超轻材料是指密度小于10毫克每立方厘米的固体材料，具有超轻、高比强、高比刚及耐热性等特点，同时还具有优异的减震降噪性能、良好的吸能缓冲性能、突出的吸声和屏蔽性能、理想的过滤与吸附性能等多功能-结构一体化综合特性，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料。

　　有关超轻材料的研究已经超过60年。截止到目前，超轻多孔材料已经历了多次迭代发展。第一代超轻多孔材料主要是泡沫材料，其孔结构无序，分为开孔和闭孔两种形态，力学性能相对较低，但能量吸收或磁屏蔽性能较好；第二代在第一代的基础上实现了有序的三维联通结构，虽然孔隙较大，但具有高韧度、耐撞击、高散热、高隔热和噪声管理等多种功能，易于复合泡沫、陶瓷等材料，大幅度提高性能并降低成本，代表性的是点阵金属材料。目前，第一、第二代的研究成果已在工业领域成熟应用多年，在隔热、减振、减重方面发挥了良好的效用。

　　此后，有关超轻多孔材料的研发进入瓶颈期，研究人员虽结合了第一代和第二代材料的共同特点，开发出了具有泡沫和点阵复合结构的材料，使其力学性能和功能性较前两代有了成倍的提升，但这类复合结构的孔洞、孔隙大小和密度的可控性尚存不足，并未实现真正意义上的跨代发展。

　　2015年以来，在超轻材料的领域上的研究获得了重大突破，以美国波音HRL研发出的世界上最轻的金属材料及美国企业联合大学研制出的新型轻质金属基复合材料最为引人注目。

　　波音开发出世界最轻金属材料

　　2015年10月，美国波音公司展示了其最新研发的3D打印微点阵（Microlattice）材料——金属镍气凝胶。这种超强轻质微点阵金属材料重量比泡沫塑料轻100倍，成为目前世界上最轻的金属材料，对减轻武器装备结构重量、改进装备机动性、提升燃油效率具有非常重要意义，为航空航天武器装备性能提升提供了巨大空间。

　　追求高性能材料的轻质化，是过去几十年来材料界、工业制造界研究的重要目标。美国一直注重超轻材料技术的攻关。HRL实验室的研究人员早在2007年就提出金属微点阵的概念，研发了具有特定微结构的新型金属材料，研究最初受到了DARPA“具有可控微结构材料”项目的资助。

　　2011年，HRL实验室首次开发出新型超轻材料，验证了金属微点阵结构概念的可行性，并申请了专利。2015年4月，为了实现深空探测器减重40%的目标，NASA宣布通过“改变游戏规则”（GCD）项目资助HRL实验室。2015年10月，在DARPA和NASA共同资助下，波音下属的HRL实验室公布了其开发出的“自动传布的光敏聚合物波导法”成型技术。这种方法通过紫外光固化技术，首先制备微观尺度上呈现有序结构的聚合物模板，再用非电镀的方式镀上一层厚度可控的超薄镍-磷薄膜，最后利用刻蚀技术去除聚合物模板，最终形成一个由100纳米厚的镍-磷空心管组成的多空微点阵材料。

　　与传统方法相比，这种方法能实现快速大批量生产原型零件，同时还可用于设计制造尺寸不同的微点阵结构，获得不同的材料特性。

　　利用这种方法，HRL实验室研发出了当前全球最轻的微点阵结构金属材料——金属镍气凝胶。其密度为0.9毫克每立方厘米，仅为塑料的1/100，尺寸更只有人体头发的1/1000。HRL实验室已经能够在纳米、微米和毫米尺度，用占结构总体积0.01%的原材料来制造这种结构，气孔率达到99.99%；在多次压缩至原体积50%后结构仍能基本恢复原状，具有更高的刚度，同时兼具良好的耐冲击性、高能量吸收特性。

　　这种创新性的微点阵材料，是真正的第三代超轻多孔材料，成功实现了金属多孔材料在纳米、微米、毫米尺度下设计，使结构材料中各种孔洞、孔隙的结构和密度变得更为可控。与过去几代超轻材料相比，微点阵材料具有柔性更好，密度更低，制备效率和孔隙率更高，加工难度低等优点，性能上再次获得大幅度提升，还可以通过调节其基体金属，实现结构材料的轻质多功能化。

