1、科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考项目名称： 超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究首席科学家： 卢天健 西安交通大学起止年限： 2006.1 至 2010.12依托部门： 教育部科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考一、研究内容本项目目标是与重大应用背景相结合（主要包括超轻多孔金属在高能耗运载装备、航天、机械、建筑、微电子散热部件中等的应用），从材料学、力学、计算数学、热学、电磁学、声学等学科交叉融合的角度，采用由微细观逐渐进入宏观领域的研究思路，建立超轻多孔金属材料和结构制备机理及性能表征的理论和技术体系；针对有代表性和重大应用背景的多孔金属结构，通过对多孔材料微结构
2、和组织的优化设计，达到特定结构性能要求， 实现从材料性能到结构性能一体化设计。本项目拟解决的关键科学问题和主要研究内容包括：1 高孔隙率多孔金属材料的制备机理研究及流变制备过程精确仿真和实现超轻多孔金属尤其是无序多孔金属制备中的关键科学问题包括材料多孔化的机理，金属熔体在多孔介质中的渗流过程，不同材质、不同性能的金属 纤维与致密金属界面的形成机理，纳米模板技术制备介孔材料的合成机理，有序多孔金属结构自由成型方法及其制造过程的仿真，材料传输与成型条件可控制性及仿真，以及小尺寸下的塑性成形、质量迁移等复杂流固耦合、流变制备过程等。而流变过程除涉及材料非线性外，还涉及到几何流形和边界接触双重非线性大
3、变形等基础科学问题。主要研究内容：（1）以汽车为应用对象的高比强度新型多组元泡沫铝合金的基础制备理论,以载人航天为应用对象的一致性控制孔隙率结构泡沫纯铝的基础制备理论及工艺优化方法，主要包括：熔体泡沫化制备过程中球形孔、多边形孔、泡沫形成 规律及演变规律，TiH 2热分解 动力学与熔体泡沫化过程关系，凝固过程中与两相组分有关导热率的变化规律等；（2）泡沫铝合金异型件的制备理论，主要包括：泡沫生科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考长规律、泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理等；（3）通孔多样化泡沫金属制备理论的发展和创新，主要包括：金属熔体在多孔介质中的渗流过程、石膏型的强度与可溶性的
4、协调、海绵骨架的加粗，梯度泡沫金属的制备手段等；（4）有序微结构多孔金属的可控性制造理论，主要包括：金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律，成形过程参数与显微组织相变、变形等关系，材料微 观组织动态演化的精确仿真等；（5）创新构型金属纤维超薄层合结构制备的基础理论，主要包括：异材连接的界面物理化学过程及其界面微观结构、从微观到宏观的结构和形态的控制等；（6）多功能介孔材料制备的基础理论，主要包括：模板剂的种类及其用量、原料中杂质离子的浓度，原料的种类及用量，后 处理等制备条件对材料介孔结构的影响等。2 超轻多孔材料的力学、热学、声学、电磁学等性能表征理论体系根据不同应用需求，超轻多孔材
5、料的孔径有纳米、微米、毫米量 级三大类，与其作为结构部件的最小几何特征尺寸常常相差不远。在此应用范围内，已有研究表明它们的材料性能具有显著的尺度效应，而基于连续介质假设下的力学、热学、声学、电磁学等传统理论并不能解释这种效应，具有明显的局限性。建立一种能准确表征超轻多孔材料与尺度相关的力学、热学、声学、 电磁学等宏观性能的新理论体系以及如何在该理论框架下定量、可靠、系统地分析材料宏观性能与微结构之间的依赖关系是当前力学、材料学、物理学等学科的前沿科学问题。主要研究内容：超轻多孔材料从纳米到毫米孔径跨尺度本构行为的宏观唯象理论、微细观理论和计算模型；在机械和温度等多场载荷作用下的疲劳、断裂以及对
6、缺陷的敏感性等破坏特性；应力波、冲 击波和轻质物理波（声波、电磁波）在多孔材料中的科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考传播机理以及对微细观结构的依赖性；金属泡沫等超轻多孔材料中的导热、对流、辐射特性,宏观传热与其微观结构的关系,微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理, 综合传热效果的试验测定，数学模型、数值方法以及传热特征量的表征体系;超轻多孔机电材料的建模、静定结构分析、材料 选择、材料特性及本构关系等。3 超轻多孔材料的微细观组织与结构的优化设计新理论微结构的优化设计主要涉及到两大难题：一是在给定微结构几何构型下如何快速计算其宏观性能，二是优化用于描述微结构几何构型所需的大量变量的有效
