金属泡沫：未来科技的神秘“海绵”？

2025-07-15 10:24:28 作者：本网发布来源：材料科学与技术分享至：

AI科普解读

什么是金属泡沫？

金属泡沫，听起来像是科幻片里的黑科技？其实它是一种充满气泡的金属材料，就像一块“金属海绵”！科学家通过特殊工艺（比如在熔融金属里注入气体或添加发泡剂），让金属内部形成无数微小孔隙，既保留了金属的强度，又变得轻盈多孔。这种结构让它成为电磁波、噪音和热量的“全能战士”！

金属泡沫的三大超能力

1. 隐身术：捕捉看不见的电磁波

你的手机、Wi-Fi、雷达都在发射电磁波，但过多的电磁波会干扰设备甚至危害健康。金属泡沫凭借多孔结构，让电磁波在孔隙中反复“碰壁”，最终转化成热量消散。更厉害的是，科学家还给它“镀”上磁性材料（如Fe₃O₄），让它像磁铁一样吸走电磁波，轻松实现“隐身”效果！

2. 隔音大师：让世界安静下来

地铁轰鸣、工地噪音让人头疼？金属泡沫的孔隙就像无数“迷宫”，声波钻进去后与孔壁摩擦，能量逐渐被消耗成热能。更妙的是，科学家还在孔隙中填充聚氨酯泡沫或生长氧化锌“尖刺”，让声音连逃跑的机会都没有！

3. 轻量王者：比羽毛更轻，比钢铁更强

传统金属笨重？金属泡沫的孔隙率最高可达98%，密度只有水的1/10！但它依然抗压、耐高温，甚至能用在航天器和防弹装备中。比如钛金属泡沫，既能屏蔽电磁波，又能承受极端环境，简直是“太空材料”的完美候选！

如何打造一块完美的金属泡沫？

配方1：模板法——复制大自然的灵感

用聚合物泡沫当“模具”，浸满金属浆料后高温烧掉模板，留下金属骨架。就像用石膏翻制雕塑，简单高效！

配方2：熔体发泡法——金属版“烤面包”

在熔化的金属中加入发泡剂（如氢化钛），高温下释放气体，金属像面团一样膨胀。冷却后切开，内部全是均匀气泡！

配方3：电镀法——给泡沫“穿金属外衣”

将导电的聚合物泡沫浸入金属离子溶液，通电后金属逐渐覆盖表面，最后烧掉塑料芯，得到镂空金属网。

未来展望：金属泡沫的无限可能

智能建筑：用金属泡沫墙隔音又隔热，还能屏蔽电磁辐射。
环保科技：回收废旧金属制成泡沫，变废为宝。
人体植入：生物相容性钛泡沫，未来或成骨骼修复的新选择！

科学家正尝试将金属泡沫与相变材料、石墨烯结合，打造能储热、发电的“超级海绵”。也许有一天，你的手机壳、降噪耳机甚至太空服，都会用上这块神奇的“金属海绵”！

结语

从屏蔽信号到降噪减震，金属泡沫用它的“千疮百孔”默默守护现代生活。下次听到“泡沫”这个词，别忘了——它可能正藏在你的手机里，替你挡掉看不见的电磁攻击呢！

图片解析

图1 日常生活中电磁波污染与噪声污染的示意图。

图2 （a）电沉积工艺制备开孔金属泡沫的示意图。（b）溶液燃烧法制备镍泡沫的示意图。（c）气体注入法制备金属泡沫的示意图。（d）熔模铸造法制备开孔金属泡沫的示意图。（e）模板法合成开孔铝泡沫的示意图。（f）空间占位技术制备金属泡沫的示意图。（g）喷射成形法制备金属泡沫的示意图。（h）铸造发泡法流程示意图。

图3 （a）模板法制备金属泡沫的流程图。（b-d）开孔铝泡沫的微观结构。（e）不同PPI值开孔铝泡沫的电导率。（f）镍泡沫的形成机制示意图。

图5 （a）Ni/rGO复合泡沫的制备过程示意图。（b）Ni、Ni/rGO和rGO泡沫的高孔隙率对比。（c）多孔镍的微观结构图像。（d-f）多孔镍在压缩过程中不可逆变形的图像。

图6 （a）开放孔AZ91镁合金泡沫的宏观形貌。（c,d）两种不同模具温度下铸造泡沫的支柱形貌。（f,g）不同模具温度下样品的归一化应力-应变曲线平均值及能量吸收效率与压缩应变的关系。

图7 （a）rGO/Cu泡沫的制备示意图。经许可转载[64]。版权所有2022，Elsevier B.V. rGO对（b）能量吸收应变行为和（c）压缩应力-应变行为的影响。（d）rGO/Cu泡沫的SEM图像。（e）FeNi泡沫（Fe:Ni=1）和（f）FeNi泡沫（Fe:Ni=0.5）的SEM图像。（g）FeNi泡沫孔隙密度和平均孔径随Fe含量的变化。（h,i）钴泡沫的平均孔隙面积和孔隙面积中值（含不同电沉积时间琼脂）。

