輕質(zhì)高強多功能點陣夾層結構研究進展

陳東，吳永鵬，李忠盛，黃安畏，孫彩云，吳道勛，花澤薈，舒露，周富

（1.陸軍裝備部航空軍事代表局 駐成都地區(qū)航空軍事代表室，成都 610036；2.西南技術工程研究所，重慶 400039）

2000年Evans等[1-2]首次提出了點陣夾層結構的概念，近二十年該結構材料所具有的輕質(zhì)、高強和多功能等特性已被挖掘出來，三維點陣夾層結構材料如圖1所示。點陣夾層結構作為一種輕質(zhì)結構材料，其在具有相同承載能力的同時，其密度為傳統(tǒng)材料的1/5，甚至更低，且具有減振、吸聲、吸能、熱控及電磁屏蔽等特征[3-9]。

由于點陣夾層結構具有特殊的構造，尤其是三維點陣夾層結構，所涉及的設計因子較多，如何對各設計因子進行匹配性設計，使其相關性能達到最優(yōu)，成為了現(xiàn)今的研究重點。同時，由于點陣夾層結構有別于傳統(tǒng)均質(zhì)材料以及復合材料，常規(guī)加工手段已無法滿足點陣夾層結構的制造加工要求。近年發(fā)展起來的增材制造技術雖能為點陣夾層結構制造提供新的技術途徑，但因其制造成本較高，尚無法滿足大規(guī)模工程化應用。文中主要從點陣夾層結構的類型、性能以及制造加工技術等方面，對點陣夾層結構的研究進展進行討論。

圖1 三維點陣夾層結構材料Fig.1 3D lattice sandwich materials

1 點陣夾層結構構型

依據(jù)點陣構型分類，點陣夾層結構可分為二維點陣夾層結構和三維點陣夾層結構。其中，二維點陣夾層結構的夾芯單元為二維周期排列所形成的空間結構，主要包括蜂窩、三角形、正方形、矩形、六邊形以及米字形等結構。三維點陣夾層結構是指其夾芯單位為按一定規(guī)則周期排列的空間桁架結構，主要包括四面體、金字塔、Kagome、八面體以及全三角等結構[10-15]。由于二維點陣夾層結構在 xy平面和 z方向具有各向異性，使得其力學性能等具有明顯的差異。而三維點陣夾層結構可對其點陣夾芯結構及性能進行匹配設計，且結構和功能性具有很寬的可設計范圍，是一種理想的輕質(zhì)結構功能一體化材料，幾種常見的點陣夾層結構類型如圖2所示。近年來已發(fā)展出了具有梯度結構的點陣夾層材料以及多層疊加點陣夾層結構，該類型點陣夾層結構比傳統(tǒng)點陣夾層結構具有更為優(yōu)異的性能，尤其在動態(tài)力學性能方面具有明顯優(yōu)勢。

圖2 常見點陣夾層結構類型Fig.2 Common types of lattice sandwich structures

根據(jù)材料分類，點陣夾層結構可分為金屬基點陣夾層結構、復合材料點陣夾層結構以及復合點陣夾層結構。其中，金屬基點陣夾層結構的面板以及中間夾芯結構均為金屬材料構成，采用焊接或粘結劑連接而成。常見的金屬點陣夾層結構有膠粘鋁蜂窩夾層結構、焊接鋁蜂窩夾層結構以及焊接鋁合金金字塔點陣夾層結構等。復合材料點陣夾層結構的面板和中間夾芯結構均為復合材料，其中，面板材質(zhì)主要有碳纖維層壓板、玻璃纖維層壓板等，點陣夾芯結構主要有芳綸蜂窩芯、碳纖維編織型點陣結構以及玻璃纖維三維編制點陣結構等。常見的有碳纖維蜂窩夾層結構、碳纖維復合材料編織型點陣結構以及玻璃纖維三維編制點陣夾層結構等。復合點陣夾層結構由不同材質(zhì)的面板和蜂窩點陣夾芯結構復合而成。

2 靜態(tài)力學性能

點陣夾層結構與傳統(tǒng)的無序結構材料（如泡沫夾層結構）在同等面密度時，其具有更優(yōu)的力學性能。泡沫夾層結構、Waffle結構、金字塔點陣夾層結構及蜂窩夾層結構在彎曲載荷作用下承載能力對比如圖 3所示。可以看出，Waffle結構和泡沫夾芯結構的承載能力遠低于金字塔點陣結構和蜂窩夾芯結構，而金字塔點陣結構和蜂窩夾芯結構具有相當?shù)某休d能力[16-17]。