7、算法（待优化变量数庞大，往往成千上万甚至更多；多目标函数、多工况下的优化）。这些科学问题的正确解决，离不开在力学性能、热性能、物理波传播性能三大方面的特殊要求下，超轻多孔材料和结构设计多目标、多约束、多 场耦合的大规模优化问题的提法和求解方法，以及材料与结构并发设计和多功能协同设计。主要研究内容：以超轻质多孔金属基多功能材料为背景，研究材料微结构和结构几何设计并发的设计理论；研究材料和结构在力场、热场、声场、 电磁场等多场耦合条件下的力学性能（刚度、强度、韧性、稳定性等）、热性能(导热/ 对流/辐射)、波导性能（声波、电磁波、弹性波等物理波的传输、隔断以及响应等）等多功能协同的优化设计理论和方
8、法。探讨轻质结 构材料、 轻质热性能材料、轻质物理波传播性能材料、以及多场耦合条件下轻质 多功能结构/部件的宏 观几何设计和材料微观构型设计并发的设计优化等问题的提法和求解方法，为轻质高强韧结构设计、防热/隔热材料设计、特定性能（特定力学、传热、波导性能等）材料 设计提供有效的设计优化理论和方法。4 纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的多功能一体化构建理论由于纤维增强泡沫金属多功能复合材料结构涉及不同材料及结构层次，因科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考此对其进行制备以及力学和物理性能的研究具有较大的难度。拟解决的关键科学问题包括：纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的成型工艺；复杂载荷作用
9、下，纤维增强泡沫金属夹芯梁、板和壳的力学行为、 损伤机理、 强度准则以及冲击载荷作用下的失效过程、剩余寿命预报、可靠性 评价等。主要研究内容：（1）针对汽车、高速列车、船舶、航天航空等 领域典型的 环境载荷，对纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构进行优化设计及分析，以确定最优的结构形式。（2）采用不同的结构成型工艺，以使制备出来的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构件满足不同性能指标的要求。（3）纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则的确定；宏观性能预报；热机械载荷作用下的大挠度弯曲行为、屈曲和后屈曲行为以及塑性屈曲行为；冲击载荷作用下的剩余刚度及强度预报；复杂载荷作用
10、下的失效破坏研究。（4）纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的物理性能研究。（5）可靠性评价。科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考本项目目标是与重大应用背景相结合（主要包括超轻多孔金属在高能耗运载装备、航天、机械、建筑、微电子散热部件中等的应用），从材料学、力学、计算数学、热学、电磁学、声学等学科交叉融合的角度，采用由微细观逐渐进入宏观领域的研究思路，建立超轻多孔金属材料和结构制备机理及性能表征的理论和技术体系；针对有代表性和重大应用背景的多孔金属结构，通过对多孔材料微结构和组织的优化设计，达到特定结构性能要求， 实现从材料性能到结构性能一体化设计。本项目拟解决的关键科学问题和主要研究内容
11、包括：1 高孔隙率多孔金属材料的制备机理研究及流变制备过程精确仿真和实现超轻多孔金属尤其是无序多孔金属制备中的关键科学问题包括材料多孔化的机理，金属熔体在多孔介质中的渗流过程，不同材质、不同性能的金属 纤维与致密金属界面的形成机理，纳米模板技术制备介孔材料的合成机理，有序多孔金属结构自由成型方法及其制造过程的仿真，材料传输与成型条件可控制性及仿真，以及小尺寸下的塑性成形、质量迁移等复杂流固耦合、流变制备过程等。而流变过程除涉及材料非线性外，还涉及到几何流形和边界接触双重非线性大变形等基础科学问题。主要研究内容：（1）以汽车为应用对象的高比强度新型多组元泡沫铝合金的基础制备理论,以载人航天为应用
12、对象的一致性控制孔隙率结构泡沫纯铝的基础制备理论及工艺优化方法，主要包括：熔体泡沫化制备过程中球形孔、多边形孔、泡沫形成 规律及演变规律，TiH 2热分解 动力学与熔体泡沫化过程关系，凝固过程中与两相组分有关导热率的变化规律等；（2）泡沫铝合金异型件的制备理论，主要包括：泡沫生长规律、泡沫长大后的排液 规律以及泡沫稳定性机理等；（3）通孔多样化泡沫金科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考属制备理论的发展和创新，主要包括：金属熔体在多孔介质中的渗流过程、石膏型的强度与可溶性的协调、海绵骨架的加粗，梯度泡沫金属的制备手段等；（4）有序微结构多孔金属的可控性制造理论，主要包括：金属成形制造过程
