超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究 - 图文

项目名称：起止年限：依托部门：超轻多孔材料和结构创新构型的多功能

化基础研究

卢天健 西安交通大学 2006.1至2010.12 教育部

首席科学家：

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。

二、预期目标

1 总体目标

本项目将针对以节能、净化、超轻质、多孔、多功能为特征的新材料体系，以现实的国家重大需求为牵引，以发展和建立超轻多孔材料的完整科学和技术体系为目标，交叉融合材料科学与工程、力学、计算数学、热学、声学、机械学、微电子学等学科，重点进行制备机理与手段、流变制备过程精确仿真和实现、宏微观性能表征及其尺度效应、材料与结构创新构型优化设计的基础理论研究；针对材料在典型力/热/声/电磁外场及其耦合状态下的复合性能，形成系统规范的表征方法、测试与评价技术，最终实现对材料的微观构型与宏观结构/部件进行一体化多学科协同设计。通过该项目的实施，发表一批高质量的学术论文；出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著3~5部；培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的多孔金属的基础与高技术研究队伍。 2 五年预期目标 科学理论层面：

1) 揭示熔体中泡沫化制备过程中球形孔/多边形孔/泡沫的形成规律及演变规律、TiH2热分解动力学与熔体泡沫化过程的关系以及凝固过程中与两相组分有关导热率的变化规律；建立泡沫铝合金异型件制备过程中泡沫生长规律、泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理；实现对超轻栅格材料和超轻纤维复合多孔金属从微观到宏观的结构和形态的定量控制；揭示异材连接的界面物理化学过程及其界面微观结构；揭示模板剂制备介孔材料的合成机理；揭示多尺度有序多孔结构的制备过程中材料传输与成型条件控制机理，以及金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律；建立材料非线性、几何流形及边界接触的非线性大变形流变过程的有效数值模拟方法；实现对材料微观组织动态演化的精确仿真。 2) 建立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；揭示在撞击、爆炸冲击波作用下应力波在多孔材料中的传播机理和衰减规律及对细观结构的依赖性，建立强动载荷下超轻多孔材料和结构的动态损伤理论；揭示多孔金属材料的流动传热特性，建立宏观传热微观结构的定量关系，研究在微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理，揭示沸腾传热机理、冷凝传热机理及多孔介质燃油机理，建立有效的数学模型及传热特征量的表征体系；建立毫米波和厘米波在多孔金属材料中的传播理论，奠定多孔金属材料在声/电磁屏蔽和声/电磁吸收领域的应用基础，指导具有特殊吸波或屏蔽功能的多孔金属材料的微孔结构优化设计，发展相应的表征方法和技术，并探寻是否存在能够透波的新型复合结构多孔金属材料。

3）基于现有轻质多功能结构优质构型的组合、协调和仿生设计的新构型设计技术，建立既能提供结构拓扑、形状和尺寸几何属性参数，又能提供结构内部材料属性参数（微结构描述参数及其随空间位臵变化）的材料设计和结构设计一体化的设计优化理论和方法，以及协同考虑多种功能、集多种功能于一体的设计理论和方法。

4) 发展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的细观力学理论，给出该类结构的宏观有效性能的预报公式；发展纤维增强泡沫金属夹芯结构的稳定性理论，确定该类结构的临界屈曲载荷；基于破坏性实验及无损检测技术，表征纤维增强

泡沫金属夹芯结构的损伤机理和破坏模式，并建立材料破坏的相应强度准则；建立复合材料结构失效破坏过程的细观力学模型，对其失效过程进行数值模拟，揭示这类结构失效破坏的内在本质。 关键技术层次：

1）研制高性能闭孔和通孔泡沫金属及其三明治结构、泡沫铝合金异型件、栅格金属、金属纤维复合多孔材料、多功能纳米介孔材料，建立多套针对不同国家需求的示范系统，形成多孔金属制备和装备等方面的专有技术与发明专利10项以上。

2）在建立多孔材料微结构尺度与结构/系统跨尺度分析的理论基础上，发展多场耦合下材料宏观和微细观性能的数值表征方法，掌握跨尺度材料行为数值模拟技术，包括：周期单元胞和三维超级单元胞有限元方法；汽车碰撞等的计算机仿真；充分考虑泡沫支架导热及沸腾/凝结中的相互影响及耦合以及动量方程中的非线性项在两相流动中的作用的数值方法; 非规则开放式孔隙多孔金属材料中厘米波和毫米波的传播规律以及三维多界面的反射、透射对传播规律的影响等，为多孔材料性能的正确表征提供数值模拟基础。

3）结合基础理论研究，针对典型的多孔材料及其复合结构，发展力学、热学、波导等性能基本参量的实验表征方法，包括：高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属在不同冲击速度下的受力分布、形变和能量传递过程；采用光学测试系统测量多孔材料的相变传热及以红外线热成像系统测量表面连续温度场；结合体视荧光显微镜，高速摄影快速变化过程中的流型变化等。借助高分辨电子显微镜、纳米压入原子力显微镜、静态/疲劳拉伸台、冲击平台、超声C扫描仪、X-射线探测仪、高速数字摄像机、超高温测试设备、微流体光学平台、噪声测量用消声室、激振和测振系统等先进仪器和设备，建立比较完备的关于材料从纳米到毫米的介观性能和结构特征的表征方法、检测平台和测试规范，形成10项以上专有技术和发明专利。

4）在多孔材料创新设计方面，提供：新型微观构型的线性、非线性等效性质的分析计算方法；含缺陷以及参数具有不确定性条件下的材料等效性质的离散特征分析技术；基于新体系轻质材料，考虑弹塑性性质、阻尼特性、热传输性能、电磁性能、波导性能等的结构优化设计理论和方法；桁架类空心材料结构、微层板结构、夹芯结构等典型组合结构的优化设计；材料性能和结构功能指标因子研究以及基于多指标因子的材料和结构并发设计方法；跨尺度优化问题的提法以及有效的求解方法研究，跨尺度参数间敏度分析方法；多物理场耦合作用下材料与结构多尺度分析方法等。

5) 发展新的复合材料结构制备工艺，研制出满足不同功能需求的纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构，形成该类复合材料结构制备的专有技术与发明专利4项。发展纤维增强泡沫金属夹芯结构失效破坏的实验表征方法，以用于结构失效破坏的细观力学模型建立。针对纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构，发展相应的细观力学理论，建立复合材料结构内部的细观结构与其宏观有效性能的定量关系，以便于该类结构的优化及有效性能预报。针对航天航空、船舶、汽车、高速列车等领域，研制超轻多功能复合材料构件，如航天器上的超轻-隔热结构,汽车上的超轻-吸能-减振结构,飞机、舰艇及高速列车上的超轻-减振-降噪结构等，以满足工程实际的不同需求。

阶段性目标：

研究将分两个阶段进行，第一阶段（2006~2007），主要对多孔材料的制备理论和相关技术进行初步研究，揭示材料宏观性能和微细观结构的基本关系与表征理论，发展跨尺度数值模拟技术、基本性能参数的实验表征方法和一体化优化设计方法，为进一步的深入研究锁定目标和方向，并搭建好具体主攻内容的软硬件工作平台；第二阶段（2008~2010）为系统深入的高级研发阶段，主要针对共性关键科学问题展开攻关，全面实现项目的五年预期目标。 第一阶段目标：（2006~2007）

针对汽车、高速列车、飞行器等装备典型结构件所处的特殊环境，进行详细调研，确定明确的技术指标；建立具有国际先进水平的超轻多孔金属材料与结构制备和装备的组合实验平台，完成4~6种针对不同应用需求的多孔金属材料的设计、选材和制备方案；提出材料多孔化的机理；探索异材连接的界面设计、形成、演变及破坏机理；研究多孔有序结构自由成形成形过程中多参数耦合作用关系。 建立单一外场下（净载、动载、强迫对流、高声强等）多孔材料性能及其尺度效应的表征新方法和相应的基础理论框架，以及材料性能基本参量（如刚度、强度、异材连接界面强度、断裂韧性、吸能、散热、吸波或屏蔽等）的评价方法和技术规范，包括物理模型与表征参量、耦合场模拟装臵与信号检测、数值分析与计算机模拟；借助高分辨电子显微镜、纳米压入原子力显微镜、高速数字摄像机、红外相机、微流体光学平台等研究材料性能变化的物理机制，探索材料性能存在尺度效应的物理机制。

