吳文旺 夏 熱

1 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室, 上海 200240

2 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院工程力學系, 上海 200240

3 武漢大學水力機械過渡過程教育部重點實驗室, 武漢 430072

1 引 言

輕量化多功能點陣結構具有輕質(zhì)高強、抗沖擊吸能、減振降噪等性能優(yōu)勢, 在航空航天、交通運輸、國防、生物醫(yī)療、能源、機械裝備等工業(yè)領域具有巨大的應用潛力. 新型輕質(zhì)高強多功能點陣結構是由哈佛大學A. G. Evans 和Hutchinson 教授、劍橋大學M. F. Ashby 和N. A.Fleck 教授、麻省理工學院L. J. Gibson 教授、弗吉尼亞大學Wadley 教授等在 2000 年左右提出并開展系統(tǒng)研究(Zok 2019, Zok et al. 2016, Yan et al. 2020, Moestopo et al. 2020, Wang et al.2021, Clough et al. 2019, Suard et al. 2020, Liu X et al. 2021, Liu J et al. 2021a, Wu W et al.2019). 點陣結構是一類受金屬晶格結構啟發(fā)的由桿件和節(jié)點組成的周期性排布輕質(zhì)高強結構,具有優(yōu)異的比強度、比剛度、沖擊吸能和吸聲降噪等多功能一體化特性. 點陣結構可以根據(jù)其節(jié)點的桿件連接Maxwell 數(shù)分為拉伸主導型和彎曲主導型, 點陣結構的力學特性、變形模式和失效機理與點陣結構的Maxwell 數(shù)密切相關. 輕質(zhì)多功能點陣結構的比強度、比剛度, 斷裂韌性、抗沖擊吸能能力、疲勞性能和減振降噪等力學性能和點陣結構胞元特征密切相關. 如何通過點陣結構的新構型、新胞元設計實現(xiàn)力學性能提升是實現(xiàn)點陣結構工程應用的重要途徑之一.

最近幾十年來, 科研人員利用多尺度微結構設計和多類型結構缺陷-微結構相互作用, 攻克合金結構材料“強度-韌性”固有矛盾, 并取得舉世矚目的科研成果和實際工程應用. 因此, 如何從晶體多尺度微結構特征出發(fā), 開展基于結構缺陷相互作用機理的新型點陣超結構力學設計、功能調(diào)控和物理機理研究, 具有重要科學意義和工程應用價值. 近年來, 研究人員受布拉菲晶格、七大晶系和準晶的晶格空間幾何特征啟發(fā), 開展新構型、新胞元輕質(zhì)多功能點陣結構的力學設計和工程應用研究, 并取得顯著進展. 有鑒于此, 本文提出基于點陣結構的“結構-功能一體化”研究思路, 開展多晶多尺度微結構啟發(fā)的新型點陣超結構的力學設計, 分別從點陣結構的節(jié)點、桿件組元, 胞元類型、雙相結構、梯度結構、多層級結構等角度, 闡明多晶體多尺度微觀結構啟發(fā)的點陣超結構力學設計、多功能性能調(diào)控, 以及點陣超結構變形和失效機理, 為輕質(zhì)多功能點陣超結構的工程應用提供理論指導和技術支持.

2 多晶多尺度微結構啟發(fā)的點陣超結構力學設計

2.1 七大晶系和準晶空間幾何特征啟發(fā)的點陣結構設計

由相互連接的一維桿件組元在二維或者三維空間進行周期陣列排布的點陣結構材料具有優(yōu)異的超常多功能一體化性能, 并展示了廣泛的應用前景, 比如具有輕質(zhì)承載多功能一體化的生物醫(yī)學植入物、航空航天和海軍裝備輕質(zhì)抗沖擊減振降噪結構、智能傳感和制動結構等. 通過點陣結構的拓撲構型設計和優(yōu)化, 可以實現(xiàn)超常規(guī)物理特性, 比如負熱膨脹系數(shù)、負泊松比、超低剪切模量、超常規(guī)阻尼特性和負質(zhì)量密度等. 點陣結構的設計思想起源于合金材料的七大晶系,并結合合金材料多尺度微結構設計和微結構缺陷啟發(fā), 在力學設計方法和多功能一體化方法取得顯著進展. 然而, 具有離散結構尺寸特征的宏觀點陣結構的變形和失效機理、力學分析方法和連續(xù)介質(zhì)力學經(jīng)典理論有本質(zhì)區(qū)別, 需要針對點陣結構發(fā)展相應的強度、剛度、沖擊吸能、斷裂失效、疲勞和減震降噪等基礎理論和計算方法. 當單個點陣胞元的尺寸同工程結構整體宏觀尺度相比很小時, 可以基于均勻化理論得到點陣結構的等效力學性能參數(shù), 點陣結構單胞的力學性能可以用它們在外部載荷作用下的體積平均力學響應來表達. 在建立整體工程結構的宏觀力學性能和點陣結構胞元之間的多尺度關系時, 需要分別從理論、實驗和計算層面開展研究.

傳統(tǒng)材料科學的研究主要從“制備工藝-多尺度微結構-宏觀物理性能”的關聯(lián)角度去展開,點陣結構的研究方法同樣需要借鑒材料科學的研究思路, 開展多尺度的結構設計、結構-力學性能關系研究, 提出點陣結構的制造工藝和制備技術優(yōu)化方法, 并建立制備工藝和服役性能之間的映射關系. 在點陣結構構型方面, 主要包含點陣結構空間幾何關系 (梯度、多層級、異質(zhì)結構、非周期排布等) , 點陣結構胞元類型 (節(jié)點和桿件的空間連接幾何關系) , 桿件組元幾何特征, 節(jié)點組元的幾何特征等. 受材料科學七大晶系啟發(fā), 可以在{FCC}和{BCC}點陣結構的基礎上通過仿射變換、平移、旋轉(zhuǎn)、以及沿著三個主軸方向進行各向異性伸長/縮短、不同類型胞元放大/縮小后串/并聯(lián), 可以形成非立方構型的七大晶系啟發(fā)的新型超點陣結構胞元(Zok et al. 2019,2016). 點陣結構構型分類可以實現(xiàn)兩個重要目標: (a) 為具有無限可能的基于桿件-節(jié)點的空間幾何連接關系的點陣結構提供有序的設計規(guī)范和分類方法; (b) 為基于點陣結構的復雜構件和裝備的多尺度力學設計提供一個基礎點陣結構構型數(shù)據(jù)庫和設計參考準則.

點陣結構的節(jié)點和桿件可以具有不同的拓撲構型. 圖1(a)為具有彈簧特征的桿件組元構成的點陣結構, 該結構具有J 型應變-應力曲線, 可以用于設計具有生物材料力學特性的新型人工材料(Yan et al. 2020). 圖1(b) 為具有雙螺旋結構特征的新型無節(jié)點點陣結構, 其中節(jié)點處采用編織而非固定節(jié)點, 大幅提升結構的彈性變形能力和斷裂韌性(Moestopo et al. 2020). 圖1(c)為采用新型非直線桿件和直線桿件混雜構筑的新型點陣結構, 該結構可以同時實現(xiàn)拉伸主導型和彎曲主導型點陣結構的綜合性能優(yōu)勢, 實現(xiàn)壓縮吸能過程中點陣結構峰值應力下降和高平臺應力的協(xié)同功能, 大幅提升傳統(tǒng)拉伸主導型點陣結構的吸能效率(Wang et al. 2021). 圖1(d)為由波浪形桿件組元構筑的點陣結構三明治夾心復合板, 其桿件組元的失效模式由屈曲主導, 可以通過波長和振幅調(diào)節(jié)實現(xiàn)應變-應力曲線定制化(Clough et al. 2019). 圖1(e) 為具有不同橫截面尺寸的波浪形曲線桿件組元, Suard et al. (2020)提出了用它們進行力學性能定制化的輕質(zhì)點陣結構設計方法, 建立了增材制造桿件組元的表面粗糙度對實際力學性能的影響規(guī)律. 圖1(f)為具有變截面特征的點陣桿件組元, 可以有效抑制傳統(tǒng)均勻桿件點陣結構的局部剪切帶失效, 防止整體結構承載能力的喪失, 顯著提升結構的承載能力和結構效率(Liu X et al. 2021). 圖1(g) 為具有節(jié)點扭轉(zhuǎn)效應的手性網(wǎng)狀點陣結構, 可以實現(xiàn)結構的應變-應力曲線和力學行為更大范圍的調(diào)控(Liu J et al. 2021a). 圖1(h)為節(jié)點組元的多層級結構, 設計可以提升點陣結構的比剛度和比強度, 顯著提升結構的面外吸能能力(Wu W et al. 2019, Mousanezhad 2016). 圖1(i)為節(jié)點增強設計, 可以提升點陣結構比強度、有效抑制局部剪切帶的形成, 并顯著提升點陣結構的抗疲勞力學性能(Tao & Leu 2016).

圖1點陣結構的節(jié)點和桿件組元創(chuàng)新設計. (a) 三維彈簧單螺旋狀桿件, (b) 三維螺旋狀桿件, (c) 非對稱桿件, (d) 不同波長波浪狀桿件, (e) 不同粗細波浪狀桿件, (f) 變截面桿件, (g) 具有扭轉(zhuǎn)效應的節(jié)點, (h) 節(jié)點參數(shù)化多層級設計, (i) 節(jié)點增強設計

圖2典型點陣結構胞元分類

除了針對點陣結構的節(jié)點和桿件組元進行幾何特征設計之外, 可以進一步依據(jù)合金材料的七大晶系及準晶的晶格特征, 開展點陣結構胞元構型設計, 如圖2 所示. 主要包括: 仿照七大晶系形成的立方點陣結構 (FCC, BCC, SC) 胞元(Refai et al. 2020)和密排六方點陣結構胞元(Pan et al. 2020)、準晶點陣結構胞元(Wang et al. 2019)、最小曲面點陣結構(Refai et al. 2020)、板-桿混雜異質(zhì)點陣結構(Torres et al. 2019)、帶孔板狀點陣結構 (Li T et al. 2021)、彎曲桿件形成的點陣結構(Wang P et al. 2021)、具有非對稱結構特征的點陣結構(Wang P et al. 2021)、板狀點陣結構(Zeng Q et al. 2021)等.