13、的热循环和材料组织转变过程规律，成形过程参数与显微组织相变、变形等关系，材料微 观组织动态演化的精确仿真等；（5）创新构型金属纤维超薄层合结构制备的基础理论，主要包括：异材连接的界面物理化学过程及其界面微观结构、从微观到宏观的结构和形态的控制等；（6）多功能介孔材料制备的基础理论，主要包括：模板剂的种类及其用量、原料中杂质离子的浓度，原料的种类及用量，后 处理等制备条件对材料介孔结构的影响等。2 超轻多孔材料的力学、热学、声学、电磁学等性能表征理论体系根据不同应用需求，超轻多孔材料的孔径有纳米、微米、毫米量 级三大类，与其作为结构部件的最小几何特征尺寸常常相差不远。在此应用范围内，已有研究表明
14、它们的材料性能具有显著的尺度效应，而基于连续介质假设下的力学、热学、声学、电磁学等传统理论并不能解释这种效应，具有明显的局限性。建立一种能准确表征超轻多孔材料与尺度相关的力学、热学、声学、 电磁学等宏观性能的新理论体系以及如何在该理论框架下定量、可靠、系统地分析材料宏观性能与微结构之间的依赖关系是当前力学、材料学、物理学等学科的前沿科学问题。主要研究内容：超轻多孔材料从纳米到毫米孔径跨尺度本构行为的宏观唯象理论、微细观理论和计算模型；在机械和温度等多场载荷作用下的疲劳、断裂以及对缺陷的敏感性等破坏特性；应力波、冲 击波和轻质物理波（声波、电磁波）在多孔材料中的传播机理以及对微细观结构的依赖性；
15、金属泡沫等超轻多孔材料中的导热、对流、科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考辐射特性,宏观传热与其微观结构的关系,微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理, 综合传热效果的试验测定，数学模型、数值方法以及传热特征量的表征体系;超轻多孔机电材料的建模、静定结构分析、材料 选择、材料特性及本构关系等。3 超轻多孔材料的微细观组织与结构的优化设计新理论微结构的优化设计主要涉及到两大难题：一是在给定微结构几何构型下如何快速计算其宏观性能，二是优化用于描述微结构几何构型所需的大量变量的有效算法（待优化变量数庞大，往往成千上万甚至更多；多目标函数、多工况下的优化）。这些科学问题的正确解决，离不开在力学性能
16、、热性能、物理波传播性能三大方面的特殊要求下，超轻多孔材料和结构设计多目标、多约束、多 场耦合的大规模优化问题的提法和求解方法，以及材料与结构并发设计和多功能协同设计。主要研究内容：以超轻质多孔金属基多功能材料为背景，研究材料微结构和结构几何设计并发的设计理论；研究材料和结构在力场、热场、声场、 电磁场等多场耦合条件下的力学性能（刚度、强度、韧性、稳定性等）、热性能(导热/ 对流/辐射)、波导性能（声波、电磁波、弹性波等物理波的传输、隔断以及响应等）等多功能协同的优化设计理论和方法。探讨轻质结 构材料、 轻质热性能材料、轻质物理波传播性能材料、以及多场耦合条件下轻质 多功能结构/部件的宏 观几
17、何设计和材料微观构型设计并发的设计优化等问题的提法和求解方法，为轻质高强韧结构设计、防热/隔热材料设计、特定性能（特定力学、传热、波导性能等）材料 设计提供有效的设计优化理论和方法。4 纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的多功能一体化构建理论由于纤维增强泡沫金属多功能复合材料结构涉及不同材料及结构层次，因此对其进行制备以及力学和物理性能的研究具有较大的难度。拟解决的关键科科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考学问题包括：纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的成型工艺；复杂载荷作用下，纤维增强泡沫金属夹芯梁、板和壳的力学行为、 损伤机理、 强度准则以及冲击载荷作用下的失效过程、剩余寿命预报、可靠
18、性 评价等。主要研究内容：（1）针对汽车、高速列车、船舶、航天航空等 领域典型的 环境载荷，对纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构进行优化设计及分析，以确定最优的结构形式。（2）采用不同的结构成型工艺，以使制备出来的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构件满足不同性能指标的要求。（3）纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则的确定；宏观性能预报；热机械载荷作用下的大挠度弯曲行为、屈曲和后屈曲行为以及塑性屈曲行为；冲击载荷作用下的剩余刚度及强度预报；复杂载荷作用下的失效破坏研究。（4）纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的物理性能研究。（5）可靠性评价。二、预期目标1 总体目标本