建立基于拓扑优化的轻质材料新体系微观构型的创新设计的基础理论框架，针对某些具有特定性能的材料微观构型，确定微结构参数描述、微结构采参数与宏观性能间的依赖关系，建立实现特定性能材料的设计方法，发展具有特异性质的材料的发现和设计的创新方法。

根据航空、航天、船舶、高速列车领域典型结构件所处的特殊环境，对泡沫金属材料和复合材料进行选材。根据环境载荷及技术指标的要求，对纤维增强泡沫金属夹芯结构进行优化设计和分析，以使结构的比强度、比刚度、稳定性、吸声特性、减振特性、传热特性、吸能特性达到技术指标的要求。根据优化设计方案，发展不同的成型工艺，采用泡沫金属芯子、纤维柱和复合材料面板一体固化的方式，制备纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构。 第二阶段目标：（2008~2010）

针对汽车、高速列车、航天等不同的背景需求，进一步深入研究超轻多功能多孔金属材料的不同制备工艺，建立完整的多孔金属材料制备理论体系，改造和完善材料制备及检测实验平台；根据优化设计结果，制备满足不同需求的创新构型多功能多孔材料；制备工程实际中需要的部分典型结构件。

建立描述多孔材料静力学特性、动力学特性、稳定性、阻尼特性、吸波或屏蔽特性和冲击特性的数学模型或物理模型，侧重于材料微细观形貌对其宏观性能的影响及尺度效应；提供不同微结构的缓冲特性参数的阈值估计，以及强冲击条件下不同多孔材料的耗能指数的估计；围绕多孔材料的损伤机理和破坏模式，确立检测技术和评价方法，研制出相应的仪器装臵；确立多孔金属微结构的动力学优化准则；揭示不同结构形式的多孔材料对轻质物理波传播的影响规律；发展多

孔材料导热、强制对流、辐射换热、复合传热、相变传热的理论，建立相应的数值模型和实验系统，提出一批对流换热的实验关联式。

针对周期性和确定性细观构造模型，建立多物理场耦合作用下的、稳态与瞬态物理和力学问题的双尺度数学模型，相应的多尺度计算方法，及相关的数学理论研究；针对随机性构造的材料模型，按其构造特征建立相应的材料性能预测的多尺度计算方法和相关的数学理论研究；针对其结构的稳态与瞬态行为，提出相应的多尺度算法，并开发高性能数值模拟的软件技术；针对高温、撞击出现的高应变率以及力场与物理场耦合作用的极端环境，发展多孔材料夹心复合层板一体化的物理和力学行为的、线性与局部非线性的多尺度算法，编写相应的计算程序，并与实验数据比较，以检验算法的可用性。为材料与结构的综合性能评价及一体化优化设计提供可靠、实用的理论模型和高性能的计算方法。

开展纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构的冲击试验，表征结构受冲击后的损伤机理和破坏模式，建立其细观力学分析模型，以预报其剩余寿命；针对这类结构形式，开展细观力学研究，建立材料内部细观结构与其宏观有效性能的定量关系；研究结构在外压及轴压作用下的变形及稳定性问题；发展细观损伤力学、断裂力学和数值模拟方法，为这类结构在复杂载荷作用下的可靠性评价奠定基础；在其它子课题对泡沫金属材料的吸声特性、阻尼特性、传热特性所开展的研究工作基础上，开展纤维增强泡沫金属夹芯结构的降噪、减振、隔热或散热性能的研究。根据工程实际需求，制备典型的纤维增强泡沫金属夹芯构件，并与目前使用的结构系统和功能系统进行比较研究。

基于上述基础理论和评测方法研究，提供一套多场耦合下多孔金属材料及结构服役寿命预测与可靠性的设计指标及相应的技术规范，并在汽车、高速列车、航天等方面取得示范性应用，包括抗碰撞/冲击的高能量吸收闭孔泡沫铝合金组件，具有优良散热、降噪、吸波能力的通孔泡沫金属部件等；同时在项目承担单位建立多孔金属性能表征的基础科学研究基地，开展具有系统性、前瞻性的科学研究和规范化的技术方法探索。

三、研究方案

为实现项目的总体目标，本项目拟订的总体学术思路是以材料与结构创新构型理论为基础，以节约能源、减少环境污染等国家重大需求为牵引，从材料制备着手，以研究多样化性能及设计方法为手段，从材料、力学、数学、传热学、声学、电磁学等学科交叉融合的角度，以多孔金属材料的力学和其它物理参数存在尺度效应这一认识为出发点，采用由微细观逐渐进入宏观领域的研究思路，针对超轻多孔金属材料的性能表征及其尺度效应这一学科前沿课题开展规范化、系统化的深入研究。通过本项目的实施，实现多孔材料“需求－设计－制备”的一体化，从而实现从“选择材料”到“创造材料”。

1 技术路线与具体措施

本项目将集中优势力量，重点突破超轻多孔金属材料与结构制备及应用中所涉及的共性理论和关键技术。

在制备方面，创新的关键在于发展具有自主知识产权的自制设备而不是进口。拟对原有泡沫化制备设备进行以计算机优化过程控制参数为目标的大幅度改进，再加上精确描述粘度及泡沫化界面推移的实时检测设备，使其成为具有国际先进水平的过程检测、控制及优化设备；将进一部完善TiH2发泡剂动力学TPD装臵（程序升温热分解装臵）这一国际领先的特有装臵及其原理和方法；对金属或复合材料面板表面进行特殊处理，以保证多孔金属与面板的结合强度；改进以化学法合成制备介孔材料的模板剂技术，采用新原料、探索模板剂新制备方法以获得孔结构稳定、孔隙率和孔比表面积较高的性能优越的介孔材料；改进并完善基于微弧焊的直接金属成形技术的硬件系统及各子系统，软件系统的开发平台、系统结构和实现的方法；采用基于CCD的被动式视觉传感熔池控制方法以提高成形件表面质量；进一部完善基于原型的快速精铸制备工艺，确定最佳浆料浓度配比和型壳的焙烧工艺。

在多孔材料物理性能基本参量的测试与表征方面，拟利用纳米压入、微压痕等手段测量胞壁材料的基本力学性能；采用MTS、Instron等材料实验系统测定典型多孔金属试件的准静力材料性能和力学参数；采用高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属（包括多孔梯度金属）在冲击载荷下的动态行为；通过落锤、Hopkinson压杆层裂、Taylor冲击以及平板冲击的激波加载等实验，建立超轻多孔材料和结构的动态本构理论；利用显微观测技术来表征多孔金属材料和结构的损伤机理和破坏模式；建立单相与两相换热的基本试验台，研究金属泡沫在几种典型单相与两相情况下的流动传热性能与其微观结构的关系；采用红外线热成像系统及光学测试系统对金属泡沫中的两相流型进行可视化研究,得出流型转换的基本规律；通过建立稳恒热源（电加热）的实验平台，对多孔散热和隔热材料进行热性能测试；采用现有磁场发生装臵，设计多孔介质通道，采用导电流体进行磁场作用下的流动与传热实验；利用现有的电磁兼容试验设备和微波测试设备对各种不同结构的多孔金属材料的电磁波传输特性进行测量。 在多孔材料性能表征及尺度效应方面，拟采用宏观唯象理论、微细观理论和计算模型三种不同研究方法，其中微细观理论和计算针对有序和无序两种多孔材料分别采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观性能与微观结构间的关系，同时通过计算模拟在实验上难以实现的加载情况，作为对试验的补充；以通用有限元程序作为基本工具，利用计算机对真实系统进行模拟，将实验测试和理论推导得出的反映材料和结构动态性能的本构关系、计算模型等通过编制相应的计算机子程序实现，采用有限元仿真模拟手段研究汽车等的碰撞安全性等；在基本连续介质力学控制方程的基础上，采用有限元等数值方法，配合实验研究，建立爆炸冲击波在超轻多孔材料和结构中的传播衰减理论；在实验、观察基础上，考察动量方程中非线性项与材料微观结构的关系,并提出相应的动量及能量改进模型，研究多孔材料的微观结构对流动及传热机理的影响机理；建立典型流动与传热过程的数学模型并发展与之相适应的有效数值方法，对金属泡沫中单相与两相流动与传热过程进行仿真研究；以电子器件冷却以及空气冷却器为对象，研究将多孔金属应用于工程实际的可能性；通过动态模拟，研究多孔金属制备中的质量迁移、热量传递等复杂流固耦合流变过程；建立用于仿真计算的开孔、闭孔、混合开闭孔的不同结构的物理和数学的一维和三维建模,结合有限元等数值方法进行不同结构下的不同波长轻质物理波的传播规律研究，在仿真计算和试验研究的基础上，从经典波导方程出发进行多孔金属材料的声波、电磁波传输理论分析。