節(jié)點作為點陣結構的最重要的結構組元之一, 在結構的強度、疲勞以及多功能一體化協(xié)同設計中發(fā)揮著獨特的作用. 可以根據(jù)目標力學性能和功能需求, 針對點陣結構的節(jié)點組元進行力學性能增強或者減弱設計. 近年來, 研究人員設計出沒有傳統(tǒng)意義上的固定節(jié)點的新型點陣超結構, 可以實現(xiàn)超常規(guī)力學性能調(diào)控, 并展示極大的工業(yè)應用潛力. 具有復雜空間拓撲特征的周期性點陣結構可以通過桿件組元在空間重復排布來實現(xiàn), 但是如何實現(xiàn)相鄰的點陣結構桿件組元在節(jié)點處的高效連接依然是技術挑戰(zhàn). 研究人員提出通過浸漬工藝輸送連接劑材料來連接離散的點陣結構中的相鄰節(jié)點組元, 并分別采用液態(tài)環(huán)氧樹脂和固態(tài)無機顆?；旌系倪B接劑用于聚合物-金屬和金屬-金屬桿件之間的浸漬連接. 所制備的點陣結構主要依靠桿件之間的連接劑連接強度來實現(xiàn)點陣結構的強度和剛度, 節(jié)點處的弧形過渡導致節(jié)點處出現(xiàn)力學性能薄弱區(qū)域, 類似于無節(jié)點狀態(tài)(Khoda et al. 2021). 研究人員設計出具有多層級結構的最小曲面點陣結構, 能夠隨意改變傳力路徑實現(xiàn)集中載荷像流體一樣高效擴散, 提升了結構的集中力擴散效率, 這種多層級最小曲面點陣結構沒有嚴格的固定節(jié)點概念, 處處皆是節(jié)點, 也可以視為處處沒有節(jié)點(Zhang L et al. 2021). 傳統(tǒng)的基于桿、板、殼、膜結構組元的周期性點陣結構胞元具有高度幾何對稱性和內(nèi)部空間流通性, 但是這種結構高度對稱的周期性點陣結構胞元的制造工藝缺陷引起的結構非對稱性會導致真實制備的點陣結構的功能發(fā)生顯著劣化. 通過利用多孔材料的多尺度自組織結構制造技術可以制備出具有結構非對稱性、雙曲率平滑表面和殼膜結構特征的、內(nèi)部高度連通的非對稱點陣結構, 可以實現(xiàn)輕質(zhì)高強、高沖擊吸能效率和內(nèi)部高效流動性的多功能一體化特性, 特別適合具有內(nèi)部連通性約束、力學性能對制造缺陷高度敏感的輕質(zhì)點陣結構增材制造工藝, 有效克服制造工藝局限和高可靠性、多功能性之間的矛盾, 實現(xiàn)點陣結構的力學性能缺陷不敏感, 克服高剛度與高回彈、可恢復性能之間的固有矛盾. 此外, 這種通過結構自組織制造工藝實現(xiàn)的點陣結構, 具有良好的定制化可調(diào)控的各向異性(Portela et al. 2020). 具有宏觀各向同性彈性力學性能的點陣結構可以通過具有彈性各向異性的基本立點陣結構胞元 (簡單立方體, 體心立方或面心立方點陣結構) 按比例進行結構復合形成. 研究人員提出一種基于中空桿件組元的新型各向同性點陣結構設計方法, 并通過改變具有不同空間取向的空心管內(nèi)徑與外徑比例來實現(xiàn)點陣結構胞元的各向異性調(diào)控. 根據(jù)加載方向的不同, 立方點陣結構桿件組元的力學響應特征從彎曲主導型逐漸演化為拉伸主導型. 因此, 可以通過改變中空桿件組元的橫截面幾何特征尺寸, 有效調(diào)控桿件的彎曲剛度與軸向壓縮剛度的比例, 實現(xiàn)點陣結構的宏觀各向異性力學性能調(diào)控. 載荷通過中空節(jié)點處的光滑弧形轉(zhuǎn)向設計實現(xiàn)不同方向的載荷傳遞, 可以降低中空節(jié)點處的應力集中度, 提高點陣結構的比強度、比剛度(Tancogne et al. 2018). 雖然許多基于桿、板、梁組元的人造三維點陣結構材料可以實現(xiàn)高比剛度和大變形等優(yōu)異的力學性能, 但節(jié)點處的應力集中和自由度約束限制了點陣結構力學性能的進一步提升. 有鑒于此, 研究人員設計了由雙螺旋桿件纏繞形成的螺旋復合桿件構筑而成的點陣結構, 交錯的螺旋桿件組元在節(jié)點處相互穿插編織, 并通過螺旋編織接觸的可動節(jié)點進行載荷和應變能交換, 從而形成具有非固定節(jié)點的多層級點陣結構, 可以實現(xiàn)復雜的、可定制的力學響應曲線, 為傳統(tǒng)剛性和脆性材料實現(xiàn)大變形性能提供了新的設計方法, 并為實現(xiàn)具有復雜非線性力學性能的三維點陣結構提供新的設計理念(Moestopo et al. 2020). 為實現(xiàn)聲學功能與力學性能的完美融合, 研究人員基于模塊化設計理念實現(xiàn)反射波和透射波的高效調(diào)控, 實現(xiàn)不同頻段的完美吸聲效果, 并提出四類兼具優(yōu)異聲學功能和力學性能的基于面心立方點陣結構的衍生點陣超結構, 通過在面板組元的節(jié)點處引入球形孔洞可以清除3D 打印過程中板狀點陣結構內(nèi)部殘留物, 面板之間通過球形孔洞連接, 可以形成亥姆霍茲共振腔. 更重要的是節(jié)點處的球形孔洞可以顯著降低面板組元交界處的應力集中, 提升板狀點陣結構的力學性能; 此類無節(jié)點設計可以實現(xiàn)點陣結構的多功能一體化性能提升, 通過進一步調(diào)控點陣結構空間布局即可實現(xiàn)不同的聲波操控功能, 如良好的吸聲系數(shù)、多頻段吸聲等(Li X et al. 2021). 研究人員提出一種點陣胞元構型可切換的相變點陣結構, 可以通過變形過程中節(jié)點接觸狀態(tài)的調(diào)控實現(xiàn)拉伸主導型點陣結構和彎曲主導型點陣結構的構型切換, 實現(xiàn)不同結構剛度之間的模態(tài)切換, 并通過部分節(jié)點對的合并和裂變進行點陣結構胞元構型調(diào)控(Elsayed & Pasini 2010).

如何提升點陣結構的比強度、比剛度是輕質(zhì)多功能結構研究方向的一個重要科學問題(Liu Y et al. 2020). 如圖3 所示, 研究人員提出若干種基于節(jié)點強化和對角線定向強化的多尺度力學設計方法來提升點陣結構的比剛度、比強度和抗疲勞性能. 如圖4(a) 和圖4(b), 可以通過將周期性點陣結構的對角線胞元更換為比強度更高的異質(zhì)點陣結構胞元, 可以提升結構的強度和剛度(Vangelatos et al. 2020a, Xiao R et al. 2021); 如圖4(c) , 點陣結構的節(jié)點換成直徑更大的實心球可以實現(xiàn)比強度、比剛度的增強設計(Liu Y et al. 2020); 如圖4(d) , 節(jié)點和中空桿件之間采用薄板平滑過渡連接, 實現(xiàn)比強度、比剛度增強設計(Dever et al. 2013); 如圖4(e)和圖4(g) , 桿件組元采用變截面設計, 可以實現(xiàn)節(jié)點間接等效增強(Qi et al. 2019b, Tancogne-Dejean & Mohr 2018a); 如圖4(f)和圖4(h), 節(jié)點和桿件連接過渡區(qū)域的平滑增強(Portela et al.2018, Latture et al. 2018, Dallago et al. 2021).

2.2 多晶微結構啟發(fā)的新型點陣結構設計

如圖5 所示, 合金材料多晶體微結構內(nèi)部存在著多種類型的固體缺陷, 主要可以分為: 點缺陷 (空洞、間隙子、溶質(zhì)原子等) 、線缺陷 (刃型位錯、螺型位錯、位錯環(huán)) 、面缺陷 (晶界、相界、孿晶、層錯) 、體缺陷 (空洞、裂紋、夾雜、二次相等). 這些不同維度、不同尺度的缺陷影響著合金材料的強度、韌性、疲勞、沖擊吸能、阻尼等物理性能. 首先, 缺陷的設計在調(diào)控合金材料的強度-韌性方面極為重要, 合金有幾種典型的硬化機制, 比如 (a) 加工硬化 (應變硬化) : 由于位錯之間的相互作用, 延展性金屬隨著塑性變形程度的增加而變得更硬更強, 屈服應力、拉伸強度均得到提升. (b) 晶粒細化、位錯與晶界的相互作用: 晶界失配、晶界兩側(cè)不同的晶體取向?qū)ξ诲e運動起到阻礙屏障作用; 更小尺寸的晶粒比較大的晶粒具有更多的晶界密度, 晶界區(qū)域原子無序排列將導致滑移平面的幾何不連續(xù)性. 此外, 還有其他晶界效應有助于合金硬化和增韌, 例如: 高/小角度晶界、孿晶界面、二次相、夾雜相界面等. (c) 固溶體強化效應: 溶質(zhì)原子和夾雜原子的應力場會干擾位錯遷移, 雜質(zhì)原子通過扭曲晶格產(chǎn)生應力, 并對位錯運動產(chǎn)生阻礙作用. (d) 異質(zhì)夾雜相增強: 通過夾雜相界面的非連續(xù)阻礙位錯遷移, 位錯攀爬并繞過沉淀物, 通過著名的Orowan 機制來阻礙位錯的快速運動. (e) 空洞缺陷演化: 通過空洞形成、生長、貫穿將促進合金材料的韌性提升, 并影響裂紋萌生、擴展過程(Roters et al. 2010).

圖3晶體微結構啟發(fā)的點陣超結構多尺度新胞元、新構型力學設計. (a) 具有鏡像特征的新型孿生三斜晶系點陣超結構力學設計(Bian et al. 2021), (b) 具有異質(zhì)結構特征的跨尺度隨機點陣超結構設計(Quang et al. 2021), (c) FCC 和BCC 異質(zhì)結構點陣結構胞元混雜構成的復合點陣超結構(Pham et al. 2019), (d) 具有隨機取向的幾種不同類型最小曲面點陣結構形成的復合結構(Oraid et al. 2021); (e) 具有共格晶界和幾何鏡像特征的點陣超結構設計(Liu C et al. 2021), (f) 基于結構孿生和桿件組元接觸改變點陣結構變形和承載模式的相變點陣結構(Vangelatos et al. 2019,Vangelatos et al. 2020a), (g) 二維FCC 和BCC 混雜的多晶點陣結構(Li W et al. 2021), (h) 基于結構中心對稱性和準晶拓撲構型的輕質(zhì)高強準晶點陣結構(Wang & Sigmund 2020, Somera et al. 2022)

結構材料多尺度微結構特征和變形機理, 主要體現(xiàn)在如下三個方面: (a) 多晶合金結構材料存在不同類型的微結構拓撲特征, 比如: 異質(zhì)結構、雙相結構、層疊結構、多層級結構、等軸晶、晶界、沉淀物、孔洞等; (b) 納米晶體材料存在多種類型變形機理導致材料的強韌化, 比如: 晶界變形和運動 (厚度、滑動、攀爬) 、晶粒變形和運動 (旋轉(zhuǎn)、扭曲、尺寸效應) 、位錯滑動、位錯攀爬、位錯-晶界相互作用等; (c) 生物結構材料具備優(yōu)異的強韌化力學性能, 主要和其多尺度微結構密切相關, 比如: 磚/泥微結構, 螺旋微結構, 多層級結構, 梯度微結構, 礦物/纖維網(wǎng)狀結構, 交叉層疊結構, 軟硬復合夾雜等; 其強韌化力學性能主要通過如下經(jīng)典機制實現(xiàn): 裂紋橋接, 裂紋扭曲, 裂紋偏轉(zhuǎn), 拉伸剪切耦合, 界面互鎖等(Dunlop & Fratzl 2013). 因此, 通過模仿合金多晶體結構材料、生物結構材料的多尺度微結構特征, 并將合金結構材料、生物結構材料的多尺度微結構和缺陷演化規(guī)律、結構變形和失效機理融合到點陣超結構的多功能一體化設計過程中, 對于新型點陣超結構的新胞元、新構型力學設計理論、制造工藝、多功能一體化、工程應用拓展具有重要科學意義(Zok et al. 2019).

