超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究报告

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1、-工程名称：超轻多孔材料和构造创新构型的多功能化根底研究首席科学家：卢天健交通大学起止年限：2006.1至2021.12依托部门：教育部. z-一、研究容本工程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、声学等学科穿插融合的角度，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构造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构造，通过对多孔材料微构造和组织的优化设计，到达特定构造性能要求，实现从材料性能到构造性能一体化设计。本工程拟解决的关键科学问题

2、和主要研究容包括：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准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，有序多孔金属构造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根底科学问题。主要研究容：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根底制备理论,以载人航天为应

3、用对象的一致性控制孔隙率构造泡沫纯铝的根底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开展和创新，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有序微构造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

4、形等关系，材料微观组织动态演化的准确仿真等；5创新构型金属纤维超薄层合构造制备的根底理论，主要包括：异材连接的界面物理化学过程及其界面微观构造、从微观到宏观的构造和形态的控制等；6多功能介孔材料制备的根底理论，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构造的影响等。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，与其作为构造部件的最小几何特征尺寸常常相差不远。在此应用围，已有研究说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

5、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构造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构造的依赖性；金属泡沫等超轻多孔材料中的导热、对流、辐射特性,宏观传热与其微观构造的关系,微细多孔跨尺度

6、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、静定构造分析、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构造的优化设计新理论微构造的优化设计主要涉及到两大难题：一是在给定微构造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构造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，超轻多孔材料和构造设计多目标、多约束、多场耦合的大规模优化问题的提法和求解方法，以及材料与构造

7、并发设计和多功能协同设计。主要研究容：以超轻质多孔金属基多功能材料为背景，研究材料微构造和构造几何设计并发的设计理论；研究材料和构造在力场、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。探讨轻质构造材料、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构造/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，为轻质高强韧构造设计、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

8、理论和方法。4 纤维增强泡沫金属夹芯复合材料构造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构造涉及不同材料及构造层次，因此对其进展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构造的成型工艺；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构造进展优化设计及分析，以确定最优的构造形式。2采用不同的构造成型工艺，以使制备出来的纤维增强泡沫金属夹芯复

9、合材料构造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构造的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则确实定；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构造的物理性能研究。5可靠性评价。本工程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、声学等学科穿插融合的角度，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构造制备机理及性能表征的理论和

10、技术体系；针对有代表性和重大应用背景的多孔金属构造，通过对多孔材料微构造和组织的优化设计，到达特定构造性能要求，实现从材料性能到构造性能一体化设计。本工程拟解决的关键科学问题和主要研究容包括：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准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，有序多孔金属构造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

11、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根底科学问题。主要研究容：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根底制备理论,以载人航天为应用对象的一致性控制孔隙率构造泡沫纯铝的根底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开展和创新，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

12、协调、海绵骨架的加粗，梯度泡沫金属的制备手段等；4有序微构造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准确仿真等；5创新构型金属纤维超薄层合构造制备的根底理论，主要包括：异材连接的界面物理化学过程及其界面微观构造、从微观到宏观的构造和形态的控制等；6多功能介孔材料制备的根底理论，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构造的影响等。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、

13、微米、毫米量级三大类，与其作为构造部件的最小几何特征尺寸常常相差不远。在此应用围，已有研究说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构造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

14、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构造的依赖性；金属泡沫等超轻多孔材料中的导热、对流、辐射特性,宏观传热与其微观构造的关系,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、静定构造分析、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构造的优化设计新理论微构造的优化设计主要涉及到两大难题：一是在给定微构造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构造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

15、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，超轻多孔材料和构造设计多目标、多约束、多场耦合的大规模优化问题的提法和求解方法，以及材料与构造并发设计和多功能协同设计。主要研究容：以超轻质多孔金属基多功能材料为背景，研究材料微构造和构造几何设计并发的设计理论；研究材料和构造在力场、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。探讨轻质构造材料、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构造/部

16、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，为轻质高强韧构造设计、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构造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构造涉及不同材料及构造层次，因此对其进展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构造的成型工艺；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。主要研究容：1针对汽车、高速列车、

17、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构造进展优化设计及分析，以确定最优的构造形式。2采用不同的构造成型工艺，以使制备出来的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料构造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构造的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则确实定；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构造的物理性能研究。5可靠性评价。二、预期目标1 总体目标本工程将针对以节能、净化、超轻质、多孔、多功能为特征的新材料体系，以现实的

