超轻材料在航空业的应用前景

没得比

　　一种由微点阵结构(microlattice)组成的超轻材料在密度极低的同时具备极佳的抗压弹性和冲击吸收能力，可在航空工业得到广泛应用。

　　波音公司下属的HRL实验室开发出一种号称是目前最轻的金属镍气凝胶材料，它是HRL实验室在2011年为美国国防预研局(DARPA)研发的，其密度为0.9mg/cm3。

　　所谓气凝胶是一种新型固体材料，具有独特的纳米级多孔及三维网格结构，同时具有极低的密度(3~500kg/m3)、高比表面积(200~1000m2/g)和高孔隙率(孔隙率高达80%~99.8%，孔洞典型尺寸为1~100nm)，从而表现出独特的力学、光学、热学、声学及电学性能。这种材料也被称为“微点阵结构”(microlattice)，意为材料的内部结构是由无数微点阵组成的。

　　不断刷新纪录的超轻材料研究

　　近年来，号称“最轻材料”的纪录不断被刷新。2011年，美国一些研究人员研制出多壁碳纳米管气凝胶，密度为4mg/cm3;而到了年底，由美国学者研制出的金属镍气凝胶，其密度仅有0.9mg/cm3。2012年，德国学者利用ZnO粉末作为牺牲模板，制备出密度仅为0.2mg/cm3的“飞行石墨”。2013年，浙江大学高分子系高超教授制备出一种“碳海绵”，密度只有0.16mg/cm3，仅为空气密度的1/6，是当前最轻的固体材料。

图：波音HRL开发的放在蒲公英上的超轻材料

　　除此之外，相关研究机构还开展了以微结构设计提升材料力学性能的研究，总的来说，超轻材料的发展正向“设计材料”的方向转变。2013年，美国麻省理工学院(MIT)开发出“数字材料”，它的新颖之处并非是材料本身，而是组成宏观零件的方式。他们将这种新型材料称作“可逆装配多孔性复合材料”，其锁链式的结构可方便地增加或去除零件单元。微小的结构单元可以制造得很小(如1μm  或更小)，甚至可与材料微观结构中的原子晶格相比。这种支架状的模块化数字材料能够快速地将微小的支架模块组装在一起，从而制造出诸如飞机机翼这样的大型结构零件。利用这种材料和装配方式制造的零件，比由现有超轻材料制造的零件强度高10倍，并具有不易断裂、可靠性高的特点。空中客车公司已与麻省理工学院(MIT)签订了合作协议，双方将共同探索数字材料在航空制造业的应用。预计这种新材料系统所带来的减重会使飞机节省约30%  的燃料。

图：MIT研发的金属数字材料

　　2014年，MIT又发明了采用呈捆绑式微结构设计的3D打印聚合物单元体，它具有超高强度和超轻特性。这种与气凝胶一样轻的材料的刚度可与固体橡胶媲美，可承载自身重量160万倍的载荷。目前MIT和劳伦斯利弗莫尔实验室的科学家正用金属、陶瓷和聚合物分别进行实验，并得到了类似的结果。

　　DARPA也资助开展了相关工作，其具有里程碑意义的举动是启动了一系列“设计材料”计划，通过微结构控制(MCMA)项目来研究材料的制备，该项目试图控制材料的微结构，以改进结构效率并实现以往在单质物质上不能获得的许多特性，进而创造具有独特性能的新材料。

　　DARPA还在探索将大型建筑结构所采用的杆-支点原理用于材料的微观结构，从而获得高效材料。波音HRL实验室开发的金属镍气凝胶材料即是DARPA的防务科学办公室(DSO)近年资助的一系列“微结构控制(MCMA)”的研究，HRL表示，这种金属镍气凝胶即采用了杆-支点结构，它可在纳米尺度下进行设计，是一种可能带来巨大变革的轻质材料。这种金属镍气凝胶特殊的结构使其体积在压缩50%以后还可以恢复原来的形状，因此具有非常高的能量吸收能力。

　　目前，HRL已经能够(通过)在纳米、微米和毫米尺度下用占结构总体积0.01%的原材料来制造这种结构，材料结构体积中99.99%都是空气，其中的诀窍就在于制造一个壁厚100nm的相互连接的空心管晶格。据推测，该材料在制造过程中首先利用光固化聚合物作为模板做出基本的结构，然后用紫外光将聚合物按一定规律固化，制造出由微支架组成的3D结构，接着以电镀的方式在此结构上镀上一层超薄的镍，最后将之前作为支撑的聚合物以蚀刻的方式去除，从而得到了最终由镍组成的金属部分。

　　波音公司正在对这种3D打印的金属微晶格材料进行进一步的完善和测试，并准备将其用于客舱内饰，如侧壁、地板的非承力构件。目前飞机内饰材料主要采用热固性或热塑性树脂基复合材料，而超轻金属镍气凝胶材料不仅较传统金属材料及复合材料具有显著的减重优势，而且比复合材料具有更好的阻燃、防烟雾及低毒性等特性，在民机客舱内饰领域具有广阔的应用前景。

　　新技术为超轻材料提供支撑

　　3D打印技术、纳米技术和计算材料技术为以微点阵材料为代表的超轻材料的发展提供了有力的保证。

　　微点阵材料的结构形式具有诸多优点，如柔性好、密度低、无需切削加工、制备效率高、孔隙率高、抗冲击能力强、可近净形成型等优点，兼具功能和结构双重作用，是一种性能优异的多功能工程材料，而3D打印技术为这种材料的制备提供了新的方法。

图：微点阵结构的典型样式

　　3D打印技术可采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属结构：首先用3D打印技术制备所需结构的微点阵模板;然后在模板表面进行化学镀或者电镀制备金属薄膜;最后经烧蚀或化学刻蚀掉模板，得到超轻空心管微点阵金属材料。波音HRL实验室研发的镍金属气凝胶就是典型案例。

　　在纳米材料的技术方面，下一代技术将从纳米组件向交叉学科的纳米系统发展，并从基础研究中获得进展，以确保纳米技术迅速实现商业化。

　　另外，计算材料技术是未来新材料开发的必由之路。目前在该领域，DARPA属于领跑者，正寻求这一领域的下一个重大进展，即利用超快的激光成像器、突破性的化学合成方法等新工具开发新型材料。DARPA所有的计划均显示出一个基本的转变，即从制备材料转向设计材料，从而进入一个材料的“设计师时代”。