圖3 典型夾層結構材料彎曲承載能力對比Fig.3 Bending bearing capacity of typical sandwich material

圖5 多層疊加點陣夾層結構材料Fig.5 Multilayer superposition lattice sandwich materials

材料平面壓縮強度與密度的關系如圖4所示，可以看出，傳統(tǒng)的聚合物泡沫材料、金屬泡沫材料及均質(zhì)材料不適用于低密度-高強度區(qū)域[18-19]。點陣夾層結構的出現(xiàn)，為需要低密度和高強度材料的應用領域開辟了新的途徑。在同等強度時，點陣夾層結構的密度遠低于傳統(tǒng)均質(zhì)材料。其中，同等密度時，碳纖維點陣夾層結構的強度稍高于鋁合金或鈦合金點陣夾層結構。與同密度下同聚合物泡沫材料、金屬泡沫材料及傳統(tǒng)均質(zhì)材料比較，點陣夾層結構具有顯著的低密度-高強度優(yōu)勢。

圖4 材料平面壓縮強度與密度的關系Fig.4 Relationship between material plane compression strength and density

3 動態(tài)力學性能

點陣夾層結構具有優(yōu)異的動態(tài)力學性能，其在低速、高速沖擊及爆炸載荷下的吸能特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)材料，且具有優(yōu)異的抗沖擊防護特性[20-24]。點陣夾層結構材料在沖擊載荷作用下具有較理想的應變行為，一般不會出現(xiàn)動態(tài)失穩(wěn)等現(xiàn)象。受到動態(tài)沖擊時，點陣夾層結構內(nèi)部的點陣芯材將發(fā)生大的塑性變形，從而將沖擊能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量而大量吸收。為進一步提升點陣夾層結構的動態(tài)力學性能，可采用功能性增強材料填充點陣夾芯、多層疊加點陣夾層結構以及梯度點陣夾層結構來實現(xiàn)[25-28]，如圖5和圖6所示。梯度點陣夾層結構為各層的結構方式或密度等在縱向方向為梯度變化，研究結論表明，多層疊加點陣夾層結構與梯度點陣夾層結構在動態(tài)吸能方面比單層點陣夾層結構具有明顯的優(yōu)勢。

圖6 梯度點陣芯材以及梯度點陣夾層結構Fig.6 Gradient lattice core material and gradient lattice sandwich structure

4 功能特性

點陣夾層結構由于具有特殊的三維構造，使得其在傳熱、電磁屏蔽、減振降噪領域具有廣泛的應用前景?？赏ㄟ^對其結構進行特殊設計以及填充增強型功能填料等方式，進一步增強其功能性能。

4.1 傳熱特性

二維點陣夾層結構因其點陣芯材單元結構為密閉腔體，腔體中的介質(zhì)無法自然對流，從而使其具有優(yōu)良的隔熱特征。三維點陣夾層結構因其點陣芯材為貫通結構，在強制對流條件下，具有優(yōu)良的傳熱特性，可用于高密度熱流散熱結構。Lu等[29-31]計算出了各類構型點陣夾層結構的傳熱特性參數(shù)，優(yōu)化出了具有主動換熱性能的點陣夾芯結構。三維點陣芯材也可通過在其點陣空腔中引入低導熱系數(shù)填料的方式，實現(xiàn)三維點陣夾層結構隔熱和承載的雙功能特征。

4.2 電磁波屏蔽特性

點陣夾層結構作為有序多孔結構材料，在空隙結構界面，電磁波將發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，使電磁波產(chǎn)生衰減，從而產(chǎn)生電磁波屏蔽特性。因點陣夾層結構具有很強的設計特性，可根據(jù)不同波段電磁波屏蔽需要，對點陣結構尺寸及作用界面進行匹配設計。同時可以通過填充功能性吸波材料的方式，進一步提高其電磁屏蔽性能[25]。

4.3 聲學特性

聲波在點陣芯材內(nèi)傳播時，將產(chǎn)生共振吸聲，同時聲波與界面將產(chǎn)生遲滯作用而消耗聲能。與傳統(tǒng)的吸聲材料相比（如開孔泡沫、玻璃棉等），點陣夾層結構吸聲性能較差，但點陣夾層結構材料具有更好的力學性能、耐高溫、耐腐蝕、抗老化等特點，在許多領域比傳統(tǒng)柔性吸聲材料具有更好的應用前景。

5 制造加工工藝

傳統(tǒng)制造工藝已無法滿足點陣夾層材料制造加工需求，針對不同材料、不同構型的點陣夾層結構，需要設計特定的制造加工技術。其中，近年來興起的增材制造技術雖能滿足特殊構型點陣夾層結構的制造加工需求，但無法實現(xiàn)大規(guī)模工程化應用。

5.1 復合材料點陣夾層結構

復合點陣夾層結構的主要制造工藝有嵌鎖組裝、模具熱壓成形、穿插編織等。其中，嵌鎖組裝工藝[32-33]為采用水切割工藝，將復合材料層壓板切割成嵌鎖桁條，然后將其進行嵌鎖組裝，制備出金字塔型點陣芯子，同時在復合材料層壓板上切出十字形凹槽，最后將組裝好的點陣芯材與面板組裝連接。其工藝流程如圖7所示。該制備工藝可進行大規(guī)模加工應用，但工藝復雜，所涉及的機械切割較多，面板與點陣芯材存在粘結缺陷。同時水切割會影響面板及點陣芯材的結構完整性，從而破壞其整體力學性能，使得其承載能力下降。