18、国家重大需求为牵引，以开展和建立超轻多孔材料的完整科学和技术体系为目标，穿插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，重点进展制备机理与手段、流变制备过程准确仿真和实现、宏微观性能表征及其尺度效应、材料与构造创新构型优化设计的根底理论研究；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构造/部件进展一体化多学科协同设计。通过该工程的实施，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35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根底与高技术研究队伍。2

19、五年预期目标科学理论层面：1) 提醒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构造和形态的定量控制；提醒异材连接的界面物理化学过程及其界面微观构造；提醒模板剂制备介孔材料的合成机理；提醒多尺度有序多孔构造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

20、程的有效数值模拟方法；实现对材料微观组织动态演化的准确仿真。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；提醒在撞击、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构造的依赖性，建立强动载荷下超轻多孔材料和构造的动态损伤理论；提醒多孔金属材料的流动传热特性，建立宏观传热微观构造的定量关系，研究在微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理，提醒沸腾传热机理、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根底，指导具有特

21、殊吸波或屏蔽功能的多孔金属材料的微孔构造优化设计，开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构造多孔金属材料。3基于现有轻质多功能构造优质构型的组合、协调和仿生设计的新构型设计技术，建立既能提供构造拓扑、形状和尺寸几何属性参数，又能提供构造部材料属性参数微构造描述参数及其随空间位置变化的材料设计和构造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) 开展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料构造的细观力学理论，给出该类构造的宏观有效性能的预报公式；开展纤维增强泡沫金属夹芯构造的稳定性理论，确定该类构造的临界屈曲载荷；基于破坏性实验及无损检测技术

22、，表征纤维增强泡沫金属夹芯构造的损伤机理和破坏模式，并建立材料破坏的相应强度准则；建立复合材料构造失效破坏过程的细观力学模型，对其失效过程进展数值模拟，提醒这类构造失效破坏的在本质。关键技术层次： 1研制高性能闭孔和通孔泡沫金属及其治构造、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系统，形成多孔金属制备和装备等方面的专有技术与创造专利10项以上。22在建立多孔材料微构造尺度与构造/系统跨尺度分析的理论根底上，开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

23、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根底。3结合根底理论研究，针对典型的多孔材料及其复合构造，开展力学、热学、波导等性能根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外表连续温度场；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

24、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、*-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构造特征的表征方法、检测平台和测试规，形成10项以上专有技术和创造专利。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、波导性能等的构造优化设计理论和方法；桁架类空心材料构造、微层板构造、夹芯构

25、造等典型组合构造的优化设计；材料性能和构造功能指标因子研究以及基于多指标因子的材料和构造并发设计方法；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构造多尺度分析方法等。5) 开展新的复合材料构造制备工艺，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构造，形成该类复合材料构造制备的专有技术与创造专利4项。开展纤维增强泡沫金属夹芯构造失效破坏的实验表征方法，以用于构造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构造，开展相应的细观力学理论，建立复合材料构造部的细观构造与其宏观有效性能的定量关系，以便于该类构造的优化

26、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-隔热构造,汽车上的超轻-吸能-减振构造,飞机、舰艇及高速列车上的超轻-减振-降噪构造等，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展，第一阶段20062007，主要对多孔材料的制备理论和相关技术进展初步研究，提醒材料宏观性能和微细观构造的根本关系与表征理论，开展跨尺度数值模拟技术、根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，并搭建好具体主攻容的软硬件工作平台；第二阶段20212021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

27、，全面实现工程的五年预期目标。第一阶段目标：20062007针对汽车、高速列车、飞行器等装备典型构造件所处的特殊环境，进展详细调研，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构造制备和装备的组合实验平台，完成46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；研究多孔有序构造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根底理论框架，以及材料性能根本参量如刚度、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

28、价方法和技术规，包括物理模型与表征参量、耦合场模拟装置与信号检测、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根底理论框架，针对*些具有特定性能的材料微观构型，确定微构造参数描述、微构造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，开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、高速列车领域典型构造件所处的特殊环境，对泡沫金属材料和复合材料进展选材。根据环境载荷及技术指标的要求，对