圖4點陣結構的節(jié)點/對角線強化設計. (a) 和 (b) 將周期性點陣結構的對角線胞元更換為比強度更高的異質(zhì)點陣結構胞元(Vangelatos et al. 2020a, Xiao R et al. 2021), (c) 點陣結構的節(jié)點換成直徑更大的實心球(Liu Y et al. 2020), (d) 節(jié)點和中空桿件之間采用薄板平滑過渡連接 (Dever et al. 2013), (e) 和 (g) 桿件組元采用變截面設計(Qi et al. 2019b, Tancogne-Dejean & Mohr 2018a), (f) 和(h) 節(jié)點和桿件連接過渡區(qū)域的平滑增強(Portela et al. 2018, Latture et al. 2018, Dallago et al. 2021)

圖5多晶體多尺度微結構及典型缺陷特征. (a) 多晶體多尺度微結構特征(Roters et al. 2010), (b) 不同尺度的結構缺陷分類

圖3(a)展示了基于長石三斜晶系和孿晶微結構的新型孿生三斜晶系點陣超結構力學設計,Bian et al. (2021)通過孿晶界面的引入和調(diào)控可以提升三斜晶系點陣結構的吸能性能, 并利用納米晶體的Hall-Petch 關系模型研究了壓縮吸能過程中的尺寸效應, 提出孿晶點陣結構中平臺應力與孿晶層厚尺寸平方根之間的演化規(guī)律的尺寸效應經(jīng)驗公式的適用性. 圖3(b)展示了基于均勻化理論和拓撲優(yōu)化方法設計的具有異質(zhì)結構特征的跨尺度隨機點陣超結構, 該結構可以克服點陣結構各向異性和點陣桿件連接效率低的固有性能缺陷, 承受任意方向的外部載荷, 并具有較高的結構缺陷不敏感性, 大大提升了周期性結構的復雜載荷環(huán)境適應范圍和性能可靠性(Quang et al. 2021). 如圖3(c)所示, 當外部載荷超過材料屈服極限時, 傳統(tǒng)合金結構材料會通過大規(guī)模位錯滑移形成局部剪切帶, 并導致合金結構材料發(fā)生屈服和塑性變形. 受此啟發(fā), 研究人員通過模仿多晶體材料的多尺度微觀結構 (如晶界, 夾雜物和二次相等) , 設計出通過FCC 和BCC 點陣結構胞元混雜構成的復合點陣超結構(Pham et al. 2019). 如圖3(d) 所示, 現(xiàn)有仿晶格周期性點陣結構普遍具有各向異性和局部剪切帶失效導致的整體結構破壞, 大大限制了其結構效率和功能潛力. 研究人員設計出具有隨機取向的幾種不同類型最小曲面點陣結構形成的復合結構, 可以任意調(diào)整最小曲面點陣結構組元的空間取向和不同區(qū)域的最小曲面點陣結構胞元類型所設計的最小曲面點陣復合結構在整個壓縮過程中表現(xiàn)出拉伸主導型失效模式, 而且沒有發(fā)生局部剪切帶失效, 顯著提升了周期性最小曲面點陣結構的結構效率(Oraid et al. 2021). 如圖3(e) 所示,通過借鑒冶金學領域的多晶微結構設計理念, 受多晶體微結構界面限制滑移帶傳播距離并實現(xiàn)材料強化的物理機理啟發(fā), 研究人員開展點陣超結構的界面設計來抑制點陣結構屈曲力學行為,通過多晶界面兩側(cè)不同晶粒類型和晶界兩側(cè)晶粒取向的改變, 可以抑制點陣結構局部剪切失效帶傳播距離, 降低局部剪切帶導致的整體失效的可能性. 此外, 可以進一步利用尺寸效應 (Hall-Petch 效應) 提升點陣超結構的強度, 具有共格晶界的超點陣結構的屈服強度隨著點陣結構晶粒密度增加 (晶粒尺寸減小) 而顯著增強; 雖然隨著晶粒尺寸減小, 相應的周期性完美點陣結構桿件組元的比例顯著下降, 這說明共格晶界對于提升點陣超結構胞元的屈服強度極為重要(Liu C et al. 2021). 如圖3(f)所示, 受到合金材料變形過程中結構相變和空間對稱性演化過程的啟發(fā),研究人員開展基于結構孿生的新型點陣超結構的力學設計, 利用點陣結構的臨近桿件組元在屈曲變形過程中發(fā)生接觸, 并改變點陣結構桿件組元的變形和承載模式、增強點陣結構的承載能力, 實現(xiàn)點陣結構比強度、比剛度和吸能能力的顯著增強(Vangelatos et al. 2019, Vangelatos et al. 2020a). 如圖3(g)所示, 研究人員設計了具有非共格晶界的二維多晶點陣超結構, 可以將傳統(tǒng)周期性排布點陣結構的主剪切帶分散為多晶結構內(nèi)部的多條局部剪切帶, 實現(xiàn)剪切帶密度的定制化和可編程, 進而可以調(diào)控點陣超結構在壓縮過程中的局部變形模式和失效剪切帶分布規(guī)律,實現(xiàn)了點陣超結構的平臺應力和吸能效率大幅提升(Li W et al. 2021). 如圖3(h) 所示, 通過利用結構中心對稱性和準晶拓撲構型, 可以設計出具有各向同性特性的輕質(zhì)高強準晶點陣結構, 并可以通過參數(shù)化優(yōu)化方法實現(xiàn)點陣結構比強度、比剛度的顯著提升(Wang & Sigmund 2020,Somera et al. 2022).

如圖6 所示, 在合金微結構變形力學行為和失效破壞機理方面, 主要有: 結構相變、位錯滑移系開動、剪切帶形成和演化(Peirce et al. 1982)、高速沖擊下熱力耦合形成的絕熱剪切帶(Guo Y et al. 2019)、位錯-夾雜相互作用的Orowan 機制(Roberts 1949, Queyreau et al. 2010,Bacon et al. 1973, Kombaiah et al. 2015)、位錯的點缺陷釘扎機制, 位錯在晶界處堆積強化效應,位錯-晶界相互作用; 孔洞生長演化、孔洞貫穿(Benzerga & Leblond 2010); 裂紋沿晶斷裂和穿晶斷裂等. 這些微尺度的材料變形行為和失效機制對于新型點陣結構的力學設計具有重要借鑒意義, 可以為新型點陣結構的力學性能、變形模式和失效機理研究提供重要啟發(fā).

圖6多晶體微結構失效經(jīng)典機制. (a) 晶格相變變形, (b) 位錯滑移系開動, (c) 孿晶界面的形成,(d) 剪切滑移帶的形成, (e) 高應變率載荷下的絕熱剪切帶, (f) 位錯-夾雜物相互作用Orowan 機制, (g) 位錯-晶界相互作用, (h) 孔洞生長演化和貫穿, (i) 沿晶界/穿晶裂紋擴展

圖7點陣結構中的典型結構缺陷效應. (a) 夾雜物-失效滑移帶相互作用Orowan 機制, (b) 硬點陣結構夾雜物增強軟基體點陣結構, (c) 孔洞生長演化和貫穿, (d) 弱缺陷對應的桿件缺失和孔洞效應, (e) 隨機桿件缺失效應

如圖7(a) 所示, 受冶金學領域的位錯-夾雜物相互作用過程中位錯運動攀爬繞行的Orowan 機制的啟發(fā), 研究人員通過在軟基體點陣結構中引入增強型點陣結構夾雜物彌散相, 可以實現(xiàn)軟基體點陣結構的強化; 并分析比較冶金學中基于阻礙位錯運動的夾雜物硬化原理與點陣結構材料中硬點陣結構夾雜物的結構強化機理的相似性和差異性(Lu Z et al. 2020). 如圖7(b)所示, 研究人員系統(tǒng)研究了由脆性基體材料制備的異質(zhì)多相復合點陣結構中大角度、非共格相界對結構吸能特性的影響規(guī)律, 研究發(fā)現(xiàn): 由于非共格相界的存在, 點陣結構的初始屈服應力明顯下降; 但是晶界的存在有效抑制了局部剪切失效帶的持續(xù)快速擴展, 阻止了整個點陣結構的脆性斷裂失效, 晶界的存在可以將脆性點陣結構的吸能能力提升近7 倍. 通過模仿鎳基高溫合金微結構中相界特征, 在軟點陣結構基體中設計出具有增強效應的異質(zhì)點陣結構夾雜相, 可以實現(xiàn)點陣超結構在壓縮過程中力學性能的增強, 發(fā)現(xiàn)剪切帶會在夾雜相界面發(fā)生彎曲繞行, 非常類似于晶體學中的位錯繞行夾雜物的Orowan 機制, 所設計的含有異質(zhì)點陣結構夾雜增強相的復合點陣結構的強度與夾雜增強相的強度、空間間距成比例(Pham et al. 2019). 如圖7(c)所示, 類似于合金材料的孔洞生長、貫穿失效過程, 可以在周期性點陣結構中引入不同大小、不同空間取向、不同拓撲分布特征的孔洞缺陷, 可以實現(xiàn)點陣超結構在拉伸過程中的裂紋擴展路徑調(diào)控, 以及壓縮過程中局部失效帶演化過程的調(diào)控(Bhuwal et al. 2021). 圖7(d) 顯示了典型桿件缺失、胞元缺失形成的空位型、空洞型缺陷對點陣超結構力學性能的影響(Vangelatos et al. 2020a). 圖7(e)顯示了考慮點陣超結構內(nèi)部典型結構缺陷特征的多尺度計算分析模型, 空間隨機分布桿件缺失對于點陣超結構力學性能的影響, 以及點陣超結構強度和剛度的結構缺陷敏感性(Latture et al.2019).