在创新构型优化设计方面，拟通过仿生和优化两个途经探索超轻质结构的设计；在按这两个途经探索时，实现超轻质结构的重点，一是将结构构型的优化和材料的微结构优化同时考虑，二是所研究的材料和结构除了能承力，还要具备其他功能，如防热、隔振或特殊的电磁性能，并在结构不同部位优化使用具有不同复合功能、不同微结构的材料。上述技术路线可进一步展开为： a）复杂环境下考虑多约束的结构宏观几何构型的创新设计方法。研究在多物理场耦合环境下，考虑材料和几何的非线性，受到含应力、位移、动力特性等多种约束的结构拓扑优化技术。通过设计结构的拓扑形式，以使结构具有良好的力学性能的同时，具有良好的隔热或散热性能。由于具有特定微结构的一种超轻材料不可能具有所有的优点，利用结构拓扑优化等先进技术，研究多种超轻材料的组合、协调与配合使用技术，以达到在轻质、高强韧、多功能等要求下的轻质材料和结构并发设计。

b）基于拓扑优化的轻质材料新体系微观构型的创新设计理论。1) 我们研究的材料从微观来看(这儿的微观是纳米、微米或毫米量级)，是一个结构。当由这种材料组成的结构用来承担外力时，为了分析其极限承载能力，必须考虑结构宏观失稳和微观失稳；2) 由于制造、生产过程和材料本身的不确定性，具有微观构型的材料的宏观性质也具有不确定性，进一步影响到结构宏观性能的不确定性。因此，需要研究这些不确定性参数对宏观材料性质的影响，研究等效性质的离散特征和统计特征的分析技术；3) 根据工程结构的功能对材料性质的特殊要求，利用拓扑优化理论，研究特定性能材料的设计理论和方法；4) 针对桁架类夹芯结构，利用拓扑优化技术，进行芯体材料微结构拓扑形式的创新设计，以使夹芯结构整体具有轻质高强韧和高散热等特性；5)综合考虑材料的传热性能、强度、刚度和重量要求，设计材料的微结构拓扑形式和骨架材料的形状、尺寸，建立多目标、多学科拓扑优化设计模型，研究该问题的优化方法。 在纤维增强泡沫金属夹芯复合材料方面，根据结构件的特殊环境要求以及结构优化设计的结果，研制能够满足工艺要求的模具，探索这种空间仿生夹芯结构与面板同时成型的成型工艺，使得在夹芯板成型固化后芯材与面板没有界面。利用课题1、2、3、4、5关于泡沫金属材料的研究成果，开展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的力学及物理性能的研究，主要包括结构的失效机理及破坏过程、稳定性、动态响应、阻尼特性、降噪特性、吸能特性、可靠性评价等。在以上研究成果的基础上，针对航空航天、船舶、汽车、高速列车等运载工具所提出的特殊要求，制备具有吸能、减振、隔热或散热、降噪功能的纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能复合材料结构的典型件，以验证本项目的研究成果。

2 创新点与特色

本项目的特色和创新点主要体现在：

1）采用“需求－设计－制备”一体化的方法研制多功能超轻多孔材料，从而实现从“选择材料”到“创造材料”的飞跃（方法创新）； 2）以国家需求为牵引，将超轻多孔材料的结构功能和其减震、传热、降噪、吸能等特性相耦合，达到节约能源、净化环境等多重目的（功能创新）。 3）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，并据此在多物理场耦合环境下定量、可靠、系统地分析材料

宏观性能与微结构之间的依赖关系（理论创新）；

4）利用超轻多孔材料若干性能表征的新理论及拓扑优化等先进技术，对材料的宏观几何构型和微观构型的一体化创新设计进行深层次的研究，同时考虑制造工艺和其它非结构功能的影响（体系创新）。 3 研究方案的可行性分析

本项目的学术思想和研究方案是建立在对相关国内外研究现状与发展趋势的深入分析和各主要建议单位已有坚实的相关前期工作基础之上。

在国家前期相关项目的支持下，在与本项目有关的研究的不同侧面，各建议单位已取得了不同程度的良好进展，积累了较丰富的研究经验、研究基础和技术储备，某些关键性的理论和技术已处于突破的边缘，部分结果已获国际承认，特别是超轻多孔金属的制备和面向国家需求的重大应用，材料与结构一体化优化设计，以及多孔金属宏微观性能的力学、传热学、声学等研究领域的基础理论研究方面已取得了一系列重要成果，其中部分成果居于国际领先或国际先进水平。 东南大学超轻型金属结构实验室自1988年以来一直从事多种形式超轻型金属结构的制备、结构、性能及高技术应用研究，制备及应用保持在国际前沿水平，拥有专业研究队伍：教授、博士后、博士等20人。在10项国家自然科学基金委项目(包括重点项目)及国家载人航天、国家实验、兵器、军用船舶项目连续资助下，迄今已在“中国科学”、“科学通报”发表文章5篇，“材料研究学报”14篇，共计65篇文章；获得及申报发明专利12项，在载人航天、国家试验等四个不同高技术领域都取得了国际水平的创新成果，并在世界上率先研制出高比强度泡沫铝合金。为适应多种形式高技术前沿需求，实验室自行设计和建造了多种设备，其中包括多套熔体泡沫化制备闭孔泡沫金属的设备及辅助设备，熔体在多孔介质中渗流制备通孔泡沫金属的设备及辅助设备，自制了多台（套）控制分析设备和专用压力机。东南大学分析中心及力学实验室拥有所需的各种仪器及实验设备，而协作单位南京大学微结构国家实验室拥有阻尼研究的全套设备，为实施本项目多种高技术及汽车需求提供了良好的前期工作基础及实验条件。

在材料力学行为跨尺度数值模拟与力学建模、固体本构理论和材料的宏微观破坏力学等研究方向，西安交大和清华大学、哈工大等在国家自然科学基金重大/重点项目、国家杰出青年科学基金、基金委优秀创新群体基金等项目资助下做出了高水平的研究工作，在国际固体力学影响因子最高的《固体的力学与物理杂志》上发表的论文数，近六年来在全球高校中约居第五名；发表在JCR统计的22种固体力学领域期刊中的SCI论文数也居前十位，所发表论文在国际上被他引超过二千余篇次。

在超轻多孔材料的热性能研究方面, 西安交大在过去五年对金属泡沫、栅格材料等多种超轻多孔金属的单相对流换热及高温下的导热和热辐射进行了系列研究, 在此领域积累了较为丰富的经验。在微尺度相变传热不稳定性等研究领域，中科院广州能源研究所近年来开展了较为系统的研究，揭示了微时间尺度变化的流型转换与其微通道内复杂的传热传质机理。

在材料和结构优化设计领域，近十年来，微结构概念和均匀化理论被成功地应用于连续体结构拓扑优化设计，将拓扑优化问题转化为在给定区域内的最优材料分布问题。采用均匀化方法、变密度方法（SIMP）及进化方法等拓扑优化技术可以获得具有优良力学性能的结构的宏观构型。由于结构拓扑优化问题

的数学提法同材料设计问题的提法有类似性，已经可以采用已有的拓扑优化方法，在微观尺度上设计微结构的拓扑形式，以使材料具有所要求的热传导和刚度性质。发展这一类方法用于设计轻质多功能，包括隔热或散热特性以及屏蔽或吸波特性的材料是很有希望的。

