技术洞察 | 泡沫铝或将是未来车用铝合金新方向？

泡沫铝为一种铝基多孔轻质材料，其将铝的金属特点与分离相气孔的空隙特性有机的结合在一起，是集优良的机械、物理、热学、声学等性能于一身的多功能兼容材料。泡沫铝具有一系列优良的性能，如轻质、高比刚度、减振、吸能、隔声或吸声、隔热与阻燃、易加工成型、绿色环保等，实现了材料的结构和功能一体化。泡沫铝的吸能、吸音及减震作用使得其在汽车上获得更多的应用可能性。

泡沫铝在覆盖件上的应用

泡沫铝夹芯的三明治材料质量轻、比刚度大，可用于发动机罩盖、后备箱盖、车顶棚等位置，具有良好的抗弯刚度、抗扭刚度和抗振减噪性。

德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车(Ghiaroadster)的顶盖板的刚度，比原来的钢构件大7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。此外，还有更高的吸收冲击能与声能的效果。

三明治泡沫铝的生产过程示意图及成品图

泡沫铝在吸能抗碰撞结构件上的应用

泡沫铝材由金属骨架与孔隙构成，承受压缩应力时，存在很长的吸能平台区，即应变强烈滞后于应力，因此泡沫铝是制造抗冲击零件的良好材料。美国Ford汽车公司从20世纪70年代起，就开始将泡沫纯铝用于汽车的防撞安全装置；奥迪、大众和菲亚特汽车公司已将铝管(或钢壳)/泡沫铝复合体用做发动机前部冲击能量吸收器。

吸能盒

长城汽车公司对于泡沫铝吸能盒做过系统的研究。并且通过了零件的开发、试制与性能分析论证。在国内主机厂尚属首次，具有重要的意义与现实价值。

长城某车型泡沫铝材零件图

抗碰撞结构件（上纵梁）

Tesseract Structural Innovations公司的独特轻量化技术——UDU技术是一种轻型模块化复合结构，由结构蒙皮与金属泡沫集成而成。对于给定的设计空间，UDU可以在不伤害车辆乘员或压溃车辆结构部件（例如A柱或侧梁）的情况下吸收尽可能多的物理能量。

Tesseract公司在2014年雪佛兰Silverado皮卡的研究模型上，设计了一种UDU结构来替换其上纵梁侧内挡泥板构件。安装UDU结构件后，吸收的动能比基准生产模型高出近25%。

泡沫铝在底盘结构件上的应用

将泡沫铝填充结构在汽车车架等底盘零件中应用可提高汽车的轻量化和安全舒适性的作用。

发动机支架

澳大利亚的LKR为德国汽车制造商宝马开发了一款发动机支架，在其中填充了泡沫铝，这种支架在承受发动机高质量的同时，还能够耗散发动机的振动，将其转换成泡沫铝芯的热力学能，同时也能在汽车碰撞事故中吸收能量而提高安全性。

控制臂

弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所（Fraunhofer IWU）与开姆尼茨工业大学（TU Chemnitz）联合开发了泡沫铝夹层复合材料控制臂。这种高强度的三明治材料由泡沫铝芯、多层纤维增强复合材料层板以及铝合金外壳组成。作为悬架系统的重要组成，控制臂的轻量化能够显著降低底盘簧下质量，从而更好地提升车辆的操控性。

相较于普通钢制或铝制控制臂，这种三明治复合材料具有更好的抗冲击和抗弯曲性能。泡沫铝的芯层使得其更适用于承受弯曲应力的部件，金属外壳提供了较好的抗冲击性。

车轮

联邦卓越集群EXC1075“多功能轻量化结构的技术融合”项目研发了带有碳铝泡沫三明治的轻质车轮。该车轮是由铝泡沫芯材和热塑性纤维增强塑料制成的覆盖层轻质结构车轮。组装的概念轮原型重量为3.02公斤，明显比参考轮轻。

泡沫铝在电池外壳上的应用

德国沃尔夫斯堡弗劳恩霍夫等机构开展了泡沫铝复合多材料动力电池外壳研究工作。采用多材料复合的夹层设计取代传统钢制电池壳，该结构由铝顶层，铝泡沫芯和环状纤维增强热塑性塑料（有机片）组成。

热管理功能通过相变材料（PCM）渗入泡沫铝来实现。在制造过程中，实现了铝片和泡沫铝之间的牢固连接。三明治的铝顶层可实现从电池到泡沫的热传导。通过这种设置，可以确保热传导到PCM中，其导热率比泡沫铝低100倍。另一个重要的优点是不采用粘合剂。多材料电池壳体的外壳重量减少了26.6千克，而钢制电池壳大约35kg，减重幅度很客观。

应用展望

虽然国内外均有汽车用泡沫铝的相关研究及应用报道，但是在国内如需真正走向量产，还需要开展一系列的研究工作。

01

改进现有的生产工艺，降低原料成本、精简加工步骤、减少废料从而降低生产成本。生产出外表层刚化的泡沫铝板，从而代替三明治材料，这会带来更有效的减重效果。

02

当前的本构模型大都无法准确地描述屈服响应，进而导致有限元模拟在不同的受力工况可能会产生较大误差，应进一步研究泡沫铝的本构模型，继续寻找能够真实模拟各种工况下泡沫铝本构规律的万能模型，为进一步研究泡沫铝的力学性能、物理性能及影响这些性能的因素创造便利条件。

03

通过大量的试验数据分析，对应变率和冲击速度对泡沫铝吸能能力的影响得出一个公认的结论，鉴别不同的制备工艺、不同结构的泡沫铝对应变率和冲击速度相关性的影响。

04

开展泡沫铝夹芯结构的结构优化设计，以刚度最大化、重量最轻化为目标，优化设计得到最优的泡沫铝复合材料结构。

05

开展典型零件结构设计、构件之间连接工艺、生产工艺流程等问题的研究。

泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即：其芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。据测算，汽车车身构件约有20%可用泡沫铝材制造，一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造某些零件可减重27.2kg左右，既可节约能源又可减轻对环境的污染。采用泡沫铝材结构，可大大简化结构系统，零部件数至少可减少1/3。但是，泡沫铝是一种不便宜的材料，制作过程复杂。目前，仅能在一小部分汽车零部件上使用。但随着新工艺的发明，泡沫铝材料也许会在越来越多的领域使用。泡沫铝的应用为汽车的减重、吸能、节能、环保等问题提供新的思路。

*注：图片来源于网络

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