泡沫铝材料是使用铝合金发泡生产的新型轻金属材料，也是当前量产的工业材料里，吸能、防撞效果最理想的材料之一。

        泡沫铝材料的吸能密度达到4～20J/cm3，并且应力平台宽而平，拥有不可替代的吸能缓冲性能，并在军工、核电、汽车等领域得到了广泛应用。

             

1.   泡沫铝材料的吸能缓冲性能

        在讨论吸能缓冲之前，我们需要知道，我们想要什么样的吸能缓冲材料？

1.1    理想吸能缓冲曲线

        常见的材料在达到屈服强度之后，强度迅速下跌（压坏了），压缩曲线大体如下图所示：

 

        或者，对于常见的弹性材料，随着位移增加，压力由小而大：

        这两种压缩曲线并不是理想的吸能缓冲曲线。一方面，缓冲是为了保护，因此缓冲材料强度不可太高，一定要低于受保护的材料，比如，软木头可以给锤子做缓冲，但没法给鸡蛋做缓冲，就是这个道理；另一方面，材料强度也不可太低，不然起不到吸能缓冲的效果，并且，在整个压缩过程中，最好都不要太低，这样才能够实现持续的、良好的能量吸收。

        从学术角度来说，能量等于力乘以位移，吸收的能量，事实上就是红色曲线以下的面积。很容易想到，理想的吸能缓冲曲线应该是一条直线：

        为什么钢制的吸能缓冲件，总是需要复杂的空间结构呢？因为钢材本身并不是良好的吸能缓冲材料，他的压缩曲线更接近于第一种，屈服之后强度下降。因此，需要复杂的结构，逐层坍塌，不同层之间的钢材，互相补充其强度的不足，最终去逼近理想的吸能缓冲曲线。

 

1.2    泡沫铝材料的吸能缓冲曲线

        为什么泡沫铝材料是比较理想的吸能缓冲材料呢？

        因为泡沫铝先天具备细腻、均匀的空间结构，也就是上文所述，钢结构想要模拟的结构。在压缩过程中自然就拥有了比较理想的压缩性能：

        图中可以看到，泡沫铝材料的压缩曲线，比较接近理想的压缩曲线。

1.3    不同密度等级泡沫铝材料的压缩强度

        如表所示，供参考：

 

2.       泡沫铝材料在吸能缓冲领域的应用

2.1          军工装备与工程

        泡沫铝及其复合材料，在拥有优异的防爆防弹性能的同时，能够保持较轻的结构重量，在军工领域应用前景广泛。

        欧美泡沫铝厂家主要集中在北美，如美国ERG、加拿大Cymat，均有较强的军工背景。用于军工、核电领域的高强度泡沫铝（强度≥5Mpa），北美企业对国内禁售。

 

2.2          核电

        泡沫铝是最受好评的缓冲材料之一，相比传统的缓冲材料，在吸能效率高的同时，其力学性能在各个方向上体现出较高的一致性，而传统的桉木、蜂窝铝等缓冲材料，由于纹理方向的影响，在不同方向上力学性能差异较大。

        同时，泡沫铝的耐火、防水性能，进一步增强了在核电缓冲领域的性能优势。

        在核电燃料运输领域，乏燃料运输容器要求较高，要求通过9m各向跌落试验以及火烧、穿刺试验，目前已经开始批量使用泡沫铝材料做吸能缓冲。

 

2.3          汽车

        在欧洲，采用粉末密实熔化发泡法制备的泡沫铝已在轻质结构和吸收冲击零件上已经获得应用，并进入了小批量生产阶段。各大主机厂如大众、宝马、欧宝、菲亚特、雷诺、奔驰、卡曼等都已采用泡沫铝制造汽车侧面与前部防撞零件、轴架及车身板件等。

        早在十几年前，现代集团就在中国申请了泡沫铝防撞梁吸能盒的发明专利。而长城、奇瑞、华晨、红旗等自主品牌汽车企业，也已经开始研究泡沫铝用于汽车吸能缓冲，并发表了大量的论文、专利。

        随着国内新能源汽车的兴起，对车身减重的要求进一步增加，并且增加了电池的防爆、防火需求，因此泡沫铝复合板用于车身、电池包已经被广泛关注，多家企业纷纷开展技术预研。

        新技术的发展更带来了无限多的可能性，通过注射成型的方式，有望直接批量生产泡沫铝复合零件，类似上文的宝马发动机底座。并且，新工艺彻底解决了粉末冶金工艺成本高、批量小的问题，具备在汽车领域大规模推广的条件，前景广阔。

2.4          道路、桥梁

        泡沫铝已经应用于山东高速道路护栏的防阻块，同时在道路防撞缓冲车、高速出口防撞垫等领域也具备极大的应用潜力。

 

        同时，在桥墩防撞领域，泡沫铝也是最理想的材料之一。强度1MPa左右的泡沫铝材料可以直接应用于桥墩防撞，避免了传统钢或玻璃纤维材料的结构复杂、制造困难等问题。

2.5          工业、矿井

        在工业缓冲、矿井缓冲等领域应用前景广泛。

3.       泡沫铝应用于吸能缓冲领域的设计思路

3.1          一维碰撞结构的简单计算、设计流程

        理解了上面的吸能缓冲模型之后，一维的吸能缓冲计算其实非常简单，使用高中物理知识就可以解决。

        按如下几个步骤：

        1.       通过实验、数据检索、经验等方式，确实受保护结构的最大受力，并根据最大受力估算出结构的“等效强度”（对于均匀结构，可以直接用材料强度）；

        2.       根据以上结构强度，选取合适的缓冲材料强度；

        3.       根据实际工况，如被缓冲结构的速度、重量，以及需要达到的缓冲结果，计算需要缓冲材料吸收的能量值，并计算缓冲材料用量；

        4.       根据以上数据，结合最大加速度限制（如人体一般可承受5~8g）测算出需要设置的缓冲距离；

        5.       对比材料用量、距离，核实泡沫铝材料的截面积是否过小，如果确实存在强度高、面积小的情况，可以适当降低强度、增大截面积；

        6.       根据以上测算，初步定型缓冲结构。

        工程实践中，相当一部分碰撞缓冲，其实就是一维或准一维的，通过以上计算流程，并预留合理的设计余量，就可以得到合理的设计方案。

3.2          复杂工况结构设计

        一般可以采用如下方式：

        1.       通过一个或多个方向的一维计算，初步确定防护等级或者材料强度量级；

        2.       通过计算机数值模拟等方式，优化选材与结构设计；

        3.       试验验证并定型。