29、纤维增强泡沫金属夹芯构造进展优化设计和分析，以使构造的比强度、比刚度、稳定性、吸声特性、减振特性、传热特性、吸能特性到达技术指标的要求。根据优化设计方案，开展不同的成型工艺，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构造。第二阶段目标：20212021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局部典型构造件。建立描述多孔材料静力学特性、动力学

30、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；提供不同微构造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置；确立多孔金属微构造的动力学优化准则；提醒不同构造形式的多孔材料对轻质物理波传播的影响规律；开展多孔材料导热、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，

31、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；针对其构造的稳态与瞬态行为，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，开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。为材料与构造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构造的冲击试验，表征构造受冲击后的损伤机理和破

32、坏模式，建立其细观力学分析模型，以预报其剩余寿命；针对这类构造形式，开展细观力学研究，建立材料部细观构造与其宏观有效性能的定量关系；研究构造在外压及轴压作用下的变形及稳定性问题；开展细观损伤力学、断裂力学和数值模拟方法，为这类构造在复杂载荷作用下的可靠性评价奠定根底；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根底上，开展纤维增强泡沫金属夹芯构造的降噪、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，并与目前使用的构造系统和功能系统进展比较研究。基于上述根底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构造服役寿命预测与可靠性

33、的设计指标及相应的技术规，并在汽车、高速列车、航天等方面取得示性应用，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；同时在工程承担单位建立多孔金属性能表征的根底科学研究基地，开展具有系统性、前瞻性的科学研究和规化的技术方法探索。三、研究方案为实现工程的总体目标，本工程拟订的总体学术思路是以材料与构造创新构型理论为根底，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、电磁学等学科穿插融合的角度，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

34、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化、系统化的深入研究。通过本工程的实施，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工程将集中优势力量，重点突破超轻多孔金属材料与构造制备及应用中所涉及的共性理论和关键技术。在制备方面，创新的关键在于开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展以计算机优化过程控制参数为目标的大幅度改进，再加上准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

35、装置程序升温热分解装置这一国际领先的特有装置及其原理和方法；对金属或复合材料面板外表进展特殊处理，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构造稳定、孔隙率和孔比外表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、系统构造和实现的方法；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外表质量；进一部完善基于原型的快速精铸制备工艺，确定最正确浆料浓度配比和型壳的焙烧工艺。在多孔材料物理性能根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根本

36、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构造的动态本构理论；利用显微观测技术来表征多孔金属材料和构造的损伤机理和破坏模式；建立单相与两相换热的根本试验台，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构造的关系；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展可视化研究,得出流型转换的根本规律；通过建立稳恒热源电加热的实验平台，对多

37、孔散热和隔热材料进展热性能测试；采用现有磁场发生装置，设计多孔介质通道，采用导电流体进展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构造的多孔金属材料的电磁波传输特性进展测量。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构造宏观性能与微观构造间的关系，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根本工具，利用计算机对真实系统进展模拟，将实验测试和理论推导得

38、出的反映材料和构造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平安性等；在根本连续介质力学控制方程的根底上，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构造中的传播衰减理论；在实验、观察根底上，考察动量方程中非线性项与材料微观构造的关系,并提出相应的动量及能量改进模型，研究多孔材料的微观构造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开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展仿真研究；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，

39、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、混合开闭孔的不同构造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展不同构造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根底上，从经典波导方程出发进展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构造的设计；在按这两个途经探索时，实现超轻质构造的重点，一是将构造构型的优化和材料的微构造优化同时考虑，二是所研究的材料和构造除了能承力，还要具备其他功能，如防热、隔振或特殊的电磁性能，并在构造不同部位优化使用具有不同复合功能、不同微构造

40、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构造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构造拓扑优化技术。通过设计构造的拓扑形式，以使构造具有良好的力学性能的同时，具有良好的隔热或散热性能。由于具有特定微构造的一种超轻材料不可能具有所有的优点，利用构造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，以到达在轻质、高强韧、多功能等要求下的轻质材料和构造并发设计。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)，是一个构

41、造。当由这种材料组成的构造用来承担外力时，为了分析其极限承载能力，必须考虑构造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，进一步影响到构造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) 根据工程构造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) 针对桁架类夹芯构造，利用拓扑优化技术，进展芯体材料微构造拓扑形式的创新设计，以使夹芯构造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

