研究目标：
瞄准节约能源、减少环境污染、轻量化等现实的国家重大目标和前瞻性重大需求，针对不同创新构型超轻多孔材料，发展关键设备和装备，充分积累试验规律，采用物理归纳、数学演绎和物理模拟等手段，从实验规律入手深入揭示并凝练多孔材料制备过程中的学科前沿科学问题及其物理本质。
研究内容：
1)研究熔体中泡沫化制备过程中的科学问题，揭示铝及铝合金熔体泡沫化过程中球形孔、多边形孔形成规律及演变规律，以及熔体中泡沫生长演变稳定规律；揭示球形孔、多边形孔生长与熔体孔隙率的关系；揭示TiH2热分解动力学与熔体泡沫化过程关系；研究泡沫化熔体凝固过程中特有的收缩，并揭示其物理本质；采用更精确方法测量熔体泡沫化界面生长推移过程并与熔体泡沫孔形状、熔体孔隙率之间建立联系。（2）研究泡沫铝合金异型件制备过程中发泡剂的分解动力学规律及熔体中泡沫生长规律；熔体及熔体泡沫的流变特性；泡沫合金再加热过程中的传热特性；泡沫长大后的排液规律以及泡沫稳定性机理。（3）研究通孔多样化及梯度金属泡沫制备过程中金属熔体在多孔介质中的渗流过程；石膏型的强度与可溶性的协调；采用化学方法加粗海绵骨架中的科学问题。（4）超轻栅格材料和金属纤维复合超薄三明治结构：从微观到宏观的结构和形态的控制，对材料在不同状态和层次上的结构进行定性、甚至定量地理解、描述和控制；界面的设计、形成、演变及破坏机理。（5）从合成路线的设计、制备工艺参数最优化等方面探索介孔多功能材料的制备方法；结合表征手段，对材料的功能性与其孔结构和表面性质之间的联系进行全面的系统化研究。（6）有序结构的可控性制造：基于增材制造原理多孔有序结构自由成形的工艺方法；金属成形制造过程的热循环和材料组织转变过程规律，环境因素对成形规律的仿真分析；直接金属成形过程建模，成形过程参数与显微组织相变、变形等关系。
承担单位：东南大学，西北有色金属研究院等 课题负责人：何德坪
主要承担人员：汤慧萍，何思渊，尚建库，赵万华，乔冠军 经费比例：25%
课题2 多孔材料的力学行为和材料性能表征理论体系
研究目标：
系统地发展高孔隙率多孔材料微结构尺度与结构/系统跨尺度分析的理论及方法，揭示其宏观性能与微细观组织结构间定量关系，实现对多孔材料的准静态和动态力学行为的准确描述和表征，建立和完善测试方法和技术规范；针对不同国家目标需求，研究超轻多孔结构多功能化机理。
研究内容：
1) 研究超轻多孔材料从纳米到毫米孔径的跨尺度本构行为，包括宏观唯象理论、微细观理论和计算模型三个方面。宏观唯象理论侧重于非比例复杂加载情况和大变形引起的各向异性行为，建立多孔材料宏观唯象弹塑性本构模型以描述非比例加载下的复杂应力－应变关系和大变形造成的各向异性行为以及材料本征尺度效应及梯度效应。微细观理论和计算针对有序和无序两种多孔材料采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观性能与微观结构间的关系，以及它们对外加激励的响应机理，同时通过计算模
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拟在实验上难以实现的加载情况，作为对试验的补充。通过试验和计算，研究有序多孔金属的界面结合强度及其破坏机理。2）研究超轻多孔结构的动态特性和动力学稳定性。通过高速摄像机和应变片拍摄和记录多孔金属（包括多孔梯度金属）在不同冲击速度（20 -1200m/s范围）下的受力分布、形变和能力传递过程，揭示不同多孔金属结构对动能量和波能量的吸收和反射、应力平台等的影响规律，建立动态力学性能与孔隙率关系以及考虑应变率相关效应的应力-应变-时间本构模型，分析在撞击、爆炸冲击波作用下应力波在多孔金属中的传播机理和衰减规律及对细观结构的依赖性，解决冲击波固体界面反射与透射规律、激波相互作用、气体冲击波绕流、气体的跨音速层流直至湍流等关键问题，研究强动载荷下超轻多孔材料和结构的动态损伤理论，包括动态裂纹扩展、累积损伤效应等，利用先进的计算机仿真手段研究汽车等的碰撞安全性，为超轻多功能金属材料结构的耐撞性评价提供理论依据和技术参数。3）研究超轻多孔结构的多功能化机理。研究多功能集合有序多孔结构承载材料，充分利用其高比表面积特点，以实现传感、促动、能源配臵等多种附加功能，实现系统多功能化。