2.3 雙相合金微結構啟發(fā)的雙相復合點陣結構設計

在高性能合金結構材料微結構設計方面, 雙相組分材料的多尺度微結構設計在提升材料的強度、斷裂韌性、沖擊吸能力學性能方面發(fā)揮著極為重要的作用. 雙相合金材料可以通過異質(zhì)材料界面設計實現(xiàn)位錯滑移系調(diào)控, 利用位錯-相界面相互作用實現(xiàn)綜合力學性能提升. 圖8(a)展示了具有共格、非共格、半共格相界特征的雙相合金典型界面模型; 圖8(b)展示了具有γ/γ′雙相復合結構特征的高溫鎳基合金筏化微結構, 能夠?qū)崿F(xiàn)高溫強度、韌性和抗蠕變性能的協(xié)同提升; 圖8(c) 展示了具有逐層交錯排布的納米多層薄膜雙相復合結構, 具有優(yōu)異的韌性和極端環(huán)境抗輻照性能(Beyerlein et al. 2013); 圖8(d)展示了納米雙相復合超強合金的微結構, 研究人員通過磁控濺射法將直徑約6 nm 的MgCu2晶粒均勻地嵌入約2 nm 厚的富含鎂的無定形基體材料中獲得具有非晶/納米晶雙相結構的鎂基超納尺寸雙相玻璃晶, 所制備的納米雙相復合材料充分結合并增強納米晶體材料與非晶納米材料的優(yōu)勢, 強度近乎理論預測的理想極限3.3 GPa.同時, 研究者提出了一種新的強化機制: 通過在無定形基體中夾雜直徑約6 nm 的無位錯納米晶粒, 可以阻止局部剪切帶的快速直線傳播, 實現(xiàn)傳統(tǒng)合金材料的主失效剪切帶的均勻分散和多尺度細化, 并結合納米晶粒的晶粒二次細化和晶粒旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)協(xié)同變形, 有利于材料強化和抑制剪切帶(Ge W et al. 2017); 圖8(e)展示了粗晶顆粒夾雜在細晶粒基體中形成的跨尺度雙相異質(zhì)復合微結構, 可以實現(xiàn)結構的強度和韌性的大幅提升, 所制備的雙相異質(zhì)結構合金不僅具有超細晶結構的高強度, 同時具有傳統(tǒng)粗晶的較大拉伸塑性. 這種“軟-硬”層片微結構具有很大的加工硬化能力, 甚至超過粗晶結構. 雖然“軟”層片的體積分數(shù)達到了25%, 材料整體強度仍可達到超細晶的強度(Wu X et al. 2015). 圖8(f)展示了高強雙相鋼的奧氏體/馬氏體雙相復合微結構特征, 可以實現(xiàn)強化相和韌性軟基體的變形協(xié)同, 實現(xiàn)強度-韌性的協(xié)同設計.

圖8具有雙向微結構特征的高性能雙相合金材料多尺度微結構設計. (a) 雙相合金異質(zhì)結構界面模型, (b) 鎳基單晶筏化微結構, (c) 納米雙相復合多層結構, (d) 納米顆粒夾雜無定形基體形成的納米雙相剛, (e) 強韌一體化跨尺度異質(zhì)結構, (f) 具有奧氏體/馬氏體雙相復合微結構特征的高強鋼

圖9雙相結構的分類

受高性能雙相合金微結構的啟發(fā), 研究人員設計了不同類型的雙相復合結構, 可以實現(xiàn)點陣超結構的力學性能提升, 比如強度、剛度、斷裂韌性、沖擊吸能特性等. 如圖9 所示, 根據(jù)幾何特征和變形模式, 雙相復合點陣超結構可以分為如下類型: 點陣胞元的桿件組元內(nèi)采用異質(zhì)層狀復合結構形成多層級點陣超結構(Yu W et al. 2021)、點陣結構胞內(nèi)不同空間取向的桿件組元采用異質(zhì)材料(Tankasala & Fleck 2019)、點陣胞元內(nèi)部采用板-桿混雜異質(zhì)結構(Zadpoor 2020,Torres et al. 2019)、異質(zhì)點陣結構胞元在同一空間內(nèi)并聯(lián)形成增強型復合點陣超結構(Tancogne-Dejean & Mohr 2018b)、異質(zhì)點陣結構跨尺度并聯(lián)復合(Xue R et al. 2020)、異質(zhì)點陣結構胞元分層交錯串聯(lián)復合(Traxel et al. 2021)、硬點陣結構夾雜增強相彌散在軟點陣結構基體形成的夾雜增強復合點陣結構(Yin S et al. 2021)、相同類型點陣結構胞元隔層采用異質(zhì)材料制備的異質(zhì)材料復合結構(Xiao R et al. 2021)、基于點陣結構填充薄壁結構的復合結構設計(Hu L et al. 2021)、聚氨酯樹脂基體填充點陣結構(Li X et al. 2020)、異質(zhì)點陣結構胞元互穿形成的復合點陣結構(White et al. 2020)、基于點陣結構構型突變的相變點陣結構(Zhao Z et al.2019)等.

研究人員提出基于快速傅里葉變換的點陣結構力學性能均勻化分析方法, 能夠得到點陣結構的等效力學特性. 有限元數(shù)值分析結果表明: 具有三重周期性最小曲面 (如diamond, gyroid,Neovius 和Schwarz P 胞元) 點陣結構的體積模量可以接近復合材料Hashin-Shtrikman 準則上限. 然而, 這些最小曲面點陣結構胞元的高楊氏模量是以低剪切模量為代價獲得的, 反之亦然.楊氏模量和剪切模量之間的矛盾表明, 可以將兩種力學性能互補的異質(zhì)點陣結構胞元 (楊氏模量高剪切模量低、楊氏模量高剪切模量低) 組合起來形成復合點陣結構, 通過性能優(yōu)勢互補的設計策略實現(xiàn)同時具有高楊氏模量, 高剪切模量和高體積模量的理想各向同性點陣結構(Chen Z et al. 2019). 受到Al-Si 雙相復合合金微結構的啟發(fā), 研究人員開發(fā)出異質(zhì)材料填充式復合點陣結構(Yang J et al. 2021). 與常規(guī)周期性點陣結構相比, 新型填充式點陣結構的單位體積能量吸收和比吸能性能指標分別提高了32.8%和38.3%. 研究人員設計并采用3D 打印技術制備包含多晶界面的異質(zhì)點陣結構復合形成的多晶點陣超結構, 發(fā)現(xiàn)多晶點陣超結構形成的失效剪切帶在孿晶邊界兩側(cè)是對稱的, 這證實了孿晶超點陣結構中的剪切帶行為與冶金學上的晶體孿晶中的滑動行為相似. 多晶點陣超結構晶界兩側(cè)不同空間取向可以有效地抑制失效剪切帶的傳播, 且點陣超結構的屈服強度隨著點陣超結構的尺寸減小而顯著增大, 表現(xiàn)出類似于納米晶體的Hall-Petch 尺寸效應(Pham et al. 2019). 研究人員設計具有逐行/列交錯排布的異質(zhì)點陣結構胞元,并開展壓縮吸能特性和失效機理研究, 結果表明: 逐行排布的BCC 和FCC 胞元交錯堆疊設計策略對于失效剪切帶的抑制效果顯著, 能夠?qū)⒅芷谛耘挪键c陣結構的剪切帶失效模式轉(zhuǎn)化為逐層失效的漸進破壞模式, 大幅提升結構的吸能能力和結構效率. 點陣結構逐列交錯排布設計中較弱的點陣列容易產(chǎn)生屈曲失效, 也較容易形成失效剪切帶模式, 力學性能不如逐行交錯排布(Lei H et al. 2021). 研究人員設計了相互穿梭交錯互鎖的雙相復合點陣結構, 其中不同胞元的組元桿件完全沒有彼此連接, 通過利用壓縮過程中桿件之間的相互接觸實現(xiàn)改變桿件組元的受力狀態(tài)、承載能力和變形模式, 可以顯著提升復合結構的整體吸能能力(White et al. 2020). 自然界中的承載結構材料通常是以復合材料形態(tài)存在的, 通過精致的復合結構設計實現(xiàn)卓越的多功能一體化力學性能. 受生物結構材料和工程合金結構材料中觀察到的夾雜相硬化機制的啟發(fā), 研究人員通過利用力學性能有明顯的差異的軟、硬點陣結構分別作為基體和增強相用于設計雙相復合點陣結構. 通過合理軟/硬點陣結構的拓撲排布設計, 可以實現(xiàn)剛度、強度、韌性和比吸能等力學性能指標的顯著提升; 進一步通過充分利用軟基體中硬夾雜的相界滑移能量耗散機制, 可以設計出具有最大滑移面積的力學性能優(yōu)異的雙相復合點陣超結構, 其中軟基體點陣結構相中的每個側(cè)面完全被硬夾雜點陣結構增強相包圍, 這種夾雜增強型復合點陣結構表現(xiàn)出優(yōu)異的比吸能指標, 是軟基體點陣結構的約2.5 倍(Yin S et al. 2021). 研究人員受鎳基超級合金γ/γ′超晶格的筏化微結構啟發(fā), 并結合金夾雜相強化機制, 提出多層級微點陣超材料設計方法: 通過將OCT 單元作為第二相強化點陣結構引入BCC 點陣結構基體中, 并沿著45fl對角平面取向排布, 可以得到力學性能優(yōu)異的OCT-BCC 雙相點陣超結構. 與原始BCC 點陣超結構相比, 該OCT-BCC 雙相點陣超結構沿水平方向和縱向的壓縮比強度顯著增大300%和600%, 剛度和能量吸收能力也得到顯著提高(Xiao R et al. 2021). 研究人員設計并制備了具有不同尺度的周期性板狀點陣結構胞元, 并通過結構復合實現(xiàn)失效剪切帶的有效抑制, 在一定程度上提升了點陣超結構的比強度、比剛度和吸能特性(Xue R et al. 2020). 研究人員開展了基于貝葉斯優(yōu)化的多相異質(zhì)復合點陣結構設計, 可以實現(xiàn)復合點陣結構應變能密度大幅提升(Vangelatos et al. 2021). 受到密質(zhì)骨內(nèi)部軟硬相復合材料強韌化機制的啟發(fā), 研究人員設計了具有軟硬多層結構交錯排布特征的點陣結構桿件組元, 并構筑立方點陣結構胞元, 這種由軟硬相復合制備的多尺度點陣結構的吸能特性得到顯著提升(Yu W et al. 2021). 研究人員設計了具有空間互補的復合點陣結構, 分別采用八角點陣、最小曲面點陣、三角函數(shù)構型點陣結構作為增強相點陣結構骨架, 并用軟聚合物材料相去填充三類點陣結構骨架, 發(fā)現(xiàn)軟硬復合填充式點陣結構在壓縮過程中表現(xiàn)出更少的整體突然破壞和更優(yōu)異的損傷破壞容限, 在壓縮高應變密實化增強階段表現(xiàn)出顯著的吸能性能優(yōu)勢, 可以實現(xiàn)高剛度、高強度以及更為平穩(wěn)的壓潰應力平臺段, 且密實化應變有所提升(Zhang Y et al.2021). 研究人員提出了基于韌性桿件和脆性桿件沿著不同空間取向混雜構筑的異質(zhì)點陣結構胞元, 可以大幅提升脆性點陣結構的斷裂韌性和缺陷不敏感特性(Tankasala & Fleck 2019). 研究人員提出基體填充點陣結構骨架形成的復合點陣結構, 可以顯著增強點陣結構骨架的壓縮吸能特性, 并能通過基體-桿件組元界面的相互作用改變桿件組元的失效模式, 實現(xiàn)填充式復合點陣結構的應變能分散, 進而提升復合點陣結構的整體力學性能(Li X et al. 2020).