圖7 嵌鎖組裝工藝流程Fig.7 Embedded lock assembly process

模具熱壓成形工藝分為熱壓模具一體成形和熱壓模具二次成形[34-37]。熱壓模具一體成形是將芯材與面板預埋于模具中，熱壓成形后，將成形模具先后取出，即制備出點陣夾層結構。一體成形中的面板與點陣夾芯結構存在粘接缺陷，且無法保證點陣夾芯的纖維徑向壓力，從而影響其結構強度。熱壓模具二次成形工藝在一體成形工藝的基礎上，先采用模具一體成形點陣芯材，再將面板與成形后的點陣芯材熱壓而成。該工藝可顯著改善一體成形所存在的缺陷。

穿插編織工藝流程主要分為織物編制、浸入樹脂、固化、修整成形等。采用三維編織技術編制三維立體織物，點陣芯子結構與上下面板為一體編織成形，接著將編制好的三維立體織物浸入固化樹脂固化，最后對成形結構進行修整等，三維編織點陣芯材如圖8所示[38-42]。

圖8 三維編織工藝流程及編織實例Fig.8 3D weaving process and weaving instance

5.2 金屬點陣夾層結構

金屬點陣夾層材料的主要制備工藝有沖壓成形、擠壓線切割、拉伸網(wǎng)折疊、搭接拼裝、熔模鑄造以及增材制造等。沖壓成形工藝由 Kooistra和Wadley等[43]提出，該工藝首先采用沖壓成形的方法將金屬板材沖壓成六邊形孔金屬網(wǎng)，接著將金屬網(wǎng)逐排沖壓折疊，獲得規(guī)整的四面體點陣芯子結構，最后采用釬焊將點陣芯子和鋁合金上下面進行焊接。其工藝流程如圖9所示。該工藝操作簡單，制造效率高，但對制備金屬網(wǎng)板材的伸長率、韌性具有較高的要求。同時點陣芯子結構的平整性較差，使得點陣芯子結構與面板的焊接困難。

擠壓線切割工藝由Queheillalt等[44]提出，該工藝首先采用擠壓方式將型材擠壓成波紋夾芯結構，再采用電火花加工將波紋板夾芯結構切割成金字塔點陣夾芯結構。擠壓線切割的工藝流程如圖10所示。

增材制造工藝即采用3D打印技術逐層打印構造上下面板和點陣芯材[45-47]。該制造工藝可以顯著改善點陣芯材與上下面板的連接強度，避免點陣芯材可能出現(xiàn)的各類缺陷。同時，增材制造工藝可加工其他常規(guī)工藝無法加工的新型、復雜點陣夾層結構。但成形結構精度較差，加工效率低，費效比低，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。增材制造工藝所生產(chǎn)的幾種典型點陣芯材結構如圖11所示。

6 結語

圖9 沖壓成形工藝流程Fig.9 Stamping forming process

圖10 擠壓線切割工藝流程Fig.10 Extrusion line cutting process

圖11 增材制造工藝所生產(chǎn)的點陣芯材以及點陣夾層結構Fig.11 Lattice core material and lattice sandwich structure of additive manufacturing process

輕質(zhì)高強點陣夾層結構作為一種輕質(zhì)、高強以及多功能的結構材料，可應用于非關鍵承載結構或非承載結構。根據(jù)不同的使用工況，針對其所具備的多功能特性，點陣夾層結構具有很強的設計潛力。近年來發(fā)展起來的多層疊加點陣夾層結構以及梯度點陣夾層結構具有更為優(yōu)異的力學及動態(tài)力學性能等，可應用于抗沖擊防護領域。

文中主要闡述了輕質(zhì)高強點陣夾層結構空間結構特點、力學性能特征、多功能特性以及制備工藝等，主要得出以下結論。

1）輕質(zhì)高強點陣夾層結構與目標工況的匹配性設計。隨著武器裝備的發(fā)展，對所采用的材料或結構提出了更高的要求，比如在需要材料輕質(zhì)、高強的同時，需要其具備散熱/隔熱、吸波、吸能等特性。因輕質(zhì)高強點陣夾層結構所涉及的設計因子多，各設計因子間的作用關系復雜，如何將設計因子與多目標進行匹配及優(yōu)化設計是輕質(zhì)高強點陣夾層結構的重點研究方向。

2）單一材料及結構已無法滿足武器裝備對材料及結構的需求。輕質(zhì)高強點陣夾層結構將朝多材料及多結構復合方向發(fā)展，比如結構梯度點陣結構材料，功能性材料增強點陣夾層結構材料等。

3）新型點陣夾層結構傳統(tǒng)制備工藝在生產(chǎn)過程中將在其結構中引入各類缺陷，從而對其性能產(chǎn)生不利影響，增材制造技術雖能有效避免這些這些缺陷，但該技術還無法滿足多材料復合增材制造，且制造效率低、加工精度差等問題，無法滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，開發(fā)新的制造工藝，提高費效比是點陣夾層結構材料需解決的問題。