? ? ? ? 泡沫鋁材料是使用鋁合金發(fā)泡生產(chǎn)的新型輕金屬材料，也是當(dāng)前量產(chǎn)的工業(yè)材料里，吸能、防撞效果最理想的材料之一。

? ? ? ??泡沫鋁材料的吸能密度達到4～20J/cm3，并且應(yīng)力平臺寬而平，擁有不可替代的吸能緩沖性能，并在軍工、核電、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

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1.???泡沫鋁材料的吸能緩沖性能

? ? ? ??在討論吸能緩沖之前，我們需要知道，我們想要什么樣的吸能緩沖材料？

1.1??? 理想吸能緩沖曲線

? ? ? ??常見的材料在達到屈服強度之后，強度迅速下跌（壓壞了），壓縮曲線大體如下圖所示：

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? ? ? ??或者，對于常見的彈性材料，隨著位移增加，壓力由小而大：

? ? ? ??這兩種壓縮曲線并不是理想的吸能緩沖曲線。一方面，緩沖是為了保護，因此緩沖材料強度不可太高，一定要低于受保護的材料，比如，軟木頭可以給錘子做緩沖，但沒法給雞蛋做緩沖，就是這個道理；另一方面，材料強度也不可太低，不然起不到吸能緩沖的效果，并且，在整個壓縮過程中，最好都不要太低，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的、良好的能量吸收。

? ? ? ??從學(xué)術(shù)角度來說，能量等于力乘以位移，吸收的能量，事實上就是紅色曲線以下的面積。很容易想到，理想的吸能緩沖曲線應(yīng)該是一條直線：

? ? ? ??為什么鋼制的吸能緩沖件，總是需要復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)呢？因為鋼材本身并不是良好的吸能緩沖材料，他的壓縮曲線更接近于第一種，屈服之后強度下降。因此，需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，逐層坍塌，不同層之間的鋼材，互相補充其強度的不足，最終去逼近理想的吸能緩沖曲線。

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1.2??? 泡沫鋁材料的吸能緩沖曲線

? ? ? ??為什么泡沫鋁材料是比較理想的吸能緩沖材料呢？

? ? ? ??因為泡沫鋁先天具備細(xì)膩、均勻的空間結(jié)構(gòu)，也就是上文所述，鋼結(jié)構(gòu)想要模擬的結(jié)構(gòu)。在壓縮過程中自然就擁有了比較理想的壓縮性能：

? ? ? ??圖中可以看到，泡沫鋁材料的壓縮曲線，比較接近理想的壓縮曲線。

1.3??? 不同密度等級泡沫鋁材料的壓縮強度

? ? ? ??如表所示，供參考：

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2.?????? 泡沫鋁材料在吸能緩沖領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1????????? 軍工裝備與工程

? ? ? ??泡沫鋁及其復(fù)合材料，在擁有優(yōu)異的防爆防彈性能的同時，能夠保持較輕的結(jié)構(gòu)重量，在軍工領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

? ? ? ??歐美泡沫鋁廠家主要集中在北美，如美國ERG、加拿大Cymat，均有較強的軍工背景。用于軍工、核電領(lǐng)域的高強度泡沫鋁（強度≥5Mpa），北美企業(yè)對國內(nèi)禁售。

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2.2????????? 核電

? ? ? ??泡沫鋁是最受好評的緩沖材料之一，相比傳統(tǒng)的緩沖材料，在吸能效率高的同時，其力學(xué)性能在各個方向上體現(xiàn)出較高的一致性，而傳統(tǒng)的桉木、蜂窩鋁等緩沖材料，由于紋理方向的影響，在不同方向上力學(xué)性能差異較大。

? ? ? ??同時，泡沫鋁的耐火、防水性能，進一步增強了在核電緩沖領(lǐng)域的性能優(yōu)勢。

? ? ? ??在核電燃料運輸領(lǐng)域，乏燃料運輸容器要求較高，要求通過9m各向跌落試驗以及火燒、穿刺試驗，目前已經(jīng)開始批量使用泡沫鋁材料做吸能緩沖。