2.4 孿晶點結構設計

通常, 強度和韌性是傳統(tǒng)結構材料的力學性能固有矛盾, 魚和熊掌不可兼得. 在彈性階段,強度越高的材料需要更小的截面積來承受相同的外部載荷; 韌性越好, 材料變形過程中吸收的能量越多. 如何設計材料多尺度微結構, 并激活所希望的變形機理和耗能模式, 實現(xiàn)強度與韌性兩者兼得, 具有重要科學意義. 最近幾年, 孿晶鋼 (TWIP) 表現(xiàn)出優(yōu)異的強度和韌性, 可以在事故過程中將大量的沖擊能量耗散在材料變形過程中, 具有廣泛的應用潛力. 研究人員進一步開展具有梯度多級次孿晶結構鋼的多尺度微結構設計和制備, 通過預加的扭轉(zhuǎn)變形在孿晶鋼中實現(xiàn)孿晶密度梯度, 大幅度提升孿晶鋼材料的強度且不損失拉伸韌性.

研究人員受到孿晶、梯度孿晶、多層級孿晶和梯度多層級孿晶微結構的啟發(fā), 系統(tǒng)開展孿晶力學超結構 (常規(guī)孿晶、梯度孿晶 (孿晶間距梯度、孿晶界面夾角梯度) 、多層級孿晶, 雙相合金孿晶等) 的參數(shù)化設計(Wu W et al. 2022), 并通過利用面投影立體光刻3D 打印制備技術和原位拉伸、壓縮、三點彎力學實驗測試方法, 研究了孿晶角度、孿晶間距與點陣超結構比強度之間的關聯(lián)關系. 針對傳統(tǒng)拉伸主導型點陣超結構存在吸能效率較低、彎曲主導型點陣超結構存在平臺應力水平低下等固有力學性能局限, 通過孿晶力學超結構設計可以在維持較高平臺應力的同時, 大幅提高拉伸主導型點陣結構的吸能效率 (從60%左右提升到95%以上) , 協(xié)同發(fā)揮拉伸主導型點陣和彎曲主導型點陣的優(yōu)勢, 并保持拉伸主導型點陣的強度和斷裂韌性; 此外,通過改變孿晶點陣超結構的孿晶間距、孿晶角度, 首次在宏觀尺度孿晶力學結構中發(fā)現(xiàn)Hall-Petch 效應, 也首次發(fā)現(xiàn)了逆尺寸效應, 實現(xiàn)點陣結構的“吸能效率、結構強度、斷裂韌性”等三類力學性能的協(xié)同優(yōu)化設計, 如圖10 所示.

2.5 功能梯度微結構啟發(fā)的點陣結構設計

功能梯度微結構設計在提升生物結構材料、合金結構材料力學性能方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢.研究人員開發(fā)出許多類型的功能梯度材料(Saleh et al. 2020), 比如: 晶粒尺寸密度梯度、位錯密度梯度、孿晶密度分布、固溶原子濃度梯度、夾雜二次相尺寸和密度梯度、多類型混合梯度等. 此外, 在結構梯度設計方面, 合金微結構設計可以分為: 晶粒尺寸梯度、孿晶厚度梯度、疊層結構的層厚梯度、柱狀晶的尺寸梯度等類型(盧柯等 2015).

圖10孿晶微結構啟發(fā)的力學結構設計 (孿晶寬度、孿晶角度、梯度孿晶角度、梯度孿晶寬度、多級次孿晶、多級次梯度孿晶) 、壓縮吸能特性、孿晶力學超結構強度的尺寸效應和逆尺寸效應(Wu W et al. 2022). (a) 均勻尺寸設計, (b) 功能梯度設計, (c) 多層級設計, (d) 單軸拉伸力學實驗樣品, (e) 均勻尺寸設計、功能梯度設計壓縮吸能曲線對比, (f) 尺寸效應(Hall-Petch effects),(g) 逆尺寸效應(inverse Hall-Petch effects)

受生物結構材料和合金微結構的梯度幾何特征啟發(fā), 研究人員設計出不同類型的梯度點陣結構, 并開展了相關力學性能研究, 發(fā)現(xiàn)梯度結構設計可以有效抑制局部剪切帶失效的形成和擴展, 降低動態(tài)沖擊載荷下的峰值應力, 維持較高的平臺應力和可調(diào)控的應變硬化特性, 提升結構的整體吸能效果和吸能效率. 此外, 合理的梯度設計還可以調(diào)控裂紋傳播過程, 實現(xiàn)斷裂韌性的增加. 如圖11, 根據(jù)結構組元幾何特征, 功能梯度點陣超結構設計可以分為: 節(jié)點連續(xù)的桿件截面積梯度(Chen W et al. 2018)、節(jié)點不連續(xù)分層梯度(Yue W et al. 2021)、二維點陣結構單向和雙向梯度(Niknam & Akbarzadeh 2020)、三維點陣結構單向和雙向梯度(Rafiee et al. 2020)、節(jié)點半徑梯度設計(Alghamdi et al. 2020)、基于制造工藝和材料梯度特征的性能梯度設計(Zhang J et al. 2020b)、孔隙率梯度結構設計(Dalia & Mohamed 2017)、具有二階非線性梯度效應的功能梯度結構設計(Weeger 2021)、共形梯度拓撲優(yōu)化點陣結構設計(Li D et al. 2019)、具有手性結構特征的功能梯度結構設計(Wu W et al. 2019)、桿件組元具有功能梯度結構特征的多層級點陣結構設計(Mueller & Shea 2018)等.

2.6 多層級微結構啟發(fā)的點陣結構設計

圖11功能梯度點陣結構設計策略. (a) 節(jié)點連續(xù)的桿件截面積梯度(Chen W et al. 2018), (b) 節(jié)點不連續(xù)分層梯度(Yue W et al. 2021), (c) 二維點陣結構單向和雙向梯度(Niknam & Akbarzadeh 2020), (d) 三維點陣結構單向和雙向梯度(Rafiee et al. 2020), (e) 節(jié)點半徑梯度設計(Alghamdi et al. 2020), (f) 基于制造工藝和材料梯度特征的性能梯度設計(Zhang J et al. 2020b), (g) 孔隙率梯度結構設計(Dalia & Mohamed 2017), (h) 具有二階非線性梯度效應的功能梯度結構設計(Weeger 2021), (i) 共形梯度拓撲優(yōu)化點陣結構設計(Li D et al. 2019), (j) 具有手性結構特征的功能梯度結構設計(Wu W et al. 2019), (k) 桿件組元具有梯度結構特征的多層級點陣結構設計(Mueller & Shea 2018)

在生物結構材料 (木材、竹子、骨骼、貝殼等) 和合金結構材料中, 多層級微結構普遍存在,在克服“強度和韌性”之間固有矛盾方面發(fā)揮極為重要作用. 類似地, 點陣結構可以分別通過桿件、節(jié)點的多層級結構設計, 實現(xiàn)點陣結構的比強度、比剛度、斷裂韌性、沖擊吸能能力的顯著提升. 如圖12 所示, 同晶體多尺度多層級微結構設計類似, 典型的多層級點陣結構設計主要包括:胞元桿件多層級(Chen Y & Jin 2018, Jnha et al. 2021)、節(jié)點多層級(Yu Z et al. 2021)、高剛度負泊松比多層級(Khakalo et al. 2018)、最小曲面無節(jié)點胞元并發(fā)多尺度多層級(Zhang L et al.2021)、胞元節(jié)點-桿件并發(fā)異質(zhì)結構多層級(Wu et al. 2017)、梯度多層級結構(Taylor et al.2012)、雙曲型多層級(Kollar et al. 2019)、胞元填充多層級(Taylor 2012)、套娃多層級(Pang Y et al. 2019)、分形多層級(Oftadeh et al. 2014)、微納米多層級(Chang Q et al. 2021)等.

2.7 相變點陣結構設計

圖12多層級點陣結構設計分類. (a) 胞元桿件多層級(Chen & Jin 2018, Jnha et al. 2021), (b) 節(jié)點多層級(Yu Z et al. 2021), (c) 高剛度負泊松比多層級(Khakalo et al. 2018), (d) 最小曲面無節(jié)點胞元并發(fā)多尺度多層級(Zhang L et al. 2021), (e) 胞元節(jié)點-桿件并發(fā)異質(zhì)結構多層級(Wu et al.2017), (f) 梯度多層級結構(Taylor et al. 2012), (g) 雙曲型多層級(Kollar et al. 2019), (h) 胞元填充多層級(Taylor 2012), (i) 套娃多層級(Pang Y et al. 2019), (j) 分形多層級(Oftadeh et al.2014), (k) 微納米多層級(Chang Q et al. 2021)