承担单位：西安交通大学，清华大学 课题负责人：卢天健
主要承担人员：赵桂平，杨志懋，马利锋，刘彬，邱信明 经费比例： 28.2%
课题3 高孔隙率通孔材料和结构的传热学理论
研究目标：
揭示金属泡沫、栅格材料等超轻多孔结构材料中的传热特性,建立宏观传热与其微观结构的关系, 并着重研究在微细多孔跨尺度下单相与两相传热机理,试验测定其综合传热效果；开发先进光学可视化方法去确定两相流型分布随热流密度等参数的变化关系;建立有效的数学模型及数值方法以及传热特征量的表征体系，并得出几种典型材料的基本散热规律;精确描述及模拟在材料制备中的流变及热量质量传递过程,提供最优化的温度监测及控制方法以提高其产品质量。
研究内容：
1）针对单相对流换热，内部流动与外部流动情形，揭示对流换热的基本规律，建立与完善金属泡沫对流换热的表征方式；研究两相（沸腾/蒸发）换热机理，量化微观结构参数对两相传热的影响。2）借助高速摄像仪、红外相机、X 或γ射线仪等对微细结构两相流动及传热中的流型分布及温度场进行可视化研究,确定其流型分布随热流密度及质量流量的变化规律；采用红外线热成像系统测量多孔材料孔壁的表面连续温度场，开发先进的测试多孔材料内部两相流流型的光学测试系统或采用体视荧光显微镜加高速摄影测试方法、体视荧光显微镜对材料内部微细结构的视场放大，进而以高速摄影捕捉快速变化过程中的流型变化。3）研究两相对流传热的可靠理论模型及相应的数值方法，充分考虑泡沫支架导热及沸腾/凝结中的相互影响及耦合，以及动量方程中的非线性项在两相流动中的作用。4）研究金属泡沫制备中的流固耦合及两相流动传热的动态模拟。研究材料多孔化的化学机理；建立涉及材料非线性、几何流形及边界接触的非线性大变形流变及相变传热过程的有效数值模拟方法，实现对材料微观组织动态演化的精确模拟和仿真。5）以理论及试验所得研究结果为指导，开展金属泡沫在燃料电池及汽车空调用高效紧凑式换热器等方面的应用研究。6）针对多种有序结构点阵
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材料，深入研究其传热及流动的周期性规律, 并对特定微观结构进行最优设计,使其传热流动综合性能达到最佳。
承担单位：西安交通大学，中科院广州能源研究所等 课题负责人：赵长颖
主要承担人员：陶文铨，何雅玲，徐进良，李本文，王力军，T. Kim 经费比例：11.8%
课题4 轻质物理波（声、电磁等）在多孔材料中的传播和吸收理论
研究目标：
从实验和建模入手，建立、发展和完善声波、电磁波等轻质物理波在多孔材料中传播行为的表征方法和技术，建立比较完备的性能测试平台和测量规范，揭示声波、电磁波等在多孔材料中的传播和吸收机制，建立毫米波和厘米波在多孔金属材料中的传播理论，建立材料介质组分－物理波传输和吸收特性－孔型结构紧密结合的微观及宏观理论和计算模型，进而针对不同应用背景对多孔材料的介质组分-微观组织结构－孔型结构实现优化筛选和有效制备构筑，指导特殊吸波或屏蔽功能的多孔金属材料的微孔结构优化设计，为探索多孔金属材料在物理波屏蔽和吸收领域的应用奠定基础,并探寻是否存在能够透波的新型复合结构多孔金属材料。
研究内容：