大连理工大学和西北工业大学长期从事结构优化方面的研究工作，取得了一批丰硕的研究成果。在实心板优化、连续体结构优化、桁架结构拓扑优化的奇异最优解等方面的工作，受到国际同行的广泛重视，实心板优化和奇异最优解方面的工作被誉为“里程碑”性的工作。在复合材料性能预测研究、材料设计（梯度功能材料、零膨胀材料等特定性能材料）、多尺度计算、超轻质高强韧结构设计理论等方面开展了一系列工作，获得了有重要意义的成果，提出了材料设计和结构设计并发的超轻质结构设计新理念。已完成和正在执行的国家自然科学基金课题6项（包括国家自然科学基金重点项目“超轻质结构设计新理论）、“十五”重大研究计划“空天飞行器若干重大基础问题研究”的项目“轻质防热材料与结构设计新理论”、国家自然科学基金委创新群体科学基金项目“计算力学与工程科学计算”，教育部新世纪优秀人才计划项目、教育部优秀青年教师资助计划项目等一批重要科研项目。

西北有色金属研究院（NIN）是我国最早研制金属多孔材料的单位之一；是我国军用金属多孔材料的重点生产、研发单位，被确定为原子能和宇航工业用多孔金属材料的定点生产单位；长期承担该领域内的国家、行业和地方重大科技任务，在多孔金属材料方面具有很强的研究与开发能力。三十多年来，在粉末制取、模压成形、等静压成形、粉末轧制、粉浆挤压技术和烧结技术、焊接技术等方面做了许多开创性的工作。建成了我国最早的粉末烧结多孔材料生产线及不锈钢纤维毡生产线；拥有先进的生产设备及与世界接轨的检测设备；制订了我国全部烧结金属多孔材料及元件的标准和与世界接轨的专用检测标准；编写了国内唯一一部《粉末冶金多孔材料》专著。1995年建成国家计委“金属纤维及纤维毡生产线”工业示范项目，2000年该项目获国家科技进步二等奖。

在利用生物结构制备超轻多孔材料领域以及电磁波、声波在生物态多孔材料的干涉、传输和吸收等方面，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室近年来进行了较为系统的研究。借鉴大自然千百万年来优胜劣汰自然进化的生物结构，实现了多尺度、多层次、多组分和多种类生物态多孔陶瓷和生物态多孔金属等多孔材料的有效调控和构筑，所提出的利用生物结构遗态实现材料的组分－多孔拓扑结构－物理波吸收或者隔断的多结构－多功能有效统一的学术思想受到了日本、德国、香港等国内外同行的承认和关注，建立了稳定的国际合作研究，并具备了良好的前期研究基础和技术积累。

创新构型纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的研究方案是在广泛查阅文献和深入讨论、结合哈尔滨工业大学多年的研究基础上提出的。作为一种新型的超轻多功能复合材料结构，有关其制备、力学性能和物理性能的研究还未见报道，但在纤维增强泡沫塑料夹芯复合材料结构的制备及力学性能表征方面，哈工大已开展了一些前期的工作，积累了较丰富的研究经验，为本课题的开展奠定了较好的基础。另外，哈工大具有较为完备的实验条件和分析软件，加上课题组在复合材料细观力学、复合材料及其结构的设计/分析/评价、复合材料结构的数值模拟、功能梯度材料断裂力学等方面的积累，可以保证本课题的顺利完成。

可以看出，在超轻多孔材料的制备、性能表征和优化设计这一学科前沿领域内，经过多年的合作与学术交流过程，来自国内高等院校与中科院的科技工作者已形成了一支老、中、青相结合，以年轻人为主的，具有相当实力、团结协作、开拓创新、思想活跃、勇于进取的研究群体队伍。该研究群体队伍的组成充分体现了跨学科（材料学、机械学、力学、数学、传热学、物理学等）、跨部门、强强联合、知识结构互补等特点，并且与国外相关知名研究单位已建立了很好的交流合作渠道和关系。我们的前期研究工作与发达国家相比差距并不大，甚至在某些方面居领先地位，为本项目的实施奠定了良好的基础。

现代科学技术的发展，无论是在基础理论还是在测试技术方面的新进展都使本项目研究的突破成为可能，并提供了测试、标定、模拟、仿真、微区分析等相关手段上的保障。项目主持和课题承担单位主要为国家或部门重点实验室，能够满足本项目实施所涉及的材料制备理论与方法、实验表征、理论建模与数值模拟、典型结构部件应用等各个环节的要求，在研究所需的各种基础条件方面可以得到完全保证。因此，本项目的研究实施具有很强的可行性，可望不仅在基础理论方面取得重点突破，在国际相关领域占有一席之地，而且会带来明显的经济和社会效益。

4 课题设置

为了实现项目总目标及解决项目中的共性关键科学问题，本项目共设臵以下六个相互有机联系的课题：

材料领域 能源、环境领域 研究领域

材料成分、组织结构、使用能源效率提高，减 制备工艺对机械和物少环境污染，节能理论领域研究侧重 理性能的影响 与产品设计

超轻多孔金属在汽车、列车、飞机等交通运载工具 上的应用，达到节约能源、环保、安全的目的，是国家重大需求 涉及材料、能源等领域交叉研究的重要研究方向。

多超轻 轻孔高纤质材多 创孔维物孔料隙理增 新的材率强构波料力 型在通泡与学孔沫多 超结行轻孔材金研究课题与主要方向 构为 多料属材创和料和夹 孔新材结芯材中构料 料的构结型性的构传 的能设制传的播计表 备和构热征优学建吸 理化理论理理收论新 论论理理体论 论系

? 以交通工具（汽车、火车、轮船、飞机等）的 减重、节能、净化为目标，以研究多孔金属材料为 主要研究对象，建立多孔金属材料性能表征理论框 架体系，发展多孔金属材料和结构的设计和制备关 键技术。 预期研究目标 ? 发表一系列有重要影响的高质量学术论文和专

著，形成一批多孔金属材料节能净化产品和专有技 术。 ? 培养一支多孔金属材料研究及应用的研究队 伍，其中中青年学术带头人15名以上，在国际上有 影响的知名学者4－6名。 课题1重点研究针对不同国家需求拟采用的几种典型超轻多孔材料制备过程中的相关基础科学问题，并为课题2、3、4提供实验试样；课题2、3、4重点研究超轻多孔材料的力学、传热、波导性能及其表征相关的基础科学问题；课题5则将基于2、3、4的研究结果，并与课题1相互配合，致力于研究超轻多孔材料与结构的创新构型设计及其优化的基础理论体系；而课题6的主要任务则是综合上述课题的研究结果，针对汽车、高速列车、航天等领域的典型使用环境，研究构建具有多重功能的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的基础科学问题。

通过以上研究，建立超轻多孔材料的理论体系与技术实现手段，培育一批创新意识强的高水平研究开发人才，形成一系列具有前瞻性及自主知识产权的高新技术成果。所设立的六个课题，互相之间有机关联，各有其研究的重点和侧重，特别是针对所共有的共性关键科学问题，形成了一个整体。每个课题的具体研究内容、目标、承担单位和主要人员及经费比例如下所示。

课题1 创新构型超轻多孔材料的制备理论

研究目标：

瞄准节约能源、减少环境污染、轻量化等现实的国家重大目标和前瞻性重大需求，针对不同创新构型超轻多孔材料，发展关键设备和装备，充分积累试验规律，采用物理归纳、数学演绎和物理模拟等手段，从实验规律入手深入揭示并凝练多孔材料制备过程中的学科前沿科学问题及其物理本质。

研究内容：

1)研究熔体中泡沫化制备过程中的科学问题，揭示铝及铝合金熔体泡沫化过程中球形孔、多边形孔形成规律及演变规律，以及熔体中泡沫生长演变稳定规律；揭示球形孔、多边形孔生长与熔体孔隙率的关系；揭示TiH2热分解动力学与熔体泡沫化过程关系；研究泡沫化熔体凝固过程中特有的收缩，并揭示其物理本质；采用更精确方法测量熔体泡沫化界面生长推移过程并与熔体泡沫孔形状、熔体孔隙率之间建立联系。（2）研究泡沫铝合金异型件制备过程中发泡剂的分解动力学规律及熔体中泡沫生长规律；熔体及熔体泡沫的流变特性；泡沫合金再加热过程中的传热特性；泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理。（3）研究通孔多样化及梯度金属泡沫制备过程中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；采用化学方法加粗海绵骨架中的科学问题。（4）超轻栅格材料和金属纤维复合超薄三明治结构：从微观到宏观的结构和形态的控制，对材料在不同状态和层次上的结构进行定性、甚至定量地理解、描述和控制；界面的设计、形成、演变及破坏机理。（5）从合成路线的设计、制备工艺参数最优化等方面探索介孔多功能材料的制备方法；结合表征手段，对材料的功能性与其孔结构和表面性质之间的联系进行全面的系统化研究。（6）有序结构的可控性制造：基于增材制造原理多孔有序结构自由成形的工艺方法；金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律，环境因素对成形规律的仿真分析；直接金属成形过程建模，成形过程参数与显微组织相变、变形等关系。