近年來, 具有結構相變特征的點陣結構得到廣泛關注和深入研究, 可以滿足一些特殊服役環(huán)境下的結構承載和多功能一體化性能需求, 在沖擊吸能、減震降噪、智能變體結構狀態(tài)可逆切換, 傳感和執(zhí)行器等方面具有廣泛的應用潛力. 如圖13 所示, 具有結構相變特征的點陣胞元在變形過程中可以實現(xiàn)不同點陣結構胞元類型之間的構型切換, 主要通過結構組元的彈性屈曲、失穩(wěn)、接觸等模式實現(xiàn)結構可逆相變, 并且能夠在外部載荷下實現(xiàn)兩種點陣結構構型之間的相互轉(zhuǎn)化, 從而滿足不同服役環(huán)境的多功能性能需求. 研究人員采用超彈性基體材料制備的周期性角點增強型點陣結構胞元的桿件組元會發(fā)生失穩(wěn), 通過節(jié)點旋轉(zhuǎn)形成具有手性結構特征的負泊松比點陣結構胞元, 形成結構多穩(wěn)態(tài)效應(Bertoldi et al. 2008). 由雙材料點陣結構的桿件組成的手性點陣結構胞元在外部靜水壓作用下會發(fā)生彈性屈曲失穩(wěn), 導致點陣結構胞元發(fā)生結構相變(Chen & Jin 2018). 通過仿照伊斯蘭圖案可以制備具有多穩(wěn)態(tài)效應的負泊松比點陣結構胞元, 局部的個別點陣結構胞元發(fā)生相變并促發(fā)相鄰的點陣結構胞元發(fā)生相變, 類似于骨牌一樣將結構相變擴展到整個結構中(Khajehtourian et al. 2020). 通過節(jié)點精巧旋轉(zhuǎn)彈簧和整體波浪形結構設計, 可以通過結構熱變形實現(xiàn)具有負泊松比、負熱膨脹系數(shù)多功能特性的相變點陣結構(Yue W et al. 2021). 開展多穩(wěn)態(tài)點陣結構胞元設計實現(xiàn)結構相變, 通過變剛度、負剛度等功能實現(xiàn)拉壓循環(huán)過程中機械能量耗散, 可用于可重復使用結構吸能裝置(Restrepo et al. 2015). 通過在超彈性基體材料中設計具有周期性排布的孔洞缺陷, 可以實現(xiàn)三種不同結構圖案之間的切換, 每種結構胞元具有不同的剛度和力學性能(Yang D et al. 2015). 研究人員提出通過調(diào)控節(jié)點接觸狀態(tài)實現(xiàn)節(jié)點Maxwell 數(shù)變化的相變點陣結構, 可以通過接觸狀態(tài)的力學設計和調(diào)控實現(xiàn)拉伸主導型和彎曲主導型點陣結構的構型切換(Wagner et al. 2019). 通過桿件屈曲、自接觸實現(xiàn)結構相變和功能調(diào)控的新型孿晶點陣結構, 可以實現(xiàn)壓縮吸能性能調(diào)控(Vangelatos et al. 2020b). 研究人員設計出具有節(jié)點旋轉(zhuǎn)效應的矩形四韌帶反手性結構和六韌帶手性結構, 這些手性結構胞元在壓縮過程中會發(fā)生整排點陣結構胞元側(cè)向失穩(wěn)和胞元內(nèi)的局部桿件組元屈曲失穩(wěn), 形成平行四邊形構型的四韌帶反手性點陣結構和三韌帶手性點陣結構, 實現(xiàn)變剛度、多剛度力學行為(Hector et al. 2019).

圖13具有結構相變特征的點陣結構 (a) 基于超彈性材料桿件失穩(wěn)的點陣結構相變(Bertoldi et al.2008); (b) 靜水壓環(huán)境下的多材料組元復合點陣結構相變(Chen & Jin 2018); (c) 伊斯蘭圖案啟發(fā)的基于結構組元多穩(wěn)態(tài)變形效應的多穩(wěn)態(tài)點陣結構機械超材料(Khajehtourian et al. 2020);(d) 基于螺旋形節(jié)點實現(xiàn)往復折疊波浪形特征的負泊松比、負熱膨脹效應相變機械超材料(Yue W et al. 2021); (e) 具有變剛度、負剛度特征的相變點陣結構(Restrepo et al. 2015); (f) 孔洞結構缺陷拓撲構型引導的結構相變(Yang D et al. 2015); (g) 基于節(jié)點接觸狀態(tài)的有無實現(xiàn)拉伸主導型和彎曲主導型點陣結構構型切換的相變點陣超結構(Wagner et al. 2019); (h) 基于變形過程中桿件組元接觸引起的變形模式轉(zhuǎn)換的相變孿晶點陣超結構(Vangelatos et al. 2020b); (i) 通過壓縮過程中的手性點陣結構胞元構型切換 (長方形和平行四邊形, 三角形和平行四邊形) 實現(xiàn)結構相變的相變手性超結構(Hector et al. 2019)

2.8 點陣結構的幾何缺陷特征設計

圖14點陣結構的缺陷不敏感性. (a) 具有馬鞍狀的二維網(wǎng)狀點陣結構的孔洞結構缺陷不敏感力學設計(Liu J et al. 2021); (b) 具有螺旋形的三維微觀結構的仿生點陣結構的缺陷不敏感設計, 并進一步通過磁控濺射導電納米金屬涂層實現(xiàn)電阻率的缺陷不敏感(Yan D et al. 2020); (c) 具有有聚合物涂層的復合陶瓷點陣結構強韌化、缺陷不敏感設計及制造(Sajadi et al. 2021); (d) 基于高熵合金納米涂層涂覆高彈性聚合物納米點陣結構實現(xiàn)強韌化和結構缺陷不敏感(Zhang X et al. 2018); (e) 基于高溫熱解碳技術制備納米點陣結構的缺陷不敏感特性(Zhang X et al. 2019);(f) 基于脆性材料的點陣結構彈性模量的結構缺陷不敏感, 并通過空洞附近區(qū)域的局部增強設計來優(yōu)化器缺陷不敏感特性和延展性(Jian L et al. 2019)

隨著生物電子器件的迅速發(fā)展, 設計出能夠精確地再現(xiàn)人體組織/器官的非線性力學行為和變形能力的結構得到越來越多的重視, 設計并制造出具有孔洞缺陷不敏感的結構對于生物醫(yī)用材料的功能集成和結構可靠性極為重要. 如圖14(a) , 研究人員開展了具有馬鞍狀的二維網(wǎng)狀點陣結構的力學設計, 并研究網(wǎng)狀點陣結構的胞元幾何形狀對孔洞缺陷不敏感性的影響規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的直桿完美蜂窩結構相比, 具有馬蹄形微觀結構的三角形和Kagome 蜂窩軟網(wǎng)狀點陣結構材料可以顯著增強網(wǎng)狀點陣結構在拉伸大變形條件下的孔洞結構缺陷的不敏感性(Liu J et al.2021b). 如圖14(b) , 很多軟質(zhì)生物組織都體現(xiàn)出一種J 形的應力應變響應行為, 這與其微結構由彎曲主導向拉伸主導模式轉(zhuǎn)變的力學機制緊密相關. 研究人員以三維螺旋微結構為基本單元并通過不同空間拓撲排布構造出一類具有結構缺陷不敏感特性的仿生軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料, 可精確復現(xiàn)生物組織的各向異性非線性力學響應; 通過微結構幾何參數(shù)的優(yōu)化設計可實現(xiàn)對材料J形應力應變曲線的大范圍調(diào)控, 并發(fā)現(xiàn)此類三維網(wǎng)狀點陣結構對典型結構缺陷的力學響應和力學行為影響規(guī)律, 證實了結構具有較強的缺陷不敏感性(Yan D et al. 2020). 如圖14(c), 通過借鑒仿生軟硬復合材料設計理念, 采用共形涂層制備工藝制備出帶有聚合物涂層的復合陶瓷點陣結構, 克服“強度和韌性”固有矛盾(Sajadi et al. 2021). 如圖14(d) , 現(xiàn)有的微納米點陣材料的強度與可恢復性之間存在著相互約束, 即高強度的點陣材料通常表現(xiàn)為脆性, 而可恢復性能好的點陣材料的強度較低. 研究人員采用先進的納米尺度增材制造技術直接打印高彈性聚合物材料組成的納米點陣結構, 然后通過磁控濺射手段將具有高強度的高熵合金材料均勻鍍層在聚合物骨架的表面, 實現(xiàn)強度和韌性的“魚和熊掌兼得” “1+1 ＞ 2”的優(yōu)異力學性能(Zhang X et al. 2018).如圖14(e) , 清華大學李曉雁教授采用“雙光子光刻-高溫熱解”兩步法制備獲得了Octet 型和Iso 型兩類熱解碳納米點陣, 并具有超高的強度和比強度以及奇特的缺陷不敏感性(Zhang X et al. 2019). 如圖14(f) , 研究人員研究了由脆性材料制備的不完美軟網(wǎng)絡點陣結構的拉伸性和彈性模量, 發(fā)現(xiàn)當缺陷的實際形狀是對稱的幾何構型, 且沿拉伸方向的投影長度比沿橫向的投影長度長時, 結構缺陷對軟網(wǎng)絡材料的拉伸性和彈性模量的影響不敏感, 可以通過空洞附近區(qū)域的局部增強設計來優(yōu)化器缺陷不敏感特性和延展性(Jian L et al. 2019).