1）研究多孔材料跨尺度波传播行为的宏观唯象理论、微细观理论和有线元计算模型。宏观唯象理论侧重于揭示基于实验测量结果的半经验定量关系式；微细观理论和数值计算针对有序和无序两种多孔材料采用周期单元胞和三维超级单元胞两种不同方法，通过微细观模型研究多孔材料和结构宏观波导性能与微观结构间的关系，以及附加外场（如航空发动机内的高温度场及平均气流场）对其的影响；根据不同应用背景和波传播介质（如空气、水等）优化设计孔径大小、孔隙率和孔分布的均匀度。2）研究含不同孔型结构的多孔材料(包括新型生物态多孔材料)在高声强并有平均流动的环境下的吸声机制及其表征手段，进而研究对多孔材料组分-微观组织结构－孔型结构的优化和控制。3）实现不同种类、具备大自然生物结构精细特征的多孔材料，并借助同步辐射光源以及分形理论等手段研究新型生物态多孔材料的多孔拓扑结构以及电磁波、声波等物理波在生物态多孔材料中的干涉、传输和吸收规律和机理，建立生物态多孔材料介质组分－孔型拓扑结构－物理波吸收、干涉、屏蔽特性之间的有效关联；利用多组元条件下的介质组元－拓扑孔结构的交换耦合效应以及介质组元功能组装、复合等方法实现多孔材料的多维、多层次、多功能、多结构和多尺度的集成化，并据此研究开发新型高效电磁波、声波吸收材料，实现轻质高效“宽频”或者“准频”等不同目的的“波屏蔽”或者“波吸收”材料的有效设计、制备构筑理论平台，并提供制备构筑技术原型。
承担单位：中科院声学所，上海交通大学等 课题负责人：刘克
主要承担人员：田静，王晓林，范同祥，胡更开，陈花玲，陈天宁 经费比例：10%
课题5 超轻多孔材料与结构创新构型设计优化新理论
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研究目标：
研究结构与材料并发设计、特定性能（如零热膨胀，负泊松比，特异力、电、磁、热耦合性能等）材料细观结构创新设计、高比耗能超轻质高强韧结构设计、以及与其相关的多尺度参数并存的优化问题的提法和求解方法等关键科学问题，研究建立超轻多孔材料结构创新构型设计的新理论。根据汽车、高速列车等高耗能运输工具对结构和材料的性能和功能的特殊要求，提供一系列新的工具和理论，帮助设计人员发现、认定和提出超轻质高强韧结构的新构型。通过设计结构的宏观构型，使结构充分发挥材料的特性，在具有所要求的性能和功能的同时达到减重的目的；设计材料的微观构型，以使材料具有轻质和特殊性能；特别是，要通过材料的微观构型和结构的宏观构型的并发设计，达到材料和结构几何的合理配合，提高结构性能、减轻重量。
研究内容：
1) 研究复杂环境下结构宏观几何构型设计的拓扑优化方法。以超轻质多孔金属为背景，研究在多物理场耦合环境下，考虑材料和几何非线性，受到含应力、位移、动力特性等力学性能约束，以及防热（隔热/散热/传热）要求、物理波（声波、弹性波、电磁波等）传输、隔断、响应等性能要求的多种约束结构拓扑优化技术，建立复杂环境下多约束非线性结构宏观构型的创新设计方法。2）研究具有特定性能的材料微结构微观构型的设计理论，研究微结构参数描述、微结构采参数与宏观性能间的依赖关系，研究优化设计问题的描述、求解等方面的关键科学问题，建立实现特定性能材料的设计方法；探讨具有特异性质的材料的发现和设计的创新方法。3）研究材料设计和结构的几何设计一体化并发设计优化理论和方法，包括材料性能和结构功能指标因子研究以及基于多指标因子的材料和结构并发设计方法；跨尺度优化问题的提法以及有效的求解方法研究，跨尺度参数间敏度分析方法；材料分布与结构拓扑/形状并发设计理论研究；基于微结构数据库的轻质结构设计理论和方法；多孔材料夹心复合层板结构综合性能优化设计。4）研究轻质高强韧结构（材料）优质构型的仿生模拟与设计。围绕轻质材料和结构的设计，通过理论分析、数值计算和试验，开展仿生研究；建立分析轻质生物材料和结构的力学及热量传输等有关功能的数学模型；提出这类材料和结构所服从的优化模型，理解其优化特征；借鉴这些生物材料和结构，设计满足特殊功能要求的新的超轻质材料和结构。5）研究基于特征的结构与材料新构型设计理论。