承担单位：东南大学，西北有色金属研究院等 课题负责人：何德坪

主要承担人员：汤慧萍，何思渊，尚建库，赵万华，乔冠军 经费比例：25%

课题2 多孔材料的力学行为和材料性能表征理论体系

研究目标：

系统地发展高孔隙率多孔材料微结构尺度与结构/系统跨尺度分析的理论及方法，揭示其宏观性能与微细观组织结构间定量关系，实现对多孔材料的准静态和动态力学行为的准确描述和表征，建立和完善测试方法和技术规范；针对不同国家目标需求，研究超轻多孔结构多功能化机理。

研究内容：

1) 研究超轻多孔材料从纳米到毫米孔径的跨尺度本构行为，包括宏观唯象理论、微细观理论和计算模型三个方面。宏观唯象理论侧重于非比例复杂加载情况和大变形引起的各向异性行为，建立多孔材料宏观唯象弹塑性本构模型以描述非比例加载下的复杂应力－应变关系和大变形造成的各向异性行为以及材料本征尺度效应及梯度效应。微细观理论和计算针对有序和无序两种多孔材料采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观性能与微观结构间的关系，以及它们对外加激励的响应机理，同时通过计算模

拟在实验上难以实现的加载情况，作为对试验的补充。通过试验和计算，研究有序多孔金属的界面结合强度及其破坏机理。2）研究超轻多孔结构的动态特性和动力学稳定性。通过高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属（包括多孔梯度金属）在不同冲击速度（20 -1200m/s范围）下的受力分布、形变和能力传递过程，揭示不同多孔金属结构对动能量和波能量的吸收和反射、应力平台等的影响规律，建立动态力学性能与孔隙率关系以及考虑应变率相关效应的应力-应变-时间本构模型，分析在撞击、爆炸冲击波作用下应力波在多孔金属中的传播机理和衰减规律及对细观结构的依赖性，解决冲击波固体界面反射与透射规律、激波相互作用、气体冲击波绕流、气体的跨音速层流直至湍流等关键问题，研究强动载荷下超轻多孔材料和结构的动态损伤理论，包括动态裂纹扩展、累积损伤效应等，利用先进的计算机仿真手段研究汽车等的碰撞安全性，为超轻多功能金属材料结构的耐撞性评价提供理论依据和技术参数。3）研究超轻多孔结构的多功能化机理。研究多功能集合有序多孔结构承载材料，充分利用其高比表面积特点，以实现传感、促动、能源配臵等多种附加功能，实现系统多功能化。

承担单位：西安交通大学，清华大学 课题负责人：卢天健

主要承担人员：赵桂平，杨志懋，马利锋，刘彬，邱信明 经费比例： 28.2%

课题3 高孔隙率通孔材料和结构的传热学理论

研究目标：

揭示金属泡沫、栅格材料等超轻多孔结构材料中的传热特性,建立宏观传热与其微观结构的关系, 并着重研究在微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理,试验测定其综合传热效果；开发先进光学可视化方法去确定两相流型分布随热流密度等参数的变化关系;建立有效的数学模型及数值方法以及传热特征量的表征体系，并得出几种典型材料的基本散热规律;精确描述及模拟在材料制备中的流变及热量质量传递过程,提供最优化的温度监测及控制方法以提高其产品质量。

研究内容：

1）针对单相对流换热，内部流动与外部流动情形，揭示对流换热的基本规律，建立与完善金属泡沫对流换热的表征方式；研究两相（沸腾/蒸发）换热机理，量化微观结构参数对两相传热的影响。2）借助高速摄像仪、红外相机、X 或γ射线仪等对微细结构两相流动及传热中的流型分布及温度场进行可视化研究,确定其流型分布随热流密度及质量流量的变化规律；采用红外线热成像系统测量多孔材料孔壁的表面连续温度场，开发先进的测试多孔材料内部两相流流型的光学测试系统或采用体视荧光显微镜加高速摄影测试方法、体视荧光显微镜对材料内部微细结构的视场放大，进而以高速摄影捕捉快速变化过程中的流型变化。3）研究两相对流传热的可靠理论模型及相应的数值方法，充分考虑泡沫支架导热及沸腾/凝结中的相互影响及耦合，以及动量方程中的非线性项在两相流动中的作用。4）研究金属泡沫制备中的流固耦合及两相流动传热的动态模拟。研究材料多孔化的化学机理；建立涉及材料非线性、几何流形及边界接触的非线性大变形流变及相变传热过程的有效数值模拟方法，实现对材料微观组织动态演化的精确模拟和仿真。5）以理论及试验所得研究结果为指导，开展金属泡沫在燃料电池及汽车空调用高效紧凑式换热器等方面的应用研究。6）针对多种有序结构点阵

材料，深入研究其传热及流动的周期性规律, 并对特定微观结构进行最优设计,使其传热流动综合性能达到最佳。

承担单位：西安交通大学，中科院广州能源研究所等 课题负责人：赵长颖

主要承担人员：陶文铨，何雅玲，徐进良，李本文，王力军，T. Kim 经费比例：11.8%

课题4 轻质物理波（声、电磁等）在多孔材料中的传播和吸收理论

研究目标：

从实验和建模入手，建立、发展和完善声波、电磁波等轻质物理波在多孔材料中传播行为的表征方法和技术，建立比较完备的性能测试平台和测量规范，揭示声波、电磁波等在多孔材料中的传播和吸收机制，建立毫米波和厘米波在多孔金属材料中的传播理论，建立材料介质组分－物理波传输和吸收特性－孔型结构紧密结合的微观及宏观理论和计算模型，进而针对不同应用背景对多孔材料的介质组分-微观组织结构－孔型结构实现优化筛选和有效制备构筑，指导特殊吸波或屏蔽功能的多孔金属材料的微孔结构优化设计，为探索多孔金属材料在物理波屏蔽和吸收领域的应用奠定基础,并探寻是否存在能够透波的新型复合结构多孔金属材料。

研究内容：

1）研究多孔材料跨尺度波传播行为的宏观唯象理论、微细观理论和有线元计算模型。宏观唯象理论侧重于揭示基于实验测量结果的半经验定量关系式；微细观理论和数值计算针对有序和无序两种多孔材料采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观波导性能与微观结构间的关系，以及附加外场（如航空发动机内的高温度场及平均气流场）对其的影响；根据不同应用背景和波传播介质（如空气、水等）优化设计孔径大小、孔隙率和孔分布的均匀度。2）研究含不同孔型结构的多孔材料(包括新型生物态多孔材料)在高声强并有平均流动的环境下的吸声机制及其表征手段，进而研究对多孔材料组分-微观组织结构－孔型结构的优化和控制。3）实现不同种类、具备大自然生物结构精细特征的多孔材料，并借助同步辐射光源以及分形理论等手段研究新型生物态多孔材料的多孔拓扑结构以及电磁波、声波等物理波在生物态多孔材料中的干涉、传输和吸收规律和机理，建立生物态多孔材料介质组分－孔型拓扑结构－物理波吸收、干涉、屏蔽特性之间的有效关联；利用多组元条件下的介质组元－拓扑孔结构的交换耦合效应以及介质组元功能组装、复合等方法实现多孔材料的多维、多层次、多功能、多结构和多尺度的集成化，并据此研究开发新型高效电磁波、声波吸收材料，实现轻质高效“宽频”或者“准频”等不同目的的“波屏蔽”或者“波吸收”材料的有效设计、制备构筑理论平台，并提供制备构筑技术原型。