42、材料的微构造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，根据构造件的特殊环境要求以及构造优化设计的结果，研制能够满足工艺要求的模具，探索这种空间仿生夹芯构造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构造的力学及物理性能的研究，主要包括构造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。在以上研究成果的根底上，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

43、，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构造的典型件，以验证本工程的研究成果。2 创新点与特色 本工程的特色和创新点主要表达在：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，将超轻多孔材料的构造功能和其减震、传热、降噪、吸能等特性相耦合，到达节约能源、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构造之间的依赖关系理论创新；4利用超轻多孔材料假设干性

44、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展深层次的研究，同时考虑制造工艺和其它非构造功能的影响体系创新。 3 研究方案的可行性分析本工程的学术思想和研究方案是建立在对相关国外研究现状与开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根底之上。在国家前期相关工程的支持下，在与本工程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历、研究根底和技术储藏，*些关键性的理论和技术已处于突破的边缘，局部结果已获国际成认，特别是超轻多孔金属的制备和面向国家需求的重大应用，材料与构造一体化优化设计，以及多孔金属宏微观性能的力

45、学、传热学、声学等研究领域的根底理论研究方面已取得了一系列重要成果，其中局部成果居于国际领先或国际先进水平。东南大学超轻型金属构造实验室自1988年以来一直从事多种形式超轻型金属构造的制备、构造、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工程(包括重点工程)及国家载人航天、国家实验、兵器、军用船舶工程连续资助下，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；获得及申报创造专利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

46、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，而协作单位大学微构造国家实验室拥有阻尼研究的全套设备，为实施本工程多种高技术及汽车需求提供了良好的前期工作根底及实验条件。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，交大和清华大学、哈工大等在国家自然科学基金重大/重点工程、国家出色青年科学基金、基金委优秀创新群体基金等工程资助

47、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, 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展了系列研究, 在此领域积累了较为丰富的经历。在微尺度相变传热不稳定性等研究领域，中科院能源研究所近年来开展了较为系统的研究，提醒了微时间尺度变化的流型转换与其微通道复杂的传热传质机理。在材料和构造优化设计领域，近十年来，微构造概念和均匀化理

48、论被成功地应用于连续体构造拓扑优化设计，将拓扑优化问题转化为在给定区域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构造的宏观构型。由于构造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构造的拓扑形式，以使材料具有所要求的热传导和刚度性质。开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。理工大学和西北工业大学长期从事构造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、连续体构造优化、桁架构造拓扑优化的奇异最优解等方面的工作，受到

49、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、超轻质高强韧构造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，提出了材料设计和构造设计并发的超轻质构造设计新理念。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工程“超轻质构造设计新理论、“十五重大研究方案“空天飞行器假设干重大根底问题研究的工程“轻质防热材料与构造设计新理论、国家自然科学基金委创新群体科学基金工程“计算力学与工程科学计算，教育部新世纪优秀人才方案工程、教育部优秀青年教师资助方案工程等一批重

50、要科研工程。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；编写了国唯一一部?粉末冶金多孔材料?专著。1995

51、年建成国家计委“金属纤维及纤维毡生产线工业示工程，2000年该工程获国家科技进步二等奖。在利用生物构造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预、传输和吸收等方面，交通大学金属基复合材料国家重点实验室近年来进展了较为系统的研究。借鉴大自然千百万年来优胜劣汰自然进化的生物构造，实现了多尺度、多层次、多组分和多种类生物态多孔瓷和生物态多孔金属等多孔材料的有效调控和构筑，所提出的利用生物构造遗态实现材料的组分多孔拓扑构造物理波吸收或者隔断的多构造多功能有效统一的学术思想受到了日本、德国、等国外同行的成认和关注，建立了稳定的国际合作研究，并具备了良好的前期研究根底和技术积累。创新构型纤

52、维增强泡沫金属夹芯复合材料构造的研究方案是在广泛查阅文献和深入讨论、结合工业大学多年的研究根底上提出的。作为一种新型的超轻多功能复合材料构造，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构造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历，为本课题的开展奠定了较好的根底。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、复合材料及其构造的设计/分析/评价、复合材料构造的数值模拟、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

