比由現(xiàn)有超輕材料制造的零件強(qiáng)度高10倍，并具有不易斷裂、可靠性高的特點(diǎn)�？罩锌蛙嚬�司已與麻省理工學(xué)院（MIT）簽訂了合作協(xié)議，雙方將共同探索數(shù)字材料在航空制造業(yè)的應(yīng)用。預(yù)計(jì)這種新材料系統(tǒng)所帶來(lái)的減重會(huì)使飛機(jī)節(jié)省約30% 的燃料。

2014年，MIT又發(fā)明了采用呈捆綁式微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3D打印聚合物單元體，它具有超高強(qiáng)度和超輕特性。這種與氣凝膠一樣輕的材料的剛度可與固體橡膠媲美，可承載自身重量160萬(wàn)倍的載荷。目前MIT和勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正用金屬、陶瓷和聚合物分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并得到了類似的結(jié)果。

DARPA也資助開(kāi)展了相關(guān)工作，其具有里程碑意義的舉動(dòng)是啟動(dòng)了一系列“設(shè)計(jì)材料”計(jì)劃，通過(guò)微結(jié)構(gòu)控制（MCMA）項(xiàng)目來(lái)研究材料的制備，該項(xiàng)目試圖控制材料的微結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)結(jié)構(gòu)效率并實(shí)現(xiàn)以往在單質(zhì)物質(zhì)上不能獲得的許多特性，進(jìn)而創(chuàng)造具有獨(dú)特性能的新材料。

DARPA還在探索將大型建筑結(jié)構(gòu)所采用的桿-支點(diǎn)原理用于材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得高效材料。波音HRL實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的金屬鎳氣凝膠材料即是DARPA的防務(wù)科學(xué)辦公室（DSO）近年資助的一系列“微結(jié)構(gòu)控制(MCMA)”的研究， HRL表示，這種金屬鎳氣凝膠即采用了桿-支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，它可在納米尺度下進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種可能帶來(lái)巨大變革的輕質(zhì)材料。這種金屬鎳氣凝膠特殊的結(jié)構(gòu)使其體積在壓縮50%以后還可以恢復(fù)原來(lái)的形狀，因此具有非常高的能量吸收能力。

目前，HRL已經(jīng)能夠（通過(guò)）在納米、微米和毫米尺度下用占結(jié)構(gòu)總體積0.01%的原材料來(lái)制造這種結(jié)構(gòu)，材料結(jié)構(gòu)體積中99.99%都是空氣，其中的訣竅就在于制造一個(gè)壁厚100nm的相互連接的空心管晶格。據(jù)推測(cè)，該材料在制造過(guò)程中首先利用光固化聚合物作為模板做出基本的結(jié)構(gòu)，然后用紫外光將聚合物按一定規(guī)律固化，制造出由微支架組成的3D結(jié)構(gòu)，接著以電鍍的方式在此結(jié)構(gòu)上鍍上一層超薄的鎳，最后將之前作為支撐的聚合物以蝕刻的方式去除，從而得到了最終由鎳組成的金屬部分。

波音公司正在對(duì)這種3D打印的金屬微晶格材料進(jìn)行進(jìn)一步的完善和測(cè)試，并準(zhǔn)備將其用于客艙內(nèi)飾，如側(cè)壁、地板的非承力構(gòu)件。目前飛機(jī)內(nèi)飾材料主要采用熱固性或熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料，而超輕金屬鎳氣凝膠材料不僅較傳統(tǒng)金屬材料及復(fù)合材料具有顯著的減重優(yōu)勢(shì)，而且比復(fù)合材料具有更好的阻燃、防煙霧及低毒性等特性，在民機(jī)客艙內(nèi)飾領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

新技術(shù)為超輕材料提供支撐

3D打印技術(shù)、納米技術(shù)和計(jì)算材料技術(shù)為以微點(diǎn)陣材料為代表的超輕材料的發(fā)展提供了有力的保證。

微點(diǎn)陣材料的結(jié)構(gòu)形式具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如柔性好、密度低、無(wú)需切削加工、制備效率高、孔隙率高、抗沖擊能力強(qiáng)、可近凈形成型等優(yōu)點(diǎn)，兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重作用，是一種性能優(yōu)異的多功能工程材料，而3D打印技術(shù)為這種材料的制備提供了新的方法。

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3D打印技術(shù)可采用模板法構(gòu)筑超輕空心管微點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)：首先用3D打印技術(shù)制備所需結(jié)構(gòu)的微點(diǎn)陣模板；然后在模板表面進(jìn)行化學(xué)鍍或者電鍍制備金屬薄膜；最后經(jīng)燒蝕或化學(xué)刻蝕掉模板，得到超輕空心管微點(diǎn)陣金屬材料。波音HRL實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的鎳金屬氣凝膠就是典型案例。

在納米材料的技術(shù)方面，2015年5月20日，美國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（NEC）和科學(xué)與技術(shù)政策辦公室（OSTP）在白宮舉辦一個(gè)論壇，討論加速納米技術(shù)商業(yè)化的機(jī)會(huì)。下一代技術(shù)將從納米組件向交叉學(xué)科的納米系統(tǒng)發(fā)展，并從基礎(chǔ)研究中獲得進(jìn)展，以確保納米技術(shù)迅速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

另外，計(jì)算材料技術(shù)是未來(lái)新材料開(kāi)發(fā)的必由之路。目前在該領(lǐng)域，DARPA屬于領(lǐng)跑者，正尋求這一領(lǐng)域的下一個(gè)重大進(jìn)展，即利用超快的激光成像器、突破性的化學(xué)合成方法等新工具開(kāi)發(fā)新型材料。DARPA所有的計(jì)劃均顯示出一個(gè)基本的轉(zhuǎn)變，即從制備材料轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)材料，從而進(jìn)入一個(gè)材料的“設(shè)計(jì)師時(shí)代”。

wjiafu72

是不是前一段時(shí)間報(bào)道的類蜂窩材料，波音公司已經(jīng)在客機(jī)內(nèi)部應(yīng)用一種新開(kāi)發(fā)的材料