承担单位：中科院声学所，上海交通大学等 课题负责人：刘克

主要承担人员：田静，王晓林，范同祥，胡更开，陈花玲，陈天宁 经费比例：10%

课题5 超轻多孔材料与结构创新构型设计优化新理论

研究目标：

研究结构与材料并发设计、特定性能（如零热膨胀，负泊松比，特异力、电、磁、热耦合性能等）材料细观结构创新设计、高比耗能超轻质高强韧结构设计、以及与其相关的多尺度参数并存的优化问题的提法和求解方法等关键科学问题，研究建立超轻多孔材料结构创新构型设计的新理论。根据汽车、高速列车等高耗能运输工具对结构和材料的性能和功能的特殊要求，提供一系列新的工具和理论，帮助设计人员发现、认定和提出超轻质高强韧结构的新构型。通过设计结构的宏观构型，使结构充分发挥材料的特性，在具有所要求的性能和功能的同时达到减重的目的；设计材料的微观构型，以使材料具有轻质和特殊性能；特别是，要通过材料的微观构型和结构的宏观构型的并发设计，达到材料和结构几何的合理配合，提高结构性能、减轻重量。

研究内容：

1) 研究复杂环境下结构宏观几何构型设计的拓扑优化方法。以超轻质多孔金属为背景，研究在多物理场耦合环境下，考虑材料和几何非线性，受到含应力、位移、动力特性等力学性能约束，以及防热（隔热/散热/传热）要求、物理波（声波、弹性波、电磁波等）传输、隔断、响应等性能要求的多种约束结构拓扑优化技术，建立复杂环境下多约束非线性结构宏观构型的创新设计方法。2）研究具有特定性能的材料微结构微观构型的设计理论，研究微结构参数描述、微结构采参数与宏观性能间的依赖关系，研究优化设计问题的描述、求解等方面的关键科学问题，建立实现特定性能材料的设计方法；探讨具有特异性质的材料的发现和设计的创新方法。3）研究材料设计和结构的几何设计一体化并发设计优化理论和方法，包括材料性能和结构功能指标因子研究以及基于多指标因子的材料和结构并发设计方法；跨尺度优化问题的提法以及有效的求解方法研究，跨尺度参数间敏度分析方法；材料分布与结构拓扑/形状并发设计理论研究；基于微结构数据库的轻质结构设计理论和方法；多孔材料夹心复合层板结构综合性能优化设计。4）研究轻质高强韧结构（材料）优质构型的仿生模拟与设计。围绕轻质材料和结构的设计，通过理论分析、数值计算和试验，开展仿生研究；建立分析轻质生物材料和结构的力学及热量传输等有关功能的数学模型；提出这类材料和结构所服从的优化模型，理解其优化特征；借鉴这些生物材料和结构，设计满足特殊功能要求的新的超轻质材料和结构。5）研究基于特征的结构与材料新构型设计理论。在优化模型中考虑材料和结构的可制造性；根据现有的或可预见能够实现的工艺条件，抽取材料和结构描述的特征参数；建立以特征参数为设计变量的材料和结构设计理论。6）研究多物理场耦合作用下材料与结构多尺度分析方法。针对金属基多孔材料结构的轻质、高强韧、防热、抗冲击的要求，以及多物理场和力场强耦合作用的服役环境，基于对多孔材料夹心复合层板进行细观和宏细观耦合的表征与建模，开展材料性能计算预测及其结构的静、动、热、电、磁等物理、力学行为的多尺度数学物理模型、计算方法与相关的理论研究。7)借助于课题4所给出的电磁波等物理波分析技术，设计材料的拓扑多孔结构，以使材料具有特定的物理波创波特性或隔断特性；设计具有特定频率段位臵和最大频段宽度的波隔断材料（Band Gap）；异向介质材料设计；研究具有负介电常数、负折射系数、负磁导率的异性介质材料的微结构设计问题的提法，研究电磁波在异向介质中的特异的传播规律。

承担单位：大连理工大学，西北工业大学

课题负责人：刘书田

主要承担人员：张卫红，郭旭，陈浩然，吴承伟，王跃方 经费比例：12.5%

课题6 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

研究目标：

从仿生学的角度出发，选择甲虫(独角仙成虫)前翅的夹芯结构作为仿生对象，开展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的选材/设计/分析/制造/评价一体化研究。

研究内容：

综合课题1、2、3、4、5所得结果，构建兼具承载与减振、防热、散热、降噪等多重功能的超轻复合结构的理论体系与技术实现手段，主要研究：1）针对航天、航空、船舶、汽车、高速列车等领域的典型使用环境，选取性能优异的纤维增强树脂复合材料面板及纤维柱，选取高阻尼、隔热（或散热）、吸声的性能优异泡沫金属夹芯；针对不同的使用环境，采用不同的结构成型工艺以满足不同性能指标的要求。2）力学性能：研究面板及纤维柱的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则的确定；热机械载荷作用下，研究纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的静态和动态稳定性；机械力、温度载荷、热-机联合加载下，研究多孔超轻梁、板和壳的小挠度和大挠度弯曲行为、屈曲和后屈曲行为以及塑性屈曲行为；研究冲击载荷作用下结构的剩余刚度及强度预报，以及复杂载荷作用下结构的失效破坏机制和判别准则。3）阻尼特性：针对多孔材料的微结构形状，研究其阻尼耗能机理，并建立相应的阻尼机理数学描述方法及物理模型，揭示不同形状的结构参数与阻尼耗散系数的关系。4）动态特性：研究多孔材料和多孔复合材料结构的固有频率表征规律和减振特性，建立其固有频率与微结构参数的关系；研究多孔材料和结构的动力学系统建模理论，着重解决针对超轻多孔材料特性的非线性参数识别的有效分析和实验方法；研究纤维增强泡沫金属夹芯结构这类具有非线性和时滞特征非线性动力系统的多稳态运动及稳定性的分析和数值方法；开展针对此类系统的自适应和鲁棒控制理论和实验研究；5）隔热特性：研究纤维增强泡沫夹芯复合材料结构的传热行为和隔热机理，从理论、计算模拟和实验三方面结合，分析多层隔热结构的热导率、自然对流换热、辐射换热等传热过程问题，建立该结构的隔热性能的表征方法，同时形成其隔热效率的设计准则。6）多孔复合结构的无损检伤及可靠性评价；与已有超轻结构力学性能及物理性能的比较，侧重于比强度、比刚度、吸能、减振、吸声、传热、阻尼等特性。7）研究多孔复合结构的技术成本分析模型。

