超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究

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，TiH2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；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。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，TiH2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；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