19、项目将针对以节能、净化、超轻质、多孔、多功能为特征的新材料体系，以现实的国家重大需求为牵引，以 发展和建立超轻多孔材料的完整科学和技术体系为目标，交叉融合材料科学与工程、力学、计算数学、热学、声学、机械学、微电子学等学科，重点进行制 备机理与手段、流变制备过 程精确仿真和实现、宏微观性能表征及其尺度效应、材料与 结构创新构型优化设计的基础理论研究；针对材料在典型力/热/声/电磁外场 及其耦合状态下的复合性能，形成系统规范的表征方法、测试 与评价技术，最终实现对材料的微观构型与宏观结构 /部件进行一体化科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考多学科协同设计。通过该项目的实施， 发表一批高质量
20、的学术论文；出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著 35 部；培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的多孔金属的基础与高技术研究队伍。2 五年预期目标科学理论层面：1) 揭示熔体中泡沫化制备过程中球形孔/多边形孔/ 泡沫的形成规律及演变规律、TiH 2热 分解动力学与熔体泡沫化 过程的关系以及凝固过程中与两相组分有关导热率的变化规律；建立泡沫铝合金异型件制备过程中泡沫生长规律、泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理；实现对超轻栅格材料和超轻纤维复合多孔金属从微观到宏观的结构和形态的定量控制；揭示异材连接的界面物理化学过程及其界面微观结构；揭示模板剂制备介孔材料的合成机理；揭示多尺度有序多孔结构
21、的制备过程中材料传输与成型条件控制机理，以及金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律；建立材料非线性、几何流形及边界接触的非线性大变形流变过程的有效数值模拟方法；实现对材料微观组织动态演化的精确仿真。2) 建立超 轻多孔材料从纳米到毫米孔径跨尺度本构行 为的宏观唯象理论、微细观理论和计算模型；揭示在撞击、爆炸冲击波作用下应力波在多孔材料中的传播机理和衰减规律及对细观结构的依赖性，建立强动载荷下超轻多孔材料和结构的动态损伤理论；揭示多孔金属材料的流动传热特性，建立宏观传热微观结构的定量关系，研究在微细 多孔跨尺度下单相与两相传热机理，揭示沸腾传热机理、冷凝传热机理及多孔介 质燃油机理，建立
22、有效的数学模型及传热特征量的表征体系；建立毫米波和厘米波在多孔金属材料中的传播理论，奠定多孔金属材料在声/ 电磁屏蔽和声/电磁吸收领域的应用基础，指导具有特殊吸波或屏蔽功能的科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考多孔金属材料的微孔结构优化设计，发展相应的表征方法和技术，并探寻是否存在能够透波的新型复合结构多孔金属材料。3）基于现有轻质多功能结构优质构型的组合、协调和仿生设计的新构型设计技术，建立既能提供结构拓扑、形状和尺寸几何属性参数，又能提供结构内部材料属性参数（微结构描述参数及其随空间位置变化）的材料设计和结构设计一体化的设计优化理论和方法，以及协同考虑多种功能、集多种功能于一体的设
23、计理论和方法。4) 发展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的细观力学理论，给出该类结构的宏观有效性能的预报公式；发展纤维增强泡沫金属夹芯结构的稳定性理论，确定该类结构的临界屈曲载荷；基于破坏性实验及无损检测技术，表征纤维增强泡沫金属夹芯结构的损伤机理和破坏模式，并建立材料破坏的相应强度准则；建立复合材料结构失效破坏过程的细观力学模型，对其失效过程进行数值模拟，揭示这类结构失效破坏的内在本质。关键技术层次： 1）研制高性能闭孔和通孔泡沫金属及其三明治结构、泡沫铝合金异型件、栅格金属、金属纤维复合多孔材料、多功能纳米介孔材料，建立多套针对不同国家需求的示范系统，形成多孔金属制备和装备等方面的专有技术
24、与发明专利 10 项以上。2）在建立多孔材料微结构尺度与结构/系统跨尺度分析的理 论基础上，发展多场耦合下材料宏观和微细观性能的数值表征方法，掌握跨尺度材料行为数值模拟技术，包括：周期单元胞和三维超级单元胞有限元方法；汽车碰撞等的计算机仿真；充分考虑泡沫支架导热及沸腾/凝结中的相互影响及耦合以及 动量方程科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考中的非线性项在两相流动中的作用的数值方法; 非规则开放式孔隙多孔金属材料中厘米波和毫米波的传播规律以及三维多界面的反射、透射对传播规律的影响等，为多孔材料性能的正确表征提供数值模拟基础。3）结合基础理论研究，针对典型的多孔材料及其复合结构，发展力学、
