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结构的设计；在按这两个途经探索时，实现超轻质结构的重点，一是将结构构型的优化和材料的微结构优化同时考虑，二是所研究的材料和结构除了能承力，还要具备其他功能，如防热、隔振或特殊的电磁性能，并在结构不同部位优化使用具有不同复合功能、不同微结构的材料。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结构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结构拓扑优化技术。通过设计结构的拓扑形式，以使结构具有良好的力学性能的同时，具有良好的隔热或散热性能。由于具有特定微结构的一种超轻材料不可能具有所有的优点，利用结构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，以达到在轻质、高强韧、多功能等要求下的轻质材料和结构并发设计。
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)，是一个结构。当由这种材料组成的结构用来承担外力时，为了分析其极限承载能力，必须考虑结构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，进一步影响到结构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) 根据工程结构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) 针对桁架类夹芯结构，利用拓扑优化技术，进行芯体材料微结构拓扑形式的创新设计，以使夹芯结构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，设计材料的微结构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，根据结构件的特殊环境要求以及结构优化设计的结果，研制能够满足工艺要求的模具，探索这种空间仿生夹芯结构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结构的力学及物理性能的研究，主要包括结构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。在以上研究成果的基础上，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，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结构的典型件，以验证本项目的研究成果。
2 创新点与特色
本项目的特色和创新点主要体现在：
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，将超轻多孔材料的结构功能和其减震、传热、降噪、吸能等特性相耦合，达到节约能源、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
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宏观性能与微结构之间的依赖关系（理论创新）；
4）利用超轻多孔材料若干性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行深层次的研究，同时考虑制造工艺和其它非结构功能的影响（体系创新）。 3 研究方案的可行性分析
本项目的学术思想和研究方案是建立在对相关国内外研究现状与发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基础之上。
在国家前期相关项目的支持下，在与本项目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验、研究基础和技术储备，某些关键性的理论和技术已处于突破的边缘，部分结果已获国际承认，特别是超轻多孔金属的制备和面向国家需求的重大应用，材料与结构一体化优化设计，以及多孔金属宏微观性能的力学、传热学、声学等研究领域的基础理论研究方面已取得了一系列重要成果，其中部分成果居于国际领先或国际先进水平。 东南大学超轻型金属结构实验室自1988年以来一直从事多种形式超轻型金属结构的制备、结构、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项目(包括重点项目)及国家载人航天、国家实验、兵器、军用船舶项目连续资助下，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；获得及申报发明专利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，而协作单位南京大学微结构国家实验室拥有阻尼研究的全套设备，为实施本项目多种高技术及汽车需求提供了良好的前期工作基础及实验条件。
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，西安交大和清华大学、哈工大等在国家自然科学基金重大/重点项目、国家杰出青年科学基金、基金委优秀创新群体基金等项目资助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, 西安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行了系列研究, 在此领域积累了较为丰富的经验。在微尺度相变传热不稳定性等研究领域，中科院广州能源研究所近年来开展了较为系统的研究，揭示了微时间尺度变化的流型转换与其微通道内复杂的传热传质机理。
在材料和结构优化设计领域，近十年来，微结构概念和均匀化理论被成功地应用于连续体结构拓扑优化设计，将拓扑优化问题转化为在给定区域内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结构的宏观构型。由于结构拓扑优化问题
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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结构的拓扑形式，以使材料具有所要求的热传导和刚度性质。发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。
大连理工大学和西北工业大学长期从事结构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、连续体结构优化、桁架结构拓扑优化的奇异最优解等方面的工作，受到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、超轻质高强韧结构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，提出了材料设计和结构设计并发的超轻质结构设计新理念。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项目“超轻质结构设计新理论）、“十五”重大研究计划“空天飞行器若干重大基础问题研究”的项目“轻质防热材料与结构设计新理论”、国家自然科学基金委创新群体科学基金项目“计算力学与工程科学计算”，教育部新世纪优秀人才计划项目、教育部优秀青年教师资助计划项目等一批重要科研项目。
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；长期承担该领域内的国家、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；编写了国内唯一一部《粉末冶金多孔材料》专著。1995年建成国家计委“金属纤维及纤维毡生产线”工业示范项目，2000年该项目获国家科技进步二等奖。
在利用生物结构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涉、传输和吸收等方面，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室近年来进行了较为系统的研究。借鉴大自然千百万年来优胜劣汰自然进化的生物结构，实现了多尺度、多层次、多组分和多种类生物态多孔陶瓷和生物态多孔金属等多孔材料的有效调控和构筑，所提出的利用生物结构遗态实现材料的组分－多孔拓扑结构－物理波吸收或者隔断的多结构－多功能有效统一的学术思想受到了日本、德国、香港等国内外同行的承认和关注，建立了稳定的国际合作研究，并具备了良好的前期研究基础和技术积累。
创新构型纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的研究方案是在广泛查阅文献和深入讨论、结合哈尔滨工业大学多年的研究基础上提出的。作为一种新型的超轻多功能复合材料结构，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结构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验，为本课题的开展奠定了较好的基础。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、复合材料及其结构的设计/分析/评价、复合材料结构的数值模拟、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。
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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内，经过多年的合作与学术交流过程，来自国内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、思想活跃、勇于进取的研究群体队伍。该研究群体队伍的组成充分体现了跨学科（材料学、机械学、力学、数学、传热学、物理学等）、跨部门、强强联合、知识结构互补等特点，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发达国家相比差距并不大，甚至在某些方面居领先地位，为本项目的实施奠定了良好的基础。
现代科学技术的发展，无论是在基础理论还是在测试技术方面的新进展都使本项目研究的突破成为可能，并提供了测试、标定、模拟、仿真、微区分析等相关手段上的保障。项目主持和课题承担单位主要为国家或部门重点实验室，能够满足本项目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、典型结构部件应用等各个环节的要求，在研究所需的各种基础条件方面可以得到完全保证。因此，本项目的研究实施具有很强的可行性，可望不仅在基础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
为了实现项目总目标及解决项目中的共性关键科学问题，本项目共设臵以下六个相互有机联系的课题：
材料领域 能源、环境领域 研究领域
材料成分、组织结构、使用能源效率提高，减 制备工艺对机械和物少环境污染，节能理论领域研究侧重 理性能的影响 与产品设计
超轻多孔金属在汽车、列车、飞机等交通运载工具 上的应用，达到节约能源、环保、安全的目的，是国家重大需求 涉及材料、能源等领域交叉研究的重要研究方向。
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多超轻 孔轻高纤质材多 创孔维物料孔隙理增 新的材率强构波力料 型在通泡学与孔沫多 超行结轻孔材金研究课题与主要方向 为构 多料属材和创料和夹 孔材新结芯材中料构 料的构结性型的构传 的能设制传的播表计 备和构热征优学建吸 理理化论理理收论新 论论理理体论 论系
? 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，发展多孔金属材料和结构的设计和制备关 键技术。 预期研究目标 ? 发表一系列有重要影响的高质量学术论文和专
著，形成一批多孔金属材料节能净化产品和专有技 术。 ? 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4－6名。 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基础科学问题，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基础科学问题；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结构的创新构型设计及其优化的基础理论体系；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，研究构建具有多重功能的纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的基础科学问题。
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内容、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
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