承担单位：哈尔滨工业大学，西安交通大学等 课题负责人：吴林志

主要承担人员：王铁军，周振功，江俊，陈振茂，梁军，孙雨果 经费比例：12.5%

研究内容 预期目标 （1）建立溶体泡沫化过程完整物理模型；设计获得针对具体性能的可泡沫化合金成分；制备出金属纤维复合超薄三明治材料；得到自由成形有序多孔结构的与材料匹配的最佳工艺参数。获得介孔材料电学、光学、化学性质的变化规律。 （2）确定有序超轻多孔材料微结构尺度对宏观性能的影响。获得轻质点阵结构最有控制模型和相应的理论计算结果。揭示应力波在多孔材料中的传播和吸收机制。建立开孔的多孔材料考虑应变率相关效应的应力-应变-时间本构模型。给出不同多孔金属材料结构的能量吸收性能表征参数。 （3）获得临界热流密度随工质物性、有序多孔金属材料表征参数等之间的变化规律。得出多孔金属材料中燃烧及磁流体传热特性的数学模型和数值求解方法。 （4）揭示多孔材料阻尼声学性能与相关参数的关系。高声强并有附加场波传播及吸收的建模及测试；揭示材料微观参数对电磁波的作用机理；揭示材料介质组分－孔型结构－电磁波参数之间的关联，并提出电磁波屏蔽吸收制备技术原型。 （5）揭示纤维增强泡沫金属夹芯结构吸声、传热、动态响应、屈曲特性的内在规律。揭示纤维增强泡沫金属夹芯结构吸收动态冲击能量的规律。阐明纤维增强泡沫金属夹芯材料结构动力响应中的多稳态特性和时滞对其的影响。 （6）建立周期性非均匀介质中波传播问题的多尺度分析方法；建立弹性波带隙材料与结构的设计理论，获得具有特定频率段位臵和最大频段宽度的波隔断材料；建立具有负介电常数、负折射系数、负磁导率的异性介质的设计理论；揭示电磁波在异向介（1）在熔体泡沫化模型中加入传热冷却过程；针对具体性能设计可泡沫化熔体合金；开展三层及多层金属纤维超薄三明治结构复合技术的研究。研究C,N共掺杂二氧化钛介孔材料电导率与掺杂元素，介孔结构和气氛之间的关系。 （2）研究具有微结构的有序超轻多孔材料的可能存在的尺度效应。研究融入材料和几何非线性的智能结构系统的物理模型、反馈和耦合机理。 研究结构、孔径和孔隙率对有序和无序开孔多孔材料动态力学行为的影响规律。研究点阵材料受冲击载荷下的应力波的传播问题。用试验结果校核、完善和修正理论模型，发展表征多孔材料结构的动态特性的综合理第 论体系。 （3）系统研究多孔金属材料中的微 观结构对两相流动和传热的影响,进行临界热流密度的实验/理论研究，四 进一步完善相变传热理论模型。研究液体燃料及磁流体在多孔金属材料 内的数学模型和数值求解方法。 （4）由所建立的多孔材料阻尼声学年 特性数学模型分析相关影响参数；高声强并有附加场的波传播和吸收机理；微观结构对动态电磁有效性质的影响，左手材料的设计研究；生物态多孔材料介质组分－孔型结构－电磁波特性之间的有效关联。 （5）研究纤维增强泡沫金属夹芯结构的吸声特性、传热特性、板壳非线性、时滞动力响应、多稳态运动和稳定性问题。研究冲击载荷的作用下纤维增强泡沫金属夹芯超轻多功能结构的吸能特性。建立多孔材料和结构的动力学系统建模理论。 （6）研究弹性波、电磁波在周期性非均匀介质中的传播规律及分析方法；研究带隙材料微结构设计理论、左手材料微结构设计理论。 研究内容 预期目标 质中的特异的传播规律。 （1）研究带泡熔体流动规律以及流动条件下热场对泡沫长大凝固的作用规律；进一步研究金属格栅结构、金属/陶瓷复合多孔材料研究动态力学行为以及抗爆、防弹特性；研究氧化物半导体禁带宽度变化。 （2）研究纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的动态稳定性。对变形自适应控制和振动控制在实际中的可即研究在航天航第 行性进行具体研究，空领域的应用。提出控制电磁波传播以反射率为 与耗散过程的结构参数，约束条件，结构比刚度、比强度等力五 学性能指标为目标函数建立优化函数，进行优化计算。全面总结实验研完善超轻多孔材料结构的动 究成果，态破坏理论体系。 年 （3）对金属泡沫等多孔金属材料中传热的尺度效应进行深入理论研究。进行多孔金属材料中沸腾传热的不稳定性研究。进行将金属泡沫等在几个工程实际的应用性研究。 （4）以汽车或航天结构的实际应用为背景，以提高多孔材料结构阻尼及吸声性能为优化目标对多孔材料构型进行优化设计。给出新的孔隙左手材料的设计方法；生物态多孔材料介（1）总结熔体各参数对泡沫化过程和最终孔结构的作用规律，建立金属熔体发泡设计与制造理论体系；建立金属格栅结构、金属／陶瓷复合超轻结构冲击能量吸收优化体系；建立基于材料累加原理自由成形有序多孔结构的理论体系与技术方法。 （2）揭示冲击等动力学载荷作用下超轻多孔材料的相应规律；完成轻质点阵功能结构的实用性评估，并且得到典型结构件的初步制备方案；揭示纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的动态稳定性以及结构的影响规律。综合给出多孔材料的准静态和动态力学行为的描述和表征方法。借助实验研究结果分析，确定超轻多孔材料的动态破坏准则，完善强动载荷下超轻多孔材料结构的强度理论。 （3）得出金属泡沫等多孔金属材料中的两相流动与传热的尺度效应。给出宏观传热与其微观结构的相变传热关系式。给出较系统的多孔金属传热性能理论知识体系，并设法得出几种多孔介质燃烧器样品。 （4）为多孔材料结构实际应用奠定基础；给出新左手材料的微结构并进行样品制备和测量；揭示生物态多孔材料介质组分－孔型拓扑结构－声 研究内容 预期目标 质组分－孔型结构－声波特性之间波参数之间的关联，并提出声波吸收的有效关联。全面总结课题。 制备技术原型。 （5）制备具有吸声、吸能、隔热或（5）给出纤维增强泡沫金属夹芯超其综合性能散热、降噪功能的纤维增强泡沫金属轻多功能的典型结构件，建夹芯超轻多功能的典型结构。开展该应优于目前使用的各类轻型结构。类结构的可靠性及综合性能评价研立有效抑制纤维增强泡沫金属夹芯究。开展纤维增强泡沫金属夹芯复合板壳振动的控制方法和实施技术。 材料和结构的振动控制和智能化研（6）进一步完善材料和结构设计并建立跨尺究。建立和发展相应的自适应和鲁棒发和多功能协同设计技术；度优化问题的提法和有效求解方法；控制理论及实验技术。 发展材料分布与结构几何并发设计（6）研究材料设计和结构的几何设理论，建立基于微结构数据库的轻质计一体化并发的设计理论；研究多功结构设计技术；根据实际需求，设计能协同设计优化理论和方法；利用研出几种典型的材料和结构构型。 究成果的实际应用研究。