25、 热学、波导等性能基本参量的实验表征方法，包括：高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属在不同冲击速度下的受力分布、形变和能量传递过程；采用光学测试系统测量多孔材料的相变传热及以红外线热成像系统测量表面连续温度场；结合体视荧光显微镜，高速摄影快速 变化过程中的流型变化等。借助高分辨电子显微镜、纳米压入原子力显微镜、静 态/疲劳拉伸台、冲击平台、超声 C 扫描仪、X- 射线探测仪、高速数字摄像机、超高温测试设备、微流体光学平台、噪声测量用消声室、激振和测振系统等先进仪器和设备，建立比较完备的关于材料从纳米到毫米的介观性能和结构特征的表征方法、检测平台和测试规范，形成 10 项以上专有技术和发明专利。
26、4）在多孔材料创新设计方面，提供：新型微观构型的线性、非线性等效性质的分析计算方法；含缺陷以及参数具有不确定性条件下的材料等效性质的离散特征分析技术；基于新体系轻质材料，考虑弹塑性性质、阻尼特性、 热传输性能、电磁性能、波导性能等的结构 优化设计理论和方法；桁架类空心材料结构、微层板结构、夹 芯结构等典型组合 结构的优化设计；材料性能和结构功能指标因子研究以及基于多指标因子的材料和结构并发设计方法；跨尺度优化问题的提法以及有效的求解方法研究，跨尺度参数间敏度分析方法；多物理场耦合作用下材料与结构多尺度分析方法等。科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考5) 发展新的复合材料结构制备工艺，研
27、制出 满足不同功能需求的纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构，形成该类复合材料结构制备的专有技术与发明专利 4 项。发展纤维 增强泡沫金属夹芯结构失效破坏的实验表征方法，以用于结构失效破坏的细观力学模型建立。针对纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构， 发展相应的细观力学理论，建立复合材料 结 构内部的细观结构与其宏观有效性能的定量关系，以便于该类结构的优化及有效性能预报。针对航天航空、船舶、汽车、高速列车等领域，研制超 轻多功能复合材料构件，如航天器上的超轻-隔热结 构, 汽车上的超轻-吸能-减振结构,飞机、舰艇及高速列车上的超轻-减振-降噪结 构等，以 满足工程实际的不同需求。阶段性目标：
28、研究将分两个阶段进行，第一阶段（20062007），主要对多孔材料的制备理论和相关技术进行初步研究，揭示材料宏 观性能和微细观结构的基本关系与表征理论， 发展跨尺度数值模 拟技术、基本性能参数的实验表征方法和一体化优化设计方法， 为进一步的深入研究 锁定目标和方向，并搭建好具体主攻内容的软硬件工作平台；第二阶段（20082010）为系统深入的高级研发阶段，主要针对共性关键科学问题展开攻关，全面 实现项目的五年预期目标。第一阶段目标：（20062007）针对汽车、高速列车、飞行器等装备典型结构件所处的特殊环境， 进行详细调研，确定明确的技术指标 ；建立具有国际先进水平的超轻多孔金属材料与结构制备
29、和装备的组合实验平台，完成 46 种针对不同应用需求的多孔金属材料的设计、选 材和制备方案；提出材料多孔化的机理；探索异材连接的界面设计、形成、演变及破坏机理；研究多孔有序结构自由成形成形过程中多参数耦合作用关系。科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考建立单一外场下（净载、动载、 强迫对流、高声 强等）多孔材料性能及其尺度效应的表征新方法和相应的基础理论框架，以及材料性能基本参量（如刚度、强度、异材连接界面强度、断裂韧性、吸能、散热、吸波或屏蔽等）的评价方法和技术规范， 包括物理模型与表征参量、耦合 场模拟装置与信号检测、数 值分析与计算机模拟；借助高分辨电子显微镜、纳米压入原子力显微镜
30、、高速数字摄像机、 红外相机、微流体光学平台等研究材料性能变化的物理机制，探索材料性能存在尺度效应的物理机制。建立基于拓扑优化的轻质材料新体系微观构型的创新设计的基础理论框架，针对某些具有特定性能的材料微观构型，确定微结构参数描述、微结构采参数与宏观性能间的依赖关系，建立 实现特定性能材料的设计方法，发展具有特异性质的材料的发现和设计的创新方法。根据航空、航天、船舶、高速列车领域典型结构件所处的特殊环境，对泡沫金属材料和复合材料进行选材。根据环境载荷及技术指标的要求，对纤维增强泡沫金属夹芯结构进行优化设计和分析，以使结构的比强度、比刚度、 稳定性、吸声特性、减振特性、传热特性、吸能特性达到技