　　波音公司表示，这种新型材料是极具潜力的轻质多功能材料，可广泛应用于大型客机、大型运输机的座舱侧壁、地板、座椅等飞机内饰，较传统复合材料内饰具有减重优势，还具有更好的阻燃、防烟雾及低毒性等特性，在航空相关领域具有广阔的应用前景；同时，还可利用其制备夹心板，用于NASA下一代航空器，实现减重40%的目标。长远看，这种材料将在国防、建筑、微电子领域带来更多的可能性。

　　微点阵结构材料的问世，将对材料领域的发展产生重要影响，它可以大幅度降低对传统材料的依赖，还可以减少环境污染。此外，微点阵结构最大的特点是不受材料种类的限制，无论是金属、非金属、复合材料均可制成这种结构形式，以实现轻质多功能的目标，这也为未来材料的发展指明了方向。

　　美国开发出超强轻质金属基复合材料

　　近年来，科学家们一直致力于研发轻量化聚合物复合材料，用于取代装备上使用的更重的金属部件。但近期超轻金属基复合材料的开发将再次引起大众对金属材料的关注。

　　2015年5月，深泉技术（DST）和纽约大学理工学院宣布，开发出一种可漂浮于水面的新型轻质镁基复合材料，可用于打造海军重型舰艇，是极具潜力的先进轻质材料。2015年12月，美国加利福利亚大学洛杉矶分校（UCLA）领衔的研究团队宣布找到一种全新的方法，在熔化的金属中散布纳米微粒并使其稳定，还开发了一种可规模化的制造方法，制造出了含纳米级颗粒的轻质镁基结构金属，同时为制造更高性能的轻质金属铺平道路。

　　深泉技术和纽约大学联合开发出的新型轻质镁基复合材料，在传统复合泡沫塑料的基础上，加入高强轻质的碳化硅空心球体颗粒增强镁合金基体，使得这种复合泡沫塑料既有泡沫的超轻特性，同时兼具足够的强度。

　　这种结构的材料密度仅为0.92克每立方厘米，不仅低于水的密度（1克每立方厘米），同时还能适应严苛的海洋环境。基体中添加的碳化硅空心球体颗粒强度很大，单一球体的壳在断裂前能够承受每平方英寸25000磅的压力（约合1723兆帕），大约是消防软管可承受最大压力的100倍。此外，由于每个壳体在断裂时类似于能量吸收体，这种中空球体颗粒还能为泡沫塑料提供撞击保护。通过向金属基体添加数量不同的球体颗粒，可自定义材料的密度和特性。

　　这类材料的轻量化和高浮力特性，使海军陆战队的水路两栖登陆艇等作战装备受益，能广泛应用在舰船甲板、车辆装甲等部位，以实现减重，提升燃油经济性。此外，由于金属的加入使得这种泡沫复合材料具有更好的耐高温特性，有潜力成为理想的发动机材料。

　　目前这种新的复合材料技术已经接近成熟，可能在未来三年内进行原型测试。

　　2015年12月，美国加利福利亚大学洛杉矶分校（UCLA）领衔的研究团队宣布找到一种在熔融金属中分散并稳定陶瓷纳米颗粒的新方法。成功创造了据有极高比强度和模量的轻质镁基复合材料。

　　陶瓷微粒一直被认为是增强金属的潜在手段。但是，使用微米尺度陶瓷微粒的注入工艺会使金属材料损失塑性。相比之下，纳米尺度的陶瓷颗粒加入使得金属材料在保持甚至提升塑性的同时，还能提升强度。但因为小尺寸微粒具有相互吸引的趋向，故纳米尺寸的陶瓷微粒会在金属基体中发生团聚而不是均匀散布，影响性能提升。

　　为了解决上述问题，UCLA研究团队通过物理注入和材料加工的方式，在融化的金属中注入大量尺寸小于100纳米的碳化硅颗粒，显著增加了强度、硬度、塑性和耐高温性。为进一步提升这种镁基纳米复合材料的强度，研究人员还采用一种称作高压扭转技术对材料进行压缩，最终使得这种材料达到了极高的比强度和比模量。

　　新开发的这种镁基纳米复合材料中，包含14%的碳化硅纳米颗粒和86%的金属镁。镁的密度只有铝的三分之二，是目前最轻的结构金属材料，可用来替代铝合金制造更轻的飞机及航天器等武器装备，提升燃油效率。由于镁是自然界中储量充足的金属资源，因此大规模使用不会造成环境破坏，是极具发展潜力的战略材料。

　　作者单位：中国航空工业经济技术研究院