在优化模型中考虑材料和结构的可制造性；根据现有的或可预见能够实现的工艺条件，抽取材料和结构描述的特征参数；建立以特征参数为设计变量的材料和结构设计理论。6）研究多物理场耦合作用下材料与结构多尺度分析方法。针对金属基多孔材料结构的轻质、高强韧、防热、抗冲击的要求，以及多物理场和力场强耦合作用的服役环境，基于对多孔材料夹心复合层板进行细观和宏细观耦合的表征与建模，开展材料性能计算预测及其结构的静、动、热、电、磁等物理、力学行为的多尺度数学物理模型、计算方法与相关的理论研究。7)借助于课题4所给出的电磁波等物理波分析技术，设计材料的拓扑多孔结构，以使材料具有特定的物理波创波特性或隔断特性；设计具有特定频率段位臵和最大频段宽度的波隔断材料（Band Gap）；异向介质材料设计；研究具有负介电常数、负折射系数、负磁导率的异性介质材料的微结构设计问题的提法，研究电磁波在异向介质中的特异的传播规律。
承担单位：大连理工大学，西北工业大学
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课题负责人：刘书田
主要承担人员：张卫红，郭旭，陈浩然，吴承伟，王跃方 经费比例：12.5%
课题6 纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的多功能一体化构建理论
研究目标：
从仿生学的角度出发，选择甲虫(独角仙成虫)前翅的夹芯结构作为仿生对象，开展纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的选材/设计/分析/制造/评价一体化研究。
研究内容：
综合课题1、2、3、4、5所得结果，构建兼具承载与减振、防热、散热、降噪等多重功能的超轻复合结构的理论体系与技术实现手段，主要研究：1）针对航天、航空、船舶、汽车、高速列车等领域的典型使用环境，选取性能优异的纤维增强树脂复合材料面板及纤维柱，选取高阻尼、隔热（或散热）、吸声的性能优异泡沫金属夹芯；针对不同的使用环境，采用不同的结构成型工艺以满足不同性能指标的要求。2）力学性能：研究面板及纤维柱的失效机理和破坏模式研究，包括强度准则的确定；热机械载荷作用下，研究纤维增强泡沫金属夹芯复合材料结构的静态和动态稳定性；机械力、温度载荷、热-机联合加载下，研究多孔超轻梁、板和壳的小挠度和大挠度弯曲行为、屈曲和后屈曲行为以及塑性屈曲行为；研究冲击载荷作用下结构的剩余刚度及强度预报，以及复杂载荷作用下结构的失效破坏机制和判别准则。3）阻尼特性：针对多孔材料的微结构形状，研究其阻尼耗能机理，并建立相应的阻尼机理数学描述方法及物理模型，揭示不同形状的结构参数与阻尼耗散系数的关系。4）动态特性：研究多孔材料和多孔复合材料结构的固有频率表征规律和减振特性，建立其固有频率与微结构参数的关系；研究多孔材料和结构的动力学系统建模理论，着重解决针对超轻多孔材料特性的非线性参数识别的有效分析和实验方法；研究纤维增强泡沫金属夹芯结构这类具有非线性和时滞特征非线性动力系统的多稳态运动及稳定性的分析和数值方法；开展针对此类系统的自适应和鲁棒控制理论和实验研究；5）隔热特性：研究纤维增强泡沫夹芯复合材料结构的传热行为和隔热机理，从理论、计算模拟和实验三方面结合，分析多层隔热结构的热导率、自然对流换热、辐射换热等传热过程问题，建立该结构的隔热性能的表征方法，同时形成其隔热效率的设计准则。6）多孔复合结构的无损检伤及可靠性评价；与已有超轻结构力学性能及物理性能的比较，侧重于比强度、比刚度、吸能、减振、吸声、传热、阻尼等特性。7）研究多孔复合结构的技术成本分析模型。
承担单位：哈尔滨工业大学，西安交通大学等 课题负责人：吴林志
主要承担人员：王铁军，周振功，江俊，陈振茂，梁军，孙雨果 经费比例：12.5%
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