本文是一篇发表在thin-walled structures期刊上的综述文章，题为“Fabrication, mechanical properties, and multifunctionalities of particle reinforced foams: a review”，由Shunze Cao、Nan Ma、Yuwu Zhang、Renheng Bo和Yang Lu等作者共同撰写，发表于2023年3月。该文章全面回顾了颗粒增强泡沫材料（particle reinforced foams）的制备技术、力学性能以及多功能性，涵盖了金属、聚合物和陶瓷基体的泡沫材料，并讨论了其在不同领域的应用前景。

文章主题与背景

颗粒增强泡沫材料因其轻质、低成本以及可调节的物理性能，在过去十年中得到了广泛研究和应用。与固体材料相比，泡沫材料中的薄壁微结构以及某些颗粒的加入使其具有优异的能量吸收能力。尽管已有一些综述文章对空心颗粒增强泡沫（syntactic foams）进行了部分探讨，但对于纳米/微米级固体颗粒和毫米级多孔颗粒增强泡沫的讨论仍然不足。因此，本文旨在全面回顾颗粒（如固体/多孔/空心颗粒）增强泡沫的制备技术、力学响应及其多功能性，特别是不同颗粒添加剂对泡沫物理功能的强化机制和改性作用。

主要内容与观点

1. 颗粒增强金属泡沫
   金属泡沫是一种由固体金属（如铝、铝合金、钽、钛等）制成的多孔泡沫材料，具有轻质、高能量吸收和优异的声学绝缘性能。然而，纯金属泡沫的强度和弹性模量较低，影响了其在实际应用中的稳定性。通过添加颗粒增强剂，可以有效改善金属泡沫的力学性能。

   • 制备技术：金属泡沫的制备方法包括粉末冶金、搅拌铸造、气体注入和渗透等。颗粒增强金属泡沫的制备技术与纯金属泡沫类似，但根据颗粒的形态和尺寸，具体的制造策略有所不同。例如，微米级固体颗粒通常通过固态技术（如粉末冶金）制备，而空心颗粒则可以通过搅拌铸造、低压渗透等技术制造。
     
   • 力学性能：固体颗粒（如Al2O3、SiC、Y2O3等）能够增加金属泡沫的粘度和稳定性，同时提高其力学性能和能量吸收能力。空心颗粒（如玻璃空心球）则通过支撑周围的金属泡沫基质来增强其力学性能。多孔颗粒（如膨胀珍珠岩）则在轻质和低成本的基础上，进一步提升了金属泡沫的力学性能。

2. 颗粒增强聚合物泡沫
   聚合物泡沫由聚合物基体和空心细胞组成，广泛应用于工业和家用领域。尽管聚合物泡沫具有轻质和良好的热/电绝缘性能，但其高孔隙率导致力学性能较差。通过添加颗粒增强剂，可以进一步改善聚合物泡沫的力学性能。

   • 制备技术：聚合物泡沫的制备技术包括搅拌铸造、真空辅助注射成型和增材制造等。热固性聚合物泡沫通常通过搅拌铸造制备，而热塑性聚合物泡沫则可以通过注射成型或压缩成型技术制造。近年来，增材制造技术也被用于制备颗粒增强聚合物泡沫，能够实现复杂几何形状和定制化力学性能的泡沫材料。
     
   • 力学性能：固体颗粒（如金属颗粒、橡胶颗粒）能够通过颗粒聚集效应和应力波耗散来增强聚合物泡沫的力学性能。多孔颗粒（如多孔陶瓷颗粒）则通过稳定泡沫细胞结构并在变形过程中逐渐坍塌来提升能量吸收能力。空心颗粒（如玻璃空心球）则通过增强泡沫基质的刚度和强度来提高其力学性能，但在拉伸条件下表现出更高的脆性。

3. 颗粒增强陶瓷泡沫
   陶瓷泡沫因其低密度、高强度、均匀的细胞尺寸和优异的稳定性，广泛应用于航空航天、电子和医疗材料等领域。通过添加颗粒增强剂，可以进一步提升陶瓷泡沫的力学性能。

   • 制备技术：陶瓷泡沫的制备方法包括直接发泡、凝胶铸造、牺牲模板技术和渗透等。颗粒增强陶瓷泡沫的制备技术通常涉及将颗粒与陶瓷浆料混合，并通过烧结或干燥过程形成稳定的泡沫结构。
     
   • 力学性能：微米级陶瓷颗粒（如Al2O3、Si3N4等）能够稳定陶瓷泡沫的细胞结构，从而提高其断裂强度和压缩强度。空心颗粒（如金属空心球）则通过支撑周围的陶瓷泡沫基质来增强其力学性能。

4. 颗粒增强泡沫的多功能性与应用
   除了力学性能的增强，颗粒添加剂还可以赋予泡沫材料新的功能，如热绝缘、声学绝缘、电绝缘/导电性以及自修复性能。例如，通过添加空心玻璃颗粒和B4C微颗粒，可以显著提高聚合物泡沫的耐热性能；通过添加竹叶颗粒，可以改善聚氨酯泡沫的声学绝缘性能；通过添加碳纳米管包裹的颗粒，可以实现泡沫材料的自修复功能。

   • 应用领域：颗粒增强泡沫材料在建筑、航空航天、汽车、潜艇等多个领域具有广泛应用。例如，颗粒增强聚合物泡沫可以用于管道、飞机结构件、车辆前保险杠和潜艇等；颗粒增强金属泡沫则可以在高温和高强度要求的场景中发挥重要作用。

文章的意义与价值

本文通过对颗粒增强泡沫材料的制备技术、力学性能和多功能性进行全面回顾，为相关领域的研究人员提供了宝贵的参考。文章不仅总结了现有的研究成果，还指出了未来研究的挑战和机遇，特别是在制造技术、建模和应用方面的探索。颗粒增强泡沫材料因其轻质、高能量吸收和可调节的物理性能，在多个工业领域具有广泛的应用前景。通过进一步优化颗粒添加剂的类型和含量，以及开发新的制造技术，颗粒增强泡沫材料有望在未来的高性能应用中发挥更大的作用。

文章亮点

1. 全面性：本文涵盖了金属、聚合物和陶瓷基体的颗粒增强泡沫材料，详细讨论了其制备技术、力学性能和多功能性。
   
2. 前瞻性：文章不仅总结了现有的研究成果，还指出了未来研究的挑战和机遇，特别是在制造技术、建模和应用方面的探索。
   
3. 应用导向：颗粒增强泡沫材料在建筑、航空航天、汽车、潜艇等多个领域具有广泛应用，文章详细讨论了其在不同场景中的应用潜力。

总结

本文是一篇关于颗粒增强泡沫材料的综合性综述，详细探讨了其制备技术、力学性能和多功能性，并指出了未来研究的挑战和机遇。通过进一步优化颗粒添加剂的类型和含量，以及开发新的制造技术，颗粒增强泡沫材料有望在未来的高性能应用中发挥更大的作用。