【技术帖】泡沫铝如何解锁车用铝合金？

　　这年头，一说汽车黑科技少不了谈轻量化。一谈轻量化，大家言必称铝合金。一说铝合金，连它的来路也都跟邻家小李子一样被人摸的门儿清：不就是利用冲压工艺制作铝合金板材、利用铸造工艺制作铸铝件么？

　　Too young。还有很多方法解锁铝合金哦，譬如——泡沫铝。

　　▲这货与泡沫和车有啥关系？

　　泡沫铝历史

　　大龄女青年想要找对象，一般要求都不高。不需要满足3个180（不要问什么意思，车聚君这么纯洁怎么知道），只需要他像彭予晏一样阳光帅气会撩妹，又像王宝强一样忠实老实收入高，就可以了。

　　嗯，赶紧从娱乐圈醒来。

　　在汽车圈，却还真有这样一种材料。它像泡沫一样，孔隙率大、比表面积高、阻尼减震强；又像金属一样，比强度高、比刚度高、耐高温、质量还轻，简直是造车者的梦中情人。

　　但你并不是在做梦。早在20世纪40年代后期，美国就率先研究这种材料，并于1951年科学家Elliot率先成功生产出泡沫铝。

　　泡沫铝是一种在铝基体中包含无数个气泡的轻质多孔金属材料,它同时兼有金属相气泡特征,是一种具有广泛应用前景的物理功能材料。

　　主要结构特点

　　(1)孔结构可调。可分为两种情况:一种是具有独立孔洞结构,分散的气泡或空心的颗粒分布在金属基体中(有人称之为海绵铝);另一种是具有贯通的孔洞结构(有人称之为蜂窝铝)。

　　(2)孔径较大。变化范围为0.1~10.0mm(一般粉末冶海多孔金属孔径径不大于0.3mm)。

　　(3)空洞率高。变化范围为40%~90%（一般粉末冶金多孔金属空洞率不大于30%）。

　　(4)密度小。变化范圈为0.2~0.9/cm3（仅为同体积铝的1/10~1/3）。

　　然而这种材料在发泡工艺、泡的大小和均匀性上很难控制，生产难度很大，当时并没有得到大范围使用，且在此后40多年里泡沫铝的制造和应用一直处在停滞状态。直到80年代末，日本九州工业技术研究所改善了泡沫铝的生产技术，国际上再次兴起了关于泡沫铝材料的开发热潮。

　　那场在1999年德国不来梅举行的第一届世界泡沫金属学会议，堪称泡沫铝腾飞的里程碑事件。此后泡沫铝就真正意义上从幕后走向了台前，工业化程度也越来越高，再也不是实验室里无人问津的科研材料了。

　　主要性能特点

　　高阻尼减震性能及冲击能量吸收率：阻尼性能为金属铝的5-10倍。孔隙率为84%的泡沫铝发生50%变型时，可吸收2.5MJ/M3C以上的能量。

　　良好的声学功能：1、隔声性能（闭孔）：声波频率上800-4000HZ之间时，闭孔泡沫铝的隔声系数达0.9以上。2、吸声性能（微通孔和通孔）：声波频率在125~4000HZ之间时，通孔泡沫铝的吸声系数最大可达0.8，其倍频程平均吸声系数超过0.4。

　　优良的电磁屏蔽性能：电磁波频率在2.6-18GHZ之间时，泡沫铝的电磁屏蔽量可达60-90dB。

　　良好的热学性能：通孔泡沫铝由于其孔洞相互连通，在强制对流条件下具有良好的散热性。不燃烧且有较好的耐热性。耐腐蚀性、耐候性好，低吸湿，不老化，无毒性。

　　易加工：切割、钻孔、胶结方便；经模压可弯曲成所需形状；能用有机或无机漆进行表面处理；可以两面蒙皮，构成大尺寸的轻质、高刚度板。

　　易安装：泡沫铝材料可以被安装在高处而无需机械起重设备，如：天花顶棚、墙壁和屋顶等，可以采用机械方法或直接用螺钉连接和固定，也可以用粘接剂粘贴在墙或天花板上。

　　金属薄板——泡沫铝——金属薄板形成的“三明治”结构继承了泡沫铝的优异性能，并具有很高的抗弯强度，可用作新型建材、机车车辆的高刚度结构件等。

　　泡沫铝制备方法

　　泡沫铝制备工艺有20多种，涉及的领域非常广，但对于汽车工业来说，泡沫铝价格并不低廉，加工工艺也比较复杂，各种制备工艺的稳定性和再现性都不是很高，孔结构的不均匀问题也还没有得到彻底解决。