韌性是指材料在塑性變形和斷裂過程中能量吸收能力. 高強韌性材料中的普遍特點是: 除了在微納結構上采用硬材料提供足夠的強度外, 還要通過抑制非彈性變形來降低局部高應力集中度. 首先, 在微納尺度通過金屬及合金材料的位錯滑移、剪切帶變形, 骨骼中的納米纖維滑移和海貝礦物層滑移等內(nèi)在增韌機制; 其次, 在介觀尺度進一步結合裂紋轉(zhuǎn)向和裂紋橋聯(lián)等外在增韌機制抑制宏觀裂紋的失穩(wěn)擴展. 內(nèi)在增韌機制貢獻了裂紋的初始韌性, 外在的機制貢獻了裂紋的擴展韌性, 這些都是合金結構材料和生物結構材料強韌化設計的核心特點. 研究人員通過引入具有圖案化分布特征的貫穿裂紋, 可以實現(xiàn)類似于剪紙?zhí)卣鞯慕Y構化納米復合材料, 可以大幅提升其可拉伸變形能力(Shyu et al. 2015). 研究人員系統(tǒng)研究了螺旋堆垛纖維中制造孔洞分布規(guī)律對其斷裂韌性的影響規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)不同纖維堆垛層之間孔洞的存在會觸發(fā)局部的塑性變形, 并通過制造工藝引起的孔洞生長演化、孔洞貫穿等實現(xiàn)機械能消耗, 釋放裂紋尖端應力場、引導裂紋的偏折方向, 通過其界面工程設計進一步實現(xiàn)裂紋的偏折和引導, 通過這種多尺度的制造孔洞缺陷和人為設計缺陷, 可以大幅提升旋轉(zhuǎn)堆垛纖維增強仿生螺旋復合結構的斷裂韌性, 實現(xiàn)孔洞缺陷和螺旋形仿生堆垛纖維增強結構的斷裂韌性的協(xié)同增強(Yin S et al. 2020). 研究人員通過將空隙缺陷分散到有機硅彈性體基體中形成”孔洞”夾雜復合材料, 可以通過產(chǎn)生伸長的、互連的分布孔洞和離散球形氣泡, 可以引導裂縫沿著曲折復雜路徑擴展并消耗更多機械能量, 顯著提升材料的能量耗散能力、變形能力和承載能力(Lee S et al. 2020). 研究人員使用螺旋鋪層增材制造技術生成螺旋狀微孔洞空間分布拓撲形態(tài), 其中每層相對于前一層發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn), 由此產(chǎn)生的螺旋缺陷分布可以在斷裂過程中引導裂紋尖端的應力場和裂紋擴展路徑并增強材料的抗斷裂阻抗(Mo C & Raney 2019). 人工合成復合材料的韌性主要是通過各種能量耗散技術增加裂紋尖端附近的能量耗散來實現(xiàn)的. 生物材料則是通過將多尺度的能量耗散與裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋擴展過程中裂紋尖端鈍化能力相聯(lián)系, 表現(xiàn)出極高的韌性. 研究人員開展了由可變形液態(tài)金屬顆粒增強彈性體基體的復合結構設計, 通過在軟彈性體中嵌入微米級高度可變形液態(tài)金屬液滴懸浮液, 該復合結構通過多類型協(xié)同增韌機制, 實現(xiàn)斷裂韌性提升50 倍; 這種極端超常增韌機理主要是通過增加能量耗散、自適應裂紋擴展和有效消除裂紋尖端的應力集中協(xié)同實現(xiàn), 其韌性性能提升源于可變形液態(tài)金屬顆粒夾雜物在加載過程中的可變形性, 不僅可以防止裂紋的產(chǎn)生, 還可以阻止裂紋在超韌軟基體材料中的傳播(Kazem et al. 2018). 受木材年輪形成的雙相復合蜂窩結構、維管束/基體異質(zhì)復合結構拓撲形態(tài)的啟發(fā), 研究人員提出基于異質(zhì)點陣結構弱夾雜的裂紋擴展路徑引導的力學設計方法, 可以通過臨近異質(zhì)點陣結構弱夾雜的貫穿形成復雜裂紋路徑來顯著提升結構的斷裂韌性和在失效過程中的能量耗散能力(Manno et al. 2019). 通過調(diào)控金屬點陣結構裂紋附近的直線型桿件組元, 采用波浪形桿件提升裂紋尖端局部變形能力, 顯著降低裂紋尖端附近的應力集中度并阻礙裂紋擴展, 可以大幅提升結構的斷裂韌性和結構缺陷不敏感度(Li K et al. 2020).

2.9 隨機非周期點陣超結構力學設計

在周期性點陣結構力學設計基礎上, 研究人員進一步開展了點陣桿件空間分布和空間取向具有統(tǒng)計特征的隨機點陣結構胞元, 桿件節(jié)點空間位置、桿件空間取向、桿件粗細和長短等, 甚至桿件隨機缺失等. 結構缺陷的存在會導致剛度和強度的下降, 由于結構隨機不規(guī)則可以抑制剪切帶失效, 吸能和斷裂韌性會有一定程度的改善, 鈍化裂紋尖端并增加裂紋擴展過程中的能量消耗. 傳統(tǒng)的基于周期性晶格拓撲幾何特征和桿、板、殼等基本結構組元的設計理念通常是各向異性的, 基于桿件隨機分布特征的點陣結構設計可以很容易實現(xiàn)各向同性力學性能, 提升結構效率. 如圖15(a)研究人員提出基于九個控制參量的隨機最小曲面點陣結構設計方法, 能夠?qū)崿F(xiàn)各向同性力學性能和整體結構協(xié)同承載和變形匹配, 克服周期性點陣結構的局部剪切帶失效導致的整體承載能力喪失(Oraid et al. 2021). 如圖15(b) , 研究人員開展具有隨機桿件組元幾何特征的無序點陣結構設計, 采用基于結構張量和等效密度協(xié)同調(diào)控的各向異性設計, 并通過周期性排布菱形十二面體結構和對應的隨機點陣結構的至少10 個方向的力學系性能測試結果對比, 來展示隨機點陣結構的力學性能優(yōu)勢(Munford et al. 2020). 如圖15(c), 研究人員采用聚乳酸熔融沉積成型增材制造工藝, 分別沿著不同打印方向制備出周期性點陣結構和隨機點陣結構并測試其斷裂韌性, 發(fā)現(xiàn)隨機點陣設計顯著影響裂紋擴展路徑和斷裂韌性; 不同取向的樣品制造工藝,也會對裂紋傳播路徑和斷裂韌性產(chǎn)生巨大影響(Xu Y et al. 2019). 如圖15(d) , 研究人員系統(tǒng)研究了周期性拉伸主導型、彎曲主導型點陣結構和對應的隨機點陣結構胞元在不同應變率沖擊條件下的動態(tài)吸能和瞬態(tài)沖擊載荷擴散特性, 發(fā)現(xiàn)周期性點陣結構中的應力峰值相對較高, 隨機點陣結構在高應變沖擊環(huán)境下顯示出相對平穩(wěn)的應力響應, 在能量吸收方面展示出巨大優(yōu)勢(Mueller et al. 2019). 如圖15(e) , 鈦合金具有優(yōu)異的生物相容性、抗疲勞、抗腐蝕性能, 是骨移植替代物的最佳材料選項之一; 設計能夠在各向異性、孔隙率、力學性能、相對密度等多個指標和骨骼接近的點陣結構依然具有很大挑戰(zhàn), 與人類小梁和皮質(zhì)骨的天然微觀和介觀多孔結構相對應的Ti-6Al-4V 點陣結構的最佳設計參數(shù)尚不清楚. 通常, 多孔材料的比強度和比模量可以通過Gibson-Ashby 模型進行預測, 研究人員針對具有隨機結構特征的點陣結構建立修正的Gibson-Ashby 模型, 并克服相對密度和強度、剛度之間的高度相關, 實現(xiàn)比剛度 (強度) 、相對密度、各向異性率等參量的相對獨立設計, 從而滿足鈦合金骨移植替代物的實際應用需求, 實現(xiàn)結構、功能一體化協(xié)同設計(Mcgregor et al. 2021). 如圖15(f) , 研究人員針對拉伸主導型周期性點陣結構, 在節(jié)點處引入隨機位移量來生成隨機點陣結構并研究其力學性能, 發(fā)現(xiàn)隨著隨機點陣的不規(guī)則度增加, 結構的變形模式逐漸從拉伸主導型轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鲗忘c陣結構變形模式. 此外, 隨著隨機點陣不規(guī)則度的增加, 周期性點陣結構的經(jīng)典剪切帶失效模式導致的整體結構破壞的模式也漸漸消失, 整個結構會呈現(xiàn)出較為均勻的漸進式破壞(Raghavendra et al. 2021).

圖15具有隨機分布特征的無序點陣結構. (a) 九參數(shù)控制的具有隨機節(jié)點特征和各向異性的桿狀點陣結構、最小曲面點陣結構設計(Oraid et al. 2021); (b) 基于結構張量和等效密度協(xié)同調(diào)控的具有隨機桿件組元空間取向的各向異性點陣結構設計(Munford et al. 2020); (c) 通過隨機點陣結構設計實現(xiàn)裂紋擴展擴展路徑和斷裂韌性提升(Xu Y et al. 2019); (d) 具有桿件組元隨機空間取向特征的拉伸主導型、玩去主導型點陣結構設計及沖擊吸能性能研究(Mueller et al. 2019); (e) 通過模仿骨骼多孔微結構, 設計具有隨機結構特征的點陣結構, 實現(xiàn)比剛度 (強度) 、相對密度、各向異性率的獨立設計, 滿足鈦合金骨移植替代物的實際應用需求(Mcgregor et al. 2021); (f) 通過在點陣結構節(jié)點處引入隨機位移量生成隨機點陣結構, 發(fā)現(xiàn)隨著隨機點陣結構的幾何不規(guī)則度增加, 隨機點陣結構的變形模式逐漸從拉伸主導型轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鲗妥冃文Ｊ?Raghavendra et al. 2021)

3 點陣超結構力學性能調(diào)控

英國皇家工程院院士、固體力學頂級期刊JMPS 前主編Norman Fleck 院士指出: 具有個性化、可定制力學性能的輕質(zhì)點陣結構設計理論對于滿足復雜極端工業(yè)服役環(huán)境的輕質(zhì)結構設計具有重要意義, 是未來點陣結構設計優(yōu)化最重要發(fā)展方向之一. 開展個性化定制、力學響應規(guī)律可編程、功能可協(xié)同設計的復雜點陣結構力學設計方法研究, 對于提升復雜點陣結構極端復雜環(huán)境服役性能極為重要.

3.1 點陣超結構的強度和剛度調(diào)控

圖16點陣超結構的強度、剛度設計

如圖16 所示, 點陣結構強度和剛度調(diào)控主要包含如下典型策略: 點陣結構胞元類型創(chuàng)新(Evans et al. 2001); 點陣結構的節(jié)點組元尺寸局部增強(Qi et al. 2019b); 強夾雜點陣結構彌散到軟基體點陣結構的增強效應(Pham et al. 2019); 點陣結構各向異性力學設計(Tamburrino 2018); 基于結構相變特征的點陣結構設計(Wagner et al. 2019); 通過降維制造工藝引導點陣結構(Liu W et al. 2019, 2020); 雙相復合點陣結構(Yin S et al. 2021); 液體填充點陣結構(Liu Y &Wang L 2015); 基于中空桿件組元的點陣結構設計(Liu Y & Schaedler 2014, Xiao Z et al. 2014);基于拓撲優(yōu)化方法的高強點陣結構設計(Duan S et al. 2020); 多層級點陣結構設計(Zheng X et al. 2016, Wu Q et al. 2019); 基于桿件組元彎曲剛度增強的點陣結構設計(Liu K et al. 2022); 基于局部屈曲波抑制的點陣結構設計(Wang Bo et al. 2014); 基于節(jié)點應力集中擴散設計的點陣結構(李增聰?shù)?2021); 基于相界和晶界工程引導的點陣結構設計(Mousanezhad et al. 2016, Liu C et al. 2021); 基于尺寸效應的超晶格點陣結構(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021); 功能梯度點陣結構設計(Niknam & Akbarzadeh 2020)等.