图8 （a）尿素（Al-carb）和蔗糖（Al-suc）作为空间占位剂制备开孔铝泡沫的示意图。（b）Al-carb泡沫和（c）Al-suc泡沫的SEM微观结构。（d）Al-carb与Al-suc泡沫的压缩应力-应变关系。（e）能量吸收与相对密度的关系。（f）冷冻铸造与空间占位法制备的铜泡沫的能量吸收与致密化对比。（g）样品在不同应变下的变形快照。

图9 （a）动态气体注入装置示意图。（b）喷射成形法制备金属泡沫的示意图。（c,d）氢气压为5 psi（S-1）和10 psi（S-2）制备的泡沫样品的SEM图像。（e-i）不同氧含量混合气体下铝泡沫的垂直截面形貌。

图10 （a）电磁波传播路径示意图。（b）铝泡沫内的涡流示意图。（c）多孔吸声材料的能量耗散机制示意图。（d）电磁屏蔽机制示意图。（e）电磁波在金属泡沫中的传输示意图。（f）金属泡沫的吸声机制示意图。

图11 （a）镍泡沫基材料的合成示意图。经许可转载[25]。版权所有2021，Wiley-VCH GmbH。（b）铝泡沫、（c）铝颗粒间扩散结合、（d）Al-NiO泡沫、（e）Al-NiO-CNFs泡沫的高分辨率SEM图像。经许可转载[37]。版权所有2022，Elsevier Ltd.（f）Co₃O₄@NF的SEM图像。（g）三维网络结构Ni@Co₃O₄的电磁波吸收机制示意图。经许可转载[139]。版权所有2019，American Chemical Society。（h）不同Ni/S比的Ni₂S₃@NF的反射、阻抗匹配与衰减性能。（i）本工作与已报道高导电吸波材料的性能对比。（j）Ni基复合材料的三维反射损耗图。经许可转载[144]。版权所有2023，American Chemical Society。

图12 （a）石墨烯-铜三维网络/环氧树脂复合材料的合成过程示意图。（b）不同厚度VGNs/MFs的导电性。（c）VGNs/CF和（d）VGNs/NF的截面SEM图像。（e）Ni/rGO泡沫的电磁波吸收性能频率依赖性。（f）Ni/rGO泡沫的三维反射损耗图。（g）Ni/rGO泡沫的微观结构图像。（h）铝泡沫的电磁屏蔽效能曲线。（i）VGNs/MF复合材料的电磁屏蔽机制示意图。

图13 （a）MXene/石蜡/PDMS/镍泡沫夹层结构相变复合材料的制备流程。（b）相变复合材料的层状结构。（c）CNTs含量对Al基复合泡沫电磁屏蔽效能的影响。（d）Ni/PANI复合泡沫的弯曲、卷曲与扭转形变稳定性。（e）三维网状纳米填料对硬度和弹性模量的提升。（f）本工作与已报道材料的性能对比。（g）P-PANI纳米纤维与氧化f-Cu的相互作用机制。

图14 （a）Al/PU互穿相复合泡沫的制备过程。（b）阻抗管测试吸声系数的示意图。（c）Al泡沫与Al/PU复合泡沫的吸声系数对比。（d）对应吸声机制。（e）Cu泡沫与CFSA样品的吸声系数-频率关系。（f-k）不同生长时间下Co₃O₄针状物的形貌演变。（l）不同ER含量的CFSA样品形貌完整性对比。（m）Al/PU复合泡沫的SEM图像。

图15 （a）双层结构铝泡沫的制备过程。（b）不同孔结构铝泡沫的吸声曲线。（c）功能梯度金属泡沫（厚度60 mm）的吸声系数分布。（d）不同厚度下PPI 45、60、80泡沫的平均吸声系数。（e）10 PPI金属泡沫与填充复合泡沫的吸声系数对比。（f,g）ZnO微棒修饰开孔铝泡沫的SEM图像。

课题组简介

张玉晶，南京理工大学材料学院，副教授，主要从事稀土磁性合金及磁性复合材料方面的研究。主持国家自然科学基金面上、青年基金项目，骨干参与国家重点研发计划、省重大科技成果转化项目等共10余项，迄今以第一作者/通讯作者在Acta Materials, Advanced Functional Materials等期刊发表学术论文30余篇，引用2000余次，申请/授权发明专利12项。获浙江省科技进步一等奖，获江苏省科协青年托举人才工程，江苏省科技副总，南京市中青年拔尖人才等荣誉称号。作为第一指导教师获第十四届“挑战杯”中国大学生创业计划大赛全国金奖（赛道第一），第十届“互联网+”国际大学生创新创业大赛全国金奖。

徐锋，教授、博士生导师，先进金属与金属间化合物材料技术工信部重点实验室副主任。从事金属磁性材料研究，在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Acta Materialia等期刊上发表论文190余篇，获授权发明专利30余件，参与出版教材专著6本。获国防科技卓越青年科学基金、中国兵工学会青年科技奖，入选“万人计划”青年拔尖人才，获江苏省杰出青年基金等，作为第2完成人，获国家技术发明二等奖、省部科技一等奖2项、中国产学研合作创新成果奖；作为第1发明人，获中国专利优秀奖2项、江苏省专利金奖1项；指导学生获“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛国赛金奖，获中国国际大学生创新大赛国赛金奖。