超輕材料在航空業的應用前景

寂靜天花板

一種由微點陣結構（microlattice）組成的超輕材料在密度極低的同時具備極佳的抗壓彈性和沖擊吸收能力，可在航空工業得到廣泛應用。

波音公司下屬的HRL實驗室開發出一種號稱是目前最輕的金屬鎳氣凝膠材料，它是HRL實驗室在2011年為美國國防預研局（DARPA）研發的，其密度為0.9mg/cm3，一張該材料置于蒲公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，具有獨特的納米級多孔及三維網格結構，同時具有極低的密度（3～500kg/m3）、高比表面積（200～1000m2/g）和高孔隙率（孔隙率高達80％～99.8％，孔洞典型尺寸為1～100nm），從而表現出獨特的力學、光學、熱學、聲學及電學性能。這種材料也被稱為“微點陣結構”（microlattice），意為材料的內部結構是由無數微點陣組成的。

不斷刷新紀錄的超輕材料研究

近年來，號稱“最輕材料”的紀錄不斷被刷新。2011年，美國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，由美國學者研制出的金屬鎳氣凝膠，其密度僅有0.9mg/cm3。2012年，德國學者利用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，是當前最輕的固體材料。

除此之外，相關研究機構還開展了以微結構設計提升材料力學性能的研究，總的來說，超輕材料的發展正向“設計材料”的方向轉變。2013年，美國麻省理工學院（MIT）開發出“數字材料”，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“可逆裝配多孔性復合材料”，其鎖鏈式的結構可方便地增加或去除零件單元。微小的結構單元可以制造得很小（如1μm 或更小），甚至可與材料微觀結構中的原子晶格相比。這種支架狀的模塊化數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機翼這樣的大型結構零件。利用這種材料和裝配方式制造的零件，比由現有超輕材料制造的零件強度高10倍，并具有不易斷裂、可靠性高的特點。空中客車公司已與麻省理工學院（MIT）簽訂了合作協議，雙方將共同探索數字材料在航空制造業的應用。預計這種新材料系統所帶來的減重會使飛機節省約30% 的燃料。

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2014年，MIT又發明了采用呈捆綁式微結構設計的3D打印聚合物單元體，它具有超高強度和超輕特性。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160萬倍的載荷。目前MIT和勞倫斯利弗莫爾實驗室的科學家正用金屬、陶瓷和聚合物分別進行實驗，并得到了類似的結果。

DARPA也資助開展了相關工作，其具有里程碑意義的舉動是啟動了一系列“設計材料”計劃，通過微結構控制（MCMA）項目來研究材料的制備，該項目試圖控制材料的微結構，以改進結構效率并實現以往在單質物質上不能獲得的許多特性，進而創造具有獨特性能的新材料。

DARPA還在探索將大型建筑結構所采用的桿-支點原理用于材料的微觀結構，從而獲得高效材料。波音HRL實驗室開發的金屬鎳氣凝膠材料即是DARPA的防務科學辦公室（DSO）近年資助的一系列“微結構控制(MCMA)”的研究， HRL表示，這種金屬鎳氣凝膠即采用了桿-支點結構，它可在納米尺度下進行設計，是一種可能帶來巨大變革的輕質材料。這種金屬鎳氣凝膠特殊的結構使其體積在壓縮50%以后還可以恢復原來的形狀，因此具有非常高的能量吸收能力。

目前，HRL已經能夠（通過）在納米、微米和毫米尺度下用占結構總體積0.01%的原材料來制造這種結構，材料結構體積中99.99%都是空氣，其中的訣竅就在于制造一個壁厚100nm的相互連接的空心管晶格。據推測，該材料在制造過程中首先利用光固化聚合物作為模板做出基本的結構，然后用紫外光將聚合物按一定規律固化，制造出由微支架組成的3D結構，接著以電鍍的方式在此結構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。

波音公司正在對這種3D打印的金屬微晶格材料進行進一步的完善和測試，并準備將其用于客艙內飾，如側壁、地板的非承力構件。目前飛機內飾材料主要采用熱固性或熱塑性樹脂基復合材料，而超輕金屬鎳氣凝膠材料不僅較傳統金屬材料及復合材料具有顯著的減重優勢，而且比復合材料具有更好的阻燃、防煙霧及低毒性等特性，在民機客艙內飾領域具有廣闊的應用前景。

新技術為超輕材料提供支撐

3D打印技術、納米技術和計算材料技術為以微點陣材料為代表的超輕材料的發展提供了有力的保證。

微點陣材料的結構形式具有諸多優點，如柔性好、密度低、無需切削加工、制備效率高、孔隙率高、抗沖擊能力強、可近凈形成型等優點，兼具功能和結構雙重作用，是一種性能優異的多功能工程材料，而3D打印技術為這種材料的制備提供了新的方法。

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3D打印技術可采用模板法構筑超輕空心管微點陣金屬結構：首先用3D打印技術制備所需結構的微點陣模板；然后在模板表面進行化學鍍或者電鍍制備金屬薄膜；最后經燒蝕或化學刻蝕掉模板，得到超輕空心管微點陣金屬材料。波音HRL實驗室研發的鎳金屬氣凝膠就是典型案例。

在納米材料的技術方面，2015年5月20日，美國國家經濟委員會（NEC）和科學與技術政策辦公室（OSTP）在白宮舉辦一個論壇，討論加速納米技術商業化的機會。下一代技術將從納米組件向交叉學科的納米系統發展，并從基礎研究中獲得進展，以確保納米技術迅速實現商業化。

另外，計算材料技術是未來新材料開發的必由之路。目前在該領域，DARPA屬于領跑者，正尋求這一領域的下一個重大進展，即利用超快的激光成像器、突破性的化學合成方法等新工具開發新型材料。DARPA所有的計劃均顯示出一個基本的轉變，即從制備材料轉向設計材料，從而進入一個材料的“設計師時代”。

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是不是前一段時間報道的類蜂窩材料，波音公司已經在客機內部應用一種新開發的材料