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2.3????????? 汽車

? ? ? ??在歐洲，采用粉末密實熔化發(fā)泡法制備的泡沫鋁已在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和吸收沖擊零件上已經(jīng)獲得應(yīng)用，并進入了小批量生產(chǎn)階段。各大主機廠如大眾、寶馬、歐寶、菲亞特、雷諾、奔馳、卡曼等都已采用泡沫鋁制造汽車側(cè)面與前部防撞零件、軸架及車身板件等。

? ? ? ??早在十幾年前，現(xiàn)代集團就在中國申請了泡沫鋁防撞梁吸能盒的發(fā)明專利。而長城、奇瑞、華晨、紅旗等自主品牌汽車企業(yè)，也已經(jīng)開始研究泡沫鋁用于汽車吸能緩沖，并發(fā)表了大量的論文、專利。

? ? ? ??隨著國內(nèi)新能源汽車的興起，對車身減重的要求進一步增加，并且增加了電池的防爆、防火需求，因此泡沫鋁復(fù)合板用于車身、電池包已經(jīng)被廣泛關(guān)注，多家企業(yè)紛紛開展技術(shù)預(yù)研。

? ? ? ??新技術(shù)的發(fā)展更帶來了無限多的可能性，通過注射成型的方式，有望直接批量生產(chǎn)泡沫鋁復(fù)合零件，類似上文的寶馬發(fā)動機底座。并且，新工藝徹底解決了粉末冶金工藝成本高、批量小的問題，具備在汽車領(lǐng)域大規(guī)模推廣的條件，前景廣闊。

2.4????????? 道路、橋梁

? ? ? ??泡沫鋁已經(jīng)應(yīng)用于山東高速道路護欄的防阻塊，同時在道路防撞緩沖車、高速出口防撞墊等領(lǐng)域也具備極大的應(yīng)用潛力。

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? ? ? ??同時，在橋墩防撞領(lǐng)域，泡沫鋁也是最理想的材料之一。強度1MPa左右的泡沫鋁材料可以直接應(yīng)用于橋墩防撞，避免了傳統(tǒng)鋼或玻璃纖維材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難等問題。

2.5????????? 工業(yè)、礦井

? ? ? ??在工業(yè)緩沖、礦井緩沖等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

3.?????? 泡沫鋁應(yīng)用于吸能緩沖領(lǐng)域的設(shè)計思路

3.1????????? 一維碰撞結(jié)構(gòu)的簡單計算、設(shè)計流程

? ? ? ??理解了上面的吸能緩沖模型之后，一維的吸能緩沖計算其實非常簡單，使用高中物理知識就可以解決。

? ? ? ??按如下幾個步驟：

? ? ? ??1.?????? 通過實驗、數(shù)據(jù)檢索、經(jīng)驗等方式，確實受保護結(jié)構(gòu)的最大受力，并根據(jù)最大受力估算出結(jié)構(gòu)的“等效強度”（對于均勻結(jié)構(gòu)，可以直接用材料強度）；

? ? ? ??2.?????? 根據(jù)以上結(jié)構(gòu)強度，選取合適的緩沖材料強度；

? ? ? ??3.?????? 根據(jù)實際工況，如被緩沖結(jié)構(gòu)的速度、重量，以及需要達到的緩沖結(jié)果，計算需要緩沖材料吸收的能量值，并計算緩沖材料用量；

? ? ? ??4.?????? 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，結(jié)合最大加速度限制（如人體一般可承受5~8g）測算出需要設(shè)置的緩沖距離；

? ? ? ??5.?????? 對比材料用量、距離，核實泡沫鋁材料的截面積是否過小，如果確實存在強度高、面積小的情況，可以適當(dāng)降低強度、增大截面積；

? ? ? ??6.?????? 根據(jù)以上測算，初步定型緩沖結(jié)構(gòu)。

? ? ? ??工程實踐中，相當(dāng)一部分碰撞緩沖，其實就是一維或準(zhǔn)一維的，通過以上計算流程，并預(yù)留合理的設(shè)計余量，就可以得到合理的設(shè)計方案。

3.2????????? 復(fù)雜工況結(jié)構(gòu)設(shè)計

? ? ? ??一般可以采用如下方式：

? ? ? ??1.?????? 通過一個或多個方向的一維計算，初步確定防護等級或者材料強度量級；

? ? ? ??2.?????? 通過計算機數(shù)值模擬等方式，優(yōu)化選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計；

? ? ? ??3.?????? 試驗驗證并定型。