四、年度计划

研究内容 预期目标 研究内容 预期目标 （1）对熔体发泡过程各个影响因素有初步的认识；初步得到孔结构形态数字信息；揭示熔体在多孔截至间的渗流规律；解决实际技术问题、设计和臵备得到周期点阵多孔构型；揭示金属纤维夹芯多孔构型和介孔材料制备技术规律。 （2）初步建立描述超轻多孔结构本构关系的基本理论模型。获得典型多孔材料的最优化设计参数，揭示电磁波在周期性孔隙结构中的传播规律。完善现有高速摄影技术、特征参量记录分析技术，初步建立多孔材料的动态力学特征实验表征方法，基本掌握冲击实验技术和测试手段关键。 （4）为实验研究奠定基础；渗流流动的建模及测试。多孔材料的微观结构关联函数与孔隙拓扑结构的定量关系；生物材料原始结构向生物态多孔材料转变的共性特征，模板结构和形态遗传、组分变异规律和控制途径。 （3）完善单相对流传热与其细观结构的表征体系,并发展高孔系率多/跨尺度下的单相对流传热理论.对两相流型进行理论探讨。提出针对不同孔隙率、不同热值气体燃料的数学模型。 （5）揭示纤维增强泡沫金属夹芯结构宏观力学及物理性能与其细观结构间的内在变化规律。揭示材料微结构、材料构成方式以及激励振幅和频率对固有动力学参数的影响。 （6）揭示已有优质构型材料和结构的仿生特征、确认构型描述参数和性能指标因子，建立多指标因子协同设计方法；特定性能材料和特异性能材料的设计技术；建立材料设计和结构几何设计并发、多功能协同的轻质结构设计理论。 （1）研究熔体发泡过程各个影响因素的作用规律，着手开发孔结构分析技术，发展高孔隙率通孔泡沫铝制备技术；展开周期点阵多孔构型、金属纤维夹芯多孔构型的设计，着手解决其臵备技术问题；展开介孔材料制备研究。 （2）建立描述超轻多孔结构本构关系的基本理论模型，研究轻质点阵结构的具体的设计形式，并得到相应的力学参数；对电磁波在单一材料的周期性孔隙结构中的传播进行讨论，在各单元自身传播形式较简单的情况下考虑周期结构各单元间的相互影响；完成Hopkinson实验平台的建设和改制，完成中、低速度下低载荷条件下多孔材料动态力学实验，初步建第 立多孔材料的力学特征实验表征方法。 （3）对金属泡沫及栅格材料等多孔金属材料中的单相对流传热进行分一 析和测试,搭建相变实验台,分析金属泡沫等多孔金属内气体燃料流动预 热、燃烧、传热的机理与数学建模；多孔金属内磁流体不稳定性理论分年 析。 （4）搭建以测试多孔材料阻尼特性，吸声性能，隔声性能以及电磁屏蔽性能有关的实验平台；考虑孔隙结构参数对渗流介质的热弹性压缩模量的影响。建立微观拓扑结构的数学模型并仿真；研究有代表性的制备遗态多孔材料的转化规律。 （5）建立起纤维增强泡沫金属夹芯结构的细观结构与其宏观力学及物理性能间的定量关系，进而采用数值模拟方法对上述结构进行优化设计和分析。研究不同微结构、面板和芯体材料的固有动力学特性以及多孔材料特性的非线性参数识别。 （6）研究基于仿生分析模拟与仿生设计的轻质高强韧材料和结构创新 研究内容 构型的设计理论；特定性能材料和特异性能材料微结构设计理论；材料设计与结构设计并发、多功能协同的设计方法。 预期目标 （1）研究熔体发泡各影响因素的控制原理；探索孔结构参数和性能之间的内在联系；研究周期点阵多孔构型的稳定性问题；研究多孔陶瓷绗架、金属纤维等的结构特征和性能之间的关系以及制备参数和介孔结构之间的关系。 第 （2）建立强动载荷下超轻多孔结构本构理论体系。进行强动载荷下超轻 多孔结构中冲击波传播规律的数值研究。研究点阵材料的阻尼振动智能二 特性；研究轻质点阵功能结构的本构模型、破坏失效机理等力学性能。研 究闭孔在中、高速下不同孔隙率多孔建立多孔材料年 材料的动态力学行为，的动态力学特征实验表征方法，基本掌握冲击实验技术和测试手段关键。 （3）进行多孔金属材料中的相变传热的初步实验研究；对其两相流型进行初步可视化研究。对金属泡沫等超轻多孔金属材料中的两相流动（1）通过熔体发泡过程各个影响因素作用方式初步控制泡沫铝及铝合金的结构；初步得到孔结构形态参数和性能之间的关系；建立周期点阵多孔构型制备技术优化仿真模型；实现超轻纤维夹层多孔金属从微观到宏观的结构和形态的控制。 （2）对平面有序多孔材料进行理论分析，使点阵材料梁结构达到迅速减振。获得轻质点阵功能结构的力学特性和点阵功能结构的初步优化计算结果，建立其控制方程。建立多孔材料的动态力学特征实验表征方法，基本掌握冲击实验技术和测试手段关键。得出孔隙率和结构对动态力学特征的影响规律。 （3）获得多孔金属材料中的相变传热初步实验结果,对其两相传热效果 研究内容 和传热机理进行理论研究.得出多孔金属材料内的辐射换热求解方法；初步设计多孔介质燃烧器；建立多预期目标 有一基本理解；对两相传热理论有一较为清晰的认识,并提出相应的数学模型；得出多孔金属材料内较完善可靠的辐射换热数值计算方法。 （4）揭示多孔材料阻尼性能以及吸声性能实际规律；骨架材料的力学响应；解析地给出孔隙材料的微观结构对电磁动态有效性质影响的规律；揭示生物态多孔材料孔型结构特征，并发展其表征测试技术。 （5）给出纤维增强泡沫金属超轻多功能复合材料结构的制备工艺。揭示纤维增强泡沫金属夹芯结构的失效机理，给出相应的材料破坏准则。揭示材料微结构单元体振动特性与材料宏观动力特性的内在规律。 （6）建立多物理场、多功能金属基多孔材料结构性能和响应分析的多尺度方法；建立复杂环境下多约束非线性结构宏观构型的创新设计方法；建立散热结构、特殊波传播或隔断结构设计的拓扑优化理论和技术。 孔介质内磁流体流动控制试验台。 （4）阻尼性能及声学性能的实验研究；建立固液两相介质的本构和控制方程。考察当非刚性假定时金属多孔材料中声传播；给出动态电磁有效性质解析模型，测量材料电磁性质。左手材料的设计；遗态多孔材料的微观组织结构特征。 （5）采用一体化成型工艺，制备纤维增强泡沫金属夹芯结构。研究泡沫金属材料、纤维增强复合材料面板和纤维柱的损伤机理和破坏模式，并确定相应的材料强度准则。建立纤维增强泡沫金属夹芯板壳固有动力学特性的数学模型；研究材料微结构单元体振动特性与材料宏观动力特性的联系。 （6）研究多物理场耦合作用下材料与结构多尺度分析方法；研究在多物理场耦合环境下，考虑非线性，含力学性能约束、防热（隔热/散热/传热）要求、以及物理波传输、隔断、响应等性能要求的多约束结构拓扑优化技术。 （1）继续发展无序泡沫铝及铝合金的制备技术；研究有序点阵多孔结构异材连接技术；考虑多种因素对有序第 点阵结构进行优化；研究介孔材料的光催化性能。 （2）利用理论分析和数值模拟的方法，研究多孔材料变形和失效规律。三 研究左手材料微结构形状和分布与宏观材料有效介电常数和磁导率的 联系，探索电磁波在左手材料中以及开展强动载荷下年 界面上的传播规律。超轻多孔结构破坏理论初步研究及建模。完成全部强动载冲击实验。 根据提出的理论分析模型，研制相应的（1）建立熔体泡沫生长过程模型；总结得到无序多孔金属对能敏感的孔结构参数；得到孔隙率＞70%的通孔泡沫铝及铝合金；研制得到直接或间接的金属自由成形有序多孔结构的工艺方法；揭示有序多孔构型异质连接关键技术。 （2）确定韧性平面有序多孔材料的宏观断裂模式和失效判据；获得应力波在周期性点阵材料之间传播的动力学模拟方法；揭示结构中电磁波的传播规律。分析在撞击、爆炸冲击波作用下应力波在多孔材料中的传播机理和衰减规律及对细观结构的依 研究内容 数值模拟程序，分析超轻多孔金属材料细观结构、孔隙率等对应力波主导波形传播、衰减和能量吸收等特性的影响。 （3）得出流动阻力和传热系数随热流密度、质量流量及工作压力的变化规律；对两相流型进行进一步研究, 对汽泡成核、聚合、长大及流型演变规律的初步可视化研究。研究和开发气体燃料在多孔金属燃烧器内全过程的数学模型和数值求解方法；建立多孔介质内磁流体流动与传热控制试验台。 （4）建立多孔材料阻尼特性及声学特性分析的数学模型；高声强下的波传播和吸收机理；完成电磁波数值方法，比较解析方法，给出具有不同微结构模型材料电磁波投射测量结果；研究遗态过程中的定向设计与控制技术。 （5）建立纤维增强泡沫金属夹芯结构失效破坏的细观力学模型，并对该类结构进行失效破坏过程的模拟。研究纤维增强泡沫金属夹芯结构的稳定性问题，确定该类结构的临界屈曲载荷以及后屈曲平衡路径。多孔超轻板、壳的小挠度和大挠度弯曲行为研究；确定多孔材料阻尼的实验或数值分析方法。 （6）研究基于特征的结构与材料新构型设计理论；多物理场耦合作用下材料和结构多尺度联合的多目标优化理论和方法。 预期目标 赖性，全面了解多孔材料结构的吸能机理及破坏过程。 （3）得出流动阻力和传热系数随热流密度、质量流量及工作压力的变化规律。进行液体燃料燃烧测试试验；在改变电磁场参数、流动初始和边界条件时，以及热边界条件时，测定磁流体的流动与传热行为。 （4）揭示多孔材料阻尼性能机理与声波的传播规律；高声强条件下波传播及吸收的建模及测试；给出一种基于FDTD的普适计算方法和软件，为分析微观结构影响打下基础；实现结构组分功能特性设计、控制与微观层次的功能组装。 （5）揭示纤维增强泡沫金属夹芯结构失效破坏的规律、变形特征。揭示纤维增强泡沫金属夹芯结构失稳破坏的内在规律，掌握该类结构非线性屈曲的特征。 （6）抽象出体现可制造性的材料和结构构型描述的特征参数，建立以特征参数为驱动的拓扑形式演化技术；建立基于特征的结构与材料创新构型设计问题的提法和求解方法；建立多场耦合、多尺度联合的材料和结构多目标优化理论。

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