　　泡沫铝制备主要为凝固法、烧结法、沉积法等，其中溶体发泡法相对简单，孔隙可控，成本较低，比较适合规模化生产大规格的泡沫铝材料。

　　泡沫铝在汽车工业中的运用

　　由于泡沫铝具有轻质、高比强度、高比刚度、阻尼减震、吸声隔热、电池屏蔽等特点，在航空航天、高速芯片，建筑材料中均有所应用，近些年这种材料又逐渐进入汽车领域。

　　泡沫铝经典应用之一就是泡沫铝夹层结构，由于综合了泡沫铝和金属板件的性能，这种结构强度较好，刚度提高2倍以上，阻尼、防撞能力提高3倍以上，且同比质量大大降低。

　　▲出于防弹、防爆目的，奥巴马乘坐的“陆军一号”防弹轿车采用了大量泡沫铝材料

　　OME公司曾经设计过一款汽车，底盘采用了泡沫铝三明治板结构，这种材料使用后，在同种结构下可以减低25%的重量。

　　据报道，如果将泡沫铝零件代替传统的汽车铸件，在零件强度不变的情况下，质量可以减轻50%以上。

　　此前，BMW曾联合澳大利亚轻金属性能研讨中心（LKR），研发了一种泡沫铝结构的发动机支架，在强化车架刚度，提高构架稳定性的同时还能耗散机械振荡和热能。

　　而德国卡曼汽车公司则采用三明治式复合泡沫铝材来制造吉雅轿车（Ghiaroadster）的顶盖板，在质量下降25%的同时，刚度比原来的钢构件大7倍左右，真可谓一石二鸟。

　　泡沫铝作为吸能缓冲结构存在时，多是应用在吸能盒、门梁结构、保险杠中，能够达到缓冲吸能的目的。例如用泡沫铝作夹芯制作轿车保险杠，具有吸收撞击动能的功能，由于回弹率很小（小于3%），可以有效避免二次碰撞伤害。

　　我们再详细聊聊大家比较陌生的几项：

　　吸能盒

　　这种填充结构吸能能力，大于吸能盒与泡沫铝单独吸收能量之和，而且由于泡沫铝的各向同性，在偏置碰撞中也能获得很好的能量吸收。

　　随着人们安全意识的提高，行人安全概念也逐渐成形。而这种结构能够完全吸收掉车辆以15Km/h速度撞击的所有能量，正能对行人安全起到保护作用。

　　NVH

　　吸热隔音上，泡沫铝也能起到立竿见影的功效。比如它就被使用在了客车消音器中。

　　客车泡沫消音器，泡沫铝吸声板经过耐火处理，可以适用在近600℃的尾气温度。降噪效果为阻抗型消声内芯、并联共振式消声内芯消声器的2～3倍，重量减轻1/3左右。

　　此外，用泡沫铝材料制作轿车地板、间隔、车门夹心板等也能达到隔音、隔震的效果。

　　顶盖

　　汽车顶盖作为汽车上最大面积的覆盖件，如何综合重量和强度的要求一直让厂家头疼。采用泡沫铝夹心板，厚度仅为2mm左右，刚度为钢板顶棚的7倍，重量还能减轻50%以上。

　　对未来的预期

　　当然了，看似完美的东西总归有着让人无奈的缺点，现阶段来说，泡沫铝的优点与高成本相比并不占优势。

　　未来，单独的泡沫铝结构在汽车上的使用可能会遇到瓶颈，但如果将这种材料和其他材料如金属、高分子等进行结合或许是种启发。

　　比如将泡沫铝和铝合金或碳纤维复合材料等结合，可以一定程度上缓解碳纤维材料成本高、脆性大，易断裂的缺点，同时又能获得良好的隔热静音、耐高温性能。

　　反过来也是一样的，将碳纤维作为辅材应用于泡沫铝中，提高泡沫铝本身的性能也是大有前景。现在已经出现了一些关于碳纤维增强铝基泡沫材料的研究，实验效果也说明其在保持泡沫铝原有功能的基础上，进一步提高了材料的物理性能，最终获得高吸能、阻尼减震、孔壁韧性较好的泡沫铝材料。

　　如何获得更好的三明治结构，加强泡沫铝和其他材料之间的结合力，强化各材料的性能特点，或者是寻求出一种新的结构，如多层的夹层结构等也不失为一种比较好的选择。

　　总之，尽管泡沫铝的研究已经比较深入，在其他工业中得到了多方面的应用，但是对于汽车工业来说，它还远远没有达到完全成熟的地步，目前也仅在一些汽车零部件上使用，但作为一种性能优良的材料，它的应用远远不止如此，将来泡沫铝和多种材料之间的结合会是一种趋势。

　　小结：

　　泡沫铝作为一种性能优良的材料，在汽车领域的地位应该更高，在铝合金大行其道的现代汽车工业中，它应该得到更多的重视。解决其成本和单一性，找到更好的结构和材料复合方法，或许是这种材料的新发展方向。