31、术指 标的要求。根据优化设计方案，发展不同的成型工艺，采用泡沫金属芯子、 纤维 柱和复合材料面板一体固化的方式，制备纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构。第二阶段目标：（20082010）针对汽车、高速列车、航天等不同的背景需求， 进一步深入研究超 轻多功能多孔金属材料的不同制备工艺，建立完整的多孔金属材料制备理论体系，改造和完善材料制备及检测实验平台；根据优化设计结果，制备满足不同需求的创新构型多功能多孔材料；制备工程实际中需要的部分典型结构件。科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考建立描述多孔材料静力学特性、动力学特性、 稳定性、阻尼特性、吸波或屏蔽特性和冲击特性的数学模型或物
32、理模型，侧重于材料微细观形貌对其宏观性能的影响及尺度效应；提供不同微结构的缓冲特性参数的阈值估计，以及强冲击条件下不同多孔材料的耗能指数的估计；围绕多孔材料的损伤机理和破坏模式，确立检测技术和评价方法，研制出相应的仪器装置；确立多孔金属微结构的动力学优化准则；揭示不同结构形式的多孔材料对轻质物理波传播的影响规律；发展多孔材料导热、强制对流、辐射换热、复合传热、相 变传热的理论，建立相应的数值模型和实验系统，提出一批 对流换热的实验关联式。针对周期性和确定性细观构造模型，建立多物理场耦合作用下的、稳态与瞬态物理和力学问题的双尺度数学模型，相应的多尺度计算方法，及相关的数学理论研究；针对随机性构造
33、的材料模型，按其构造特征建立相应的材料性能预测的多尺度计算方法和相关的数学理论研究；针对其结构的稳态与瞬态行为，提出相应的多尺度算法，并开发高性能数值模拟的软件技术；针对高温、撞击出现的高应变率以及力场与物理场耦合作用的极端环境，发展多孔材料夹心复合层板一体化的物理和力学行为的、 线性与局部非线性的多尺度算法，编写相应的计算程序，并与实验数据比较，以检验算法的可用性。 为材料与 结构的综合性能评价及一体化优化设计提供可靠、 实用的理论模型和高性能的计算方法。开展纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构的冲击试验，表征结构受冲击后的损伤机理和破坏模式，建立其细观力学分析模型，以预报其剩余寿命；
34、针对这类结构形式，开展 细观力学研究，建立材料内部细观结构与其宏观有效性能的定量关系；研究结构在外压及轴压作用下的变形及稳定性问题；发展细观损伤力学、断裂力学和数 值模拟方法， 为这类结构在复杂载荷作用下的可靠性科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考评价奠定基础；在其它子课题对泡沫金属材料的吸声特性、阻尼特性、传热特性所开展的研究工作基础上，开展纤维增强泡沫金属夹芯结构的降噪、减振、隔 热或散热性能的研究。根据工程实际需求，制 备典型的纤维增强泡沫金属夹芯构件，并与目前使用的结构系统和功能系统进行比较研究。基于上述基础理论和评测方法研究，提供一套多场耦合下多孔金属材料及结构服役寿命预测与
35、可靠性的设计指标及相应的技术规范，并在汽车、高速列车、航天等方面取得示范性应用，包括抗碰撞/冲击的高能量吸收 闭孔泡沫铝合金组件，具有优良散热、降噪、吸波能力的通孔泡沫金属部件等；同时在项目承担单位建立多孔金属性能表征的基础科学研究基地，开展具有系统性、前瞻性的科学研究和规范化的技术方法探索。三、研究方案为实现项目的总体目标，本项 目拟订的总体学术思路是以材料与 结构创新构型理论为基础，以节约能源、减少环境污染等国家重大需求 为牵引，从材料制备着手，以研究多样化性能及设计方法为手段，从材料、力学、数学、 传热学、声学、电磁学等学科交叉融合的角度，以多孔金属材料的力学和其它物理参数存在尺度效应这
36、一认识为出发点，采用由微细观逐渐进入宏观领域的研究思路，针对 超轻多孔金属材料的性能表征及其尺度效 应这一学科前沿课题开展规范化、系统化的深入研究。通过本项目的实施，实现多孔材料“需求设计制备”的一体化，从而实现从“ 选择材料”到“创造材料”。1 技术路线与具体措施本项目将集中优势力量，重点突破超轻多孔金属材料与结构制备及应用中所涉及的共性理论和关键技术。在制备方面，创新的关键在于发展具有自主知识产权的自制设备而不是进口。拟对 原有泡沫化制备设备进 行以计算机优化过程控制参数为目标的大幅度科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考改进，再加上精确描述粘度及泡沫化界面推移的实时检测设备，使其成