53、，经过多年的合作与学术交流过程，来自国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、思想活泼、勇于进取的研究群体队伍。该研究群体队伍的组成充分表达了跨学科材料学、机械学、力学、数学、传热学、物理学等、跨部门、强强联合、知识构造互补等特点，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兴旺国家相比差距并不大，甚至在*些方面居领先地位，为本工程的实施奠定了良好的根底。现代科学技术的开展，无论是在根底理论还是在测试技术方面的新进展都使本工程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

54、手段上的保障。工程主持和课题承担单位主要为国家或部门重点实验室，能够满足本工程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、典型构造部件应用等各个环节的要求，在研究所需的各种根底条件方面可以得到完全保证。因此，本工程的研究实施具有很强的可行性，可望不仅在根底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 为了实现工程总目标及解决工程中的共性关键科学问题，本工程共设置以下六个相互有机联系的课题：研究领域能源、环境领域材料领域使用能源效率提高，减少环境污染，节能理论与产品设计材料成分、组织构造、制备工艺对机械和物理性能的影响领域研究侧重

55、超轻多孔金属在汽车、列车、飞机等交通运载工具上的应用，到达节约能源、环保、平安的目的，是涉及材料、能源等领域穿插研究的重要研究方向。国家重大需求纤维增强泡沫金属夹芯构造的构建理论超轻多孔材料与构造创新构型设计优化新理论轻质物理波在多孔材料中的传播和吸收理论高孔隙率通孔材料和构造的传热学理论多孔材料的力学行为和材料性能表征理论体系创新构型超轻多孔材料的制备理论研究课题与主要方向l 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，开展多孔金属材料和构造的设计和制备关键技术。l 发表一系列有重要影响的高质量学术论文和

56、专著，形成一批多孔金属材料节能净化产品和专有技术。l 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46名。预期研究目标课题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根底科学问题，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根底科学问题；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构造的创新构型设计及其优化的根底理论体系；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

57、有多重功能的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料构造的根底科学问题。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，开展关键设备和装备，充分积累试验规律，采用物理归纳、数学演绎和物理模

58、拟等手段，从实验规律入手深入提醒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。研究容：1)研究熔体中泡沫化制备过程中的科学问题，提醒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；提醒球形孔、多边形孔生长与熔体孔隙率的关系；提醒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，并提醒其物理本质；采用更准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

59、；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治构造：从微观到宏观的构造和形态的控制，对材料在不同状态和层次上的构造进展定性、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构造和外表性质之间的联系进展全面的系统化研究。6有序构造的可控性制造：基于增材制造原理多孔有序构造自由成形的工艺方法；金属成形制造过程的热

60、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，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：系统地开展高孔隙率多孔材料微构造尺度与构造/系统跨尺度分析的理论及方法，提醒其宏观性能与微细观组织构造间定量关系，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；针对不同国家目标需求，研究超轻多孔构造多功能化机理。研究容：1) 研究超轻多孔材料从纳米到毫米孔径的跨尺

61、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构造宏观性能与微观构造间的关系，以及它们对外加鼓励的响应机理，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研究超轻多孔构造的动态特性和动力学稳定性。通过高

62、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围下的受力分布、形变和能力传递过程，提醒不同多孔金属构造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构造的依赖性，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构造的动态损伤理论，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平安性，为超轻多功

63、能金属材料构造的耐撞性评价提供理论依据和技术参数。3研究超轻多孔构造的多功能化机理。研究多功能集合有序多孔构造承载材料，充分利用其高比外表积特点，以实现传感、促动、能源配置等多种附加功能，实现系统多功能化。承担单位：交通大学，清华大学课题负责人：卢天健主要承担人员：桂平，志懋，马利锋，彬，邱信明经费比例：28.2%课题3高孔隙率通孔材料和构造的传热学理论研究目标：提醒金属泡沫、栅格材料等超轻多孔构造材料中的传热特性,建立宏观传热与其微观构造的关系, 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

64、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根本散热规律;准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。研究容：1针对单相对流换热，部流动与外部流动情形，提醒对流换热的根本规律，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，量化微观构造参数对两相传热的影响。2借助高速摄像仪、红外相机、* 或射线仪等对微细构造两相流动及传热中的流型分布及温度场进展可视化研究,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外表连续温度场，开发先进的测试多孔材料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部微细构造的视场放大，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准确