37、为具有国际先进水平的过程检测、控制及优化设备；将进一部完善 TiH2发泡剂动力学TPD 装置（程序升温热分解装置）这一国际领先的特有装置及其原理和方法； 对金属或复合材料面板表面进行特殊处理，以保证多孔金属与面板的结合强度；改进以化学法合成制备介孔材料的模板剂技术，采用新原料、探索模板剂新制备方法以获得孔结构稳定、孔隙率和孔比表面积较高的性能优越的介孔材料；改进并完善基于微弧焊的直接金属成形技术的硬件系统及各子系统，软件系统的开发平台、系统结构和实现的方法；采用基于 CCD 的被动式视觉传感熔池控制方法以提高成形件表面质量；进一部完善基于原型的快速精铸制备工艺，确定最佳浆料浓度配比和型壳的焙烧
38、工艺。在多孔材料物理性能基本参量的测试与表征方面，拟利用纳米压入、微压痕等手段测量胞壁材料的基本力学性能；采用 MTS、Instron 等材料实验系统测定典型多孔金属试件的准静力材料性能和力学参数；采用高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属（包括多孔梯度金属）在冲击载荷下的动态行为；通过落锤、Hopkinson 压杆层裂、Taylor 冲击以及平板冲击的激波加载等实验，建立超轻多孔材料和结构的动态本构理论；利用显微观测技术来表征多孔金属材料和结构的损伤机理和破坏模式；建立单相与两相换热的基本试验台，研究金属泡沫在几种典型单相与两相情况下的流动传热性能与其微观结构的关系；采用红外线热成像系统及光学
39、测试系统对金属泡沫中的两相流型进行可视化研究,得出流型转换的基本规律；通过建立稳恒热源（电加热）的实验平台，对多孔散热和隔热材料进行热性能测试；采用现有磁场发生装置，设计多孔介质通道，采用导电流体进行磁场作用下的流动与传热实验；利用现有的电磁兼容试验设备和微波测试设科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考备对各种不同结构的多孔金属材料的电磁波传输特性进行测量。在多孔材料性能表征及尺度效应方面，拟采用宏观唯象理论、微细观理论和计算模型三种不同研究方法，其中微细观理论和计算针对有序和无序两种多孔材料分别采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观性能与微观结
40、构间的关系，同时通过计算模拟在实验上难以实现的加载情况，作为对试验的补充；以通用有限元程序作为基本工具，利用计算机对真实系统进行模拟，将实验测试和理论推导得出的反映材料和结构动态性能的本构关系、计算模型等通过编制相应的计算机子程序实现，采用有限元仿真模拟手段研究汽车等的碰撞安全性等；在基本连续介质力学控制方程的基础上，采用有限元等数值方法，配合实验研究，建立爆炸冲击波在超轻多孔材料和结构中的传播衰减理论；在实验、观察基础上，考察动量方程中非线性项与材料微观结构的关系,并提出相应的动量及能量改进模型，研究多孔材料的微观结构对流动及传热机理的影响机理；建立典型流动与传热过程的数学模型并发展与之相适
41、应的有效数值方法， 对金属泡沫中单相与两相流动与传热过程进行仿真研究；以电子器件冷却以及空气冷却器为对象，研究将多孔金属应用于工程实际的可能性；通过动态模拟，研究多孔金属制备中的质量迁移、热量传递等复杂流固耦合流变过程；建立用于仿真计算的开孔、闭孔、混合开闭孔的不同结构的物理和数学的一维和三维建模,结合有限元等数值方法进行不同结构下的不同波长轻质物理波的传播规律研究，在仿真计算和试验研究的基础上，从经典波导方程出发进行多孔金属材料的声波、电磁波传输理论分析。在创新构型优化设计方面，拟通过仿生和优化两个途经探索超轻质结构的设计；在按这两个途经探索时， 实现超轻质结构的重点，一是将结构构型的优化科
42、研中国www.SciE收集于网络，仅供参考和材料的微结构优化同时考虑，二是所研究的材料和结构除了能承力，还要具备其他功能，如防热、隔振或特殊的电磁性能，并在 结 构不同部位优化使用具有不同复合功能、不同微结构的材料。上述技术路线可进一步展开为：a）复杂环境下考 虑多约束的 结构宏观几何构型的创新设计方法。研究在多物理场耦合环境下，考虑材料和几何的非 线性，受到含应力、位移、 动力特性等多种约束的结构拓扑优化技术。通过设计结构的拓扑形式，以使结构具有良好的力学性能的同时，具有良好的隔 热或散热性能。由于具有特定微结构的一种超轻材料不可能具有所有的优点，利用 结构拓扑优化等先进技术，研究多种超轻材
43、料的组合、 协调与配合使用技 术，以达到在轻质、高强韧 、多功能等要求下的轻质材料和结构并发设计。b）基于拓扑优化的轻质材料新体系微观构型的创新设计理论。1) 我们研究的材料从微观来看(这儿的微观是纳米、微米或毫米量级)，是一个结构。当由这种材料组成的结构用来承担外力时，为了分析其极限承载能力，必须考虑结构宏观失稳和微观失稳；2) 由于制造、生 产过程和材料本身的不确定性，具有微观构型的材料的宏观性质也具有不确定性， 进一步影响到结构宏观性能的不确定性。因此，需要研究这些不确定性参数 对宏观材料性质的影响，研究等效性质的离散特征和统计特征的分析技术；3) 根据工程结构的功能对材料性质的特殊要求
44、，利用拓扑优化理论，研究特定性能材料的 设计理论和方法；4) 针对桁架类夹芯结构，利用拓扑优化技术，进行芯体材料微 结构拓扑形式的 创新设计，以使 夹芯结构整体具有轻质高强韧和高散热等特性；5)综合考虑材料的传热性能、强度、刚度和重量要求，设计材料的微 结构拓扑形式和骨架材料的形状、尺寸，建立多目标、多学科拓扑优化设计 模型，研究该问题的优化方法。科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考在纤维增强泡沫金属夹芯复合材料方面，根据结构件的特殊环境要求以及结构优化设计的结果，研制能 够满足工艺要求的模具，探索这种空间仿生夹芯结构与面板同时成型的成型工艺，使得在夹芯板成型固化后芯材与面板没有界面。
45、利用课题 1、2、3、4、5 关于泡沫金属材料的研究成果，开展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的力学及物理性能的研究，主要包括结构的失效机理及破坏过程、稳定性、动态 响应、阻尼特性、降噪特性、吸能特性、可靠性 评价等。 在以上研究成果的基础上，针对航空航天、船舶、汽 车、高速列车等运载工具所提出的特殊要求，制备具有吸能、减振、隔 热或散热、降噪功能的纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构的典型件，以 验证本项目的研究成果。2 创新点与特色本项目的特色和创新点主要体现在：1）采用“需求 设计制备 ”一体化的方法研制多功能超 轻多孔材料，从而实现从“选择材料 ”到“创造材料”的飞跃（方法创新）
46、；2）以国家需求为牵引，将超轻多孔材料的结构功能和其减震、传热、降噪、吸能等特性相耦合，达到节约 能源、 净化环境等多重目的（功能创新）。3）准确表征超轻多孔材料与尺度相关的力学、热学、声学、 电磁学等宏观性能的新理论体系，并据此在多物理场耦合环境下定量、可靠、系 统地分析材料宏观性能与微结构之间的依赖关系（理论创新）；4）利用超轻多孔材料若干性能表征的新理论及拓扑优化等先进技术，对材料的宏观几何构型和微观构型的一体化创新设计进行深层次的研究，同时考虑制造工艺和其它非结构功能的影响（体系创新）。 科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考3 研究方案的可行性分析本项目的学术思想和研究方案是建
47、立在对相关国内外研究现状与发展趋势的深入分析和各主要建议单位已有坚实的相关前期工作基础之上。在国家前期相关项目的支持下，在与本项目有关的研究的不同侧面，各建议单位已取得了不同程度的良好进展，积累了较丰富的研究经验、研究基础和技术储备，某些关键性的理论和技 术已处于突破的边缘，部分结果已获国际承认，特别是超轻多孔金属的制备和面向国家需求的重大应用，材料与结构一体化优化设计，以及多孔金属宏微观 性能的力学、 传热学、声学等研究领域的基础理论研究方面已取得了一系列重要成果，其中部分成果居于国际领先或国际先进水平。东南大学超轻型金属结构实验室自 1988 年以来一直从事多种形式超轻型金属结构的制备、结
48、构、性能及高技术应用研究，制 备 及应用保持在国际前沿水平，拥有专业研究队伍：教授、博士后、博士等 20 人。在 10 项国家自然科学基金委项目(包括重点 项 目) 及国家载 人航天、国家实验、兵器、 军用船舶项目连续资助下，迄今已在“中国科学 ”、“科学通 报” 发表文章 5 篇， “材料研究学报”14 篇，共计 65篇文章；获得及申报发明专利 12 项，在载人航天、国家试验等四个不同高技术领域都取得了国际水平的创新成果，并在世界上率先研制出高比强度泡沫铝合金。为适应多种形式高技术前沿需求，实验室自行设计和建造了多种设备，其中包括多套熔体泡沫化制备闭孔泡沫金属的设备及辅助设备，熔体在多孔介质
49、中渗流制备通孔泡沫金属的设备及辅助设备，自制了多台（套）控制分析设备和专用压力机。东 南大学分析中心及力学实验室拥有所需的各种仪器及实验设备，而协作单位南京大学微结构国家实验室拥有阻尼研究的全套设备，为实施本项目多种高技术及汽车需求提供了良好的前期工作基础及实验条件。科研中国www.SciE收集于网络，仅供参考在材料力学行为跨尺度数值模拟与力学建模、固体本构理论和材料的宏微观破坏力学等研究方向，西安交大和清华大学、哈工大等在国家自然科学基金重大/重点项目、国家杰出青年科学基金、基金委优秀创新群体基金等项目资助下做出了高水平的研究工作，在国际固体力学影响因子最高的固体的力学与物理杂志上发表的论文数，近六年来在全球高校中约居第五名；发表在 JCR 统计的 22种固体力学领域期刊中的 SCI 论文数也居前十位，所发表论文在国际上被他引超过二千余篇次。在超轻多孔材料的热性能研究方面, 西安交大在过去五年对金属泡沫、栅格材料等多种超轻多孔金属的单相对流换热及高温下的