研究人員開展了具有均勻桿件橫截面尺寸和節(jié)點增強設計的拉伸主導型八角點陣結構和彎曲主導型十四面體點陣結構的比強度、比剛度和壓縮吸能特性研究, 并采用漸進均勻化方法分析結構的等效彈性模量和各向異性特性, 發(fā)現(xiàn)節(jié)點增強可以顯著提升點陣結構的比剛度、比強度和吸能能力, 并能夠?qū)⒕哂芯鶆虺叽绲木|(zhì)點陣結構剪切帶失效模式轉(zhuǎn)換為逐層壓潰漸進式失效模式(Qi et al. 2019b). 受多晶體微結構啟發(fā), 研究人員利用晶界硬化、析出相硬化和多相復合應變硬化等典型硬化機制, 采用3D 打印技術制備了包含孿晶界面的“超晶粒 (meta-grain) ”點陣超結構, 并開展原位壓縮實驗, 發(fā)現(xiàn)形成的失效剪切帶在孿晶界兩側(cè)呈現(xiàn)對稱分布特征, 晶界兩側(cè)晶粒取向改變可以有效控制失效剪切帶的快速傳播; 所制備的點陣超結構的屈服強度隨著超晶粒尺寸的減少而顯著增加; 通過硬點陣結構夾雜相的引入可以實現(xiàn)顯著的應變硬化效應(Pham et al. 2019). 通過借鑒冶金學領域的多晶微結構設計理念, 受多晶體微結構界面限制滑移帶傳播距離并實現(xiàn)材料強化的物理機理啟發(fā), 研究人員開展點陣超結構的界面設計, 實現(xiàn)點陣結構屈曲力學行為的有效抑制, 通過多晶界面兩側(cè)不同晶粒類型和晶界兩側(cè)晶粒取向的改變, 可以抑制點陣結構局部剪切失效帶的傳播, 降低局部剪切帶導致的整體結構失效可能性. 此外, 可以進一步利用尺寸效應提升點陣超結構的比強度和比剛度, 具有共格晶界的點陣超結構的屈服強度隨著點陣結構晶粒密度增加 (晶粒尺寸減小) 而顯著增強, 這說明共格晶界對于提升點陣超結構屈服強度極為重要(Liu C et al. 2021). 通過利用點陣結構的桿件組元屈曲失穩(wěn)、相鄰桿件組元自接觸相互作用, 研究人員設計并提出具有功能調(diào)控的新型孿晶點陣結構, 可以改變點陣結構桿件組元的變形模式和傳力路徑, 實現(xiàn)點陣結構構型發(fā)生結構相變和壓縮吸能性能調(diào)控(Vangelatos et al. 2020b). 自然界中的承載結構材料通常是以復合材料形態(tài)存在, 并通過精致的復合結構設計實現(xiàn)多功能一體化力學性能的協(xié)同優(yōu)化. 受生物結構材料和工程合金結構材料中觀察到的夾雜相硬化機制的啟發(fā), 研究人員將力學性能有明顯的差異的軟、硬點陣結構分別作為基體和增強相, 并通過合理軟/硬點陣結構的拓撲排布設計, 可以實現(xiàn)剛度、強度、韌性和比吸能等力學性能指標的顯著提升; 進一步利用軟基體中硬夾雜的相界滑移能量耗散機制, 可以設計出具有最大相界滑移面積的雙相復合點陣超結構, 這種夾雜增強型復合點陣結構表現(xiàn)出優(yōu)異的比吸能指標, 是軟基體點陣結構的2.5 倍(Yin S et al. 2021). 研究人員開展具有相對密度逐漸變化特征的功能梯度點陣結構設計, 相對密度沿著壓縮載荷方向上具有梯度變化的點陣結構的承載能力會發(fā)生下降, 在垂直于載荷方向具有合理相對密度梯度特征的點陣結構的比剛度和能量吸收能力反而增加. 通過參數(shù)優(yōu)化發(fā)現(xiàn), 相同重量的梯度點陣結構的剛度和能量吸收能力可以比具有均勻尺寸特征的點陣結構高60%和110% (Niknam & Akbarzadeh 2020). 通過調(diào)節(jié)點陣結構的節(jié)點接觸狀態(tài)實現(xiàn)節(jié)點Maxwell 數(shù)調(diào)控, 研究人員設計出新型相變點陣結構, 可以實現(xiàn)拉伸主導型和彎曲主導型點陣結構之間的構型切換(Wagner et al. 2019). 研究人員提出一種面向集中力擴散的回轉(zhuǎn)曲面加筋薄壁筒體的結構拓撲優(yōu)化方法, 建立一種基于各向異性過濾技術的集中力擴散拓撲優(yōu)化方法, 進一步開展基于網(wǎng)格變形技術的拓撲優(yōu)化結果智能重構, 可高效準確地對回轉(zhuǎn)曲面加筋拓撲優(yōu)化結果進行模型自動重構. 所提出的優(yōu)化方法可得到加筋構型清晰、滿足回轉(zhuǎn)曲面加筋結構制造工藝要求的優(yōu)化結果, 且具有集中力擴散效率高、網(wǎng)格質(zhì)量依賴性低、拓撲特征重構高效等優(yōu)點, 可以顯著提升基于加強筋特征的點陣格柵結構的比強度和比剛度, 提高薄壁筒體結構的承載能力(李增聰?shù)?2021). 研究人員比較了具有隨機幾何特征的多孔泡沫材料和多種類型點陣結構材料的剪切剛度、剪切強度、壓縮剛度和壓縮強度, 發(fā)現(xiàn)點陣結構胞元類型對于提高比強度、比剛度設計非常重要, 不同類型的拉伸主導型點陣結構、格柵結構的比剛度和承載能力具有顯著差異(Evans et al. 2001). 利用高精度、大尺寸增材制造技術, 研究人員采用納米尺度鎳磷材料成功制備出跨七個數(shù)量級 (從納米到厘米) 尺度的三維點陣超材料. 結果表明, 所制備的大尺度點陣超材料的拉伸彈性應變可以超過20%, 這在其他成分相同的脆性材料體系中還未被發(fā)現(xiàn). 此外, 與拉伸主導型八角點陣結構相比, 通過多層級的多尺度設計可以實現(xiàn)八角點陣結構的比強度提升數(shù)十倍(Zheng X et al. 2016). 通過調(diào)整點陣結構傾斜桿件和承載方向的夾角, 可以減小點陣結構胞元的寬度/高度尺寸比例, 使得傾斜桿件沿著載荷方向的載荷分量比例增加, 并通過結構各向異性設計實現(xiàn)特性方向的承載能力提升(Tamburrino 2018). 研究人員將嵌鎖機械組裝和3D 打印技術結合, 實現(xiàn)點陣結構力學性能提升, 即通過將三維點陣結構“降維”, 轉(zhuǎn)化為二維桿件結構打印, 再采用嵌鎖組裝方法將二維桿件拼裝成三維的點陣結構. 研究人員采用上述制備技術和熔融沉積成型(FDM)3D 打印技術制備BCC 構型點陣結構, 實現(xiàn)桿件結構中纖維最優(yōu)分布, 相比于直接立體增材制造的點陣結構, 強度提升了37% ～ 65%. 該方法解決了3D 打印點陣結構中存在的各向異性問題, 實現(xiàn)了點陣結構力學性能的提升, 對應的壓縮強度提升均在100%以上, 比吸能提升了72% ～ 186%. 由于打印過程無需支撐材料的輔助, 打印時間和打印耗材使用量均降低80%以上(Liu W et al. 2019, 2020). 研究人員開展了液體填充共連續(xù)玻璃聚合物復合材料點陣結構的準靜態(tài)壓縮力學性能研究, 液體填料的存在會使得連續(xù)復合材料點陣結構的剛度、屈服強度和能量吸收能力顯著增強, 填充后的力學性能提升來自液體填料的附加承載能力和玻璃聚合物點陣結構的橫向膨脹變形的協(xié)同效應. 液體填充后的共連續(xù)復合材料點陣結構的應力分布更均勻. 研究人員進一步建立基于冪指數(shù)函數(shù)的理論模型描述有效彈性模量、屈服強度和能量吸收與玻璃聚合物體積分數(shù)之間的關系(Liu Y et al. 2015). 功能化納米多孔材料 (NMF) 液體具有高能量吸收效率, 在先進沖擊防護裝置和阻尼器件中具有很大的應用前景. 研究人員將功能化納米多孔材料液體填充到微尺度點陣結構中, 并構建出具有優(yōu)越能量吸收能力的沖擊防護系統(tǒng). 通過將功能化納米多孔材料液體填充到中空桿件組元構筑的微尺度點陣結構中, 可有效抑制微點陣結構中空薄壁桿件組元的塑性屈曲, 從而可以將中空桿件構筑的中空微點陣結構的承載能力和能量吸收效率提高到兩倍以上. 液體填充微點陣結構的能量吸收增強來自兩部分: 功能化納米多孔材料液體的體積塑性, 微點陣結構的塑性變形增強. 此外,微點陣材料的應變硬化效應可以進一步提高液體填充微點陣結構的能量吸收能力(Liu Y et al.2014). 研究人員開展了板狀點陣結構的等效力學性能拓撲優(yōu)化, 發(fā)現(xiàn)彈性各向同性板狀點陣結構比具有相同密度的各向同性最小曲面點陣結構和常規(guī)桿狀點陣結構具有更為顯著的彈性力學性能優(yōu)勢. 各向同性板狀點陣結構在相對密度為0.01 時的彈性模量比各向同性桿狀點陣結構的彈性模量高出近兩倍, 而其體積模量可以達到Hashin-Shtrikman 復合材料理論上限. 此外, 對于具有各向異性特性的板狀點陣結構來說, 可以通過幾何參數(shù)設計實現(xiàn)較大范圍內(nèi)的剛度調(diào)控.在0.01 相對密度下, 板狀點陣結構承力最強方向的彈性模量可以達到Hashin-Shtrikman 復合材料理論上限的24%至140% (Duan et al. 2020). 研究人員基于面投影立體光刻微納米增材制造技術, 開展氧化鋁、金屬鎳基微納米中空點陣結構的增材制造, 可以實現(xiàn)超常的比強度、比剛度力學性能, 可以比由實心桿件組元構成的點陣結構的比強度、比剛度高1 ～ 2 個數(shù)量級(Xiao Z et al. 2014). 研究人員提出多層級超輕多層級點陣結構三明治夾心板的設計, 其中高層級金字塔點陣胞元的桿件組元是由底層金字塔胞元沿著特定空間取向排布形成的, 通過理論模型給出金字塔-金字塔多層級點陣結構的三維失效機理圖, 發(fā)現(xiàn)通過多層級結構設計可以提高低密度三明治夾層結構的承載能力和抗芯層屈曲性能, 顯著提升常規(guī)金字塔點陣結構的比強度、比剛度和承載能力(Wu Q et al. 2019). 研究人員提出多層級增強大型三明治夾層復合殼體力學設計方法,可以實現(xiàn)在不增加結構重量前提下提升結構的缺陷不敏感力學性能. 多層級結構由主承力承載加強筋條和用于連接主承力承載筋條的次承力加強筋組成, 次承載加強筋一般分布在相鄰的主要承載加強筋之間, 用于抑制局部屈曲波(Wang B et al. 2014). 研究人員開展了具有仿卷尺形狀的非正交對稱橫截面的手性結構力學設計, 攻克傳統(tǒng)矩形對稱截面韌帶的高彎曲剛度與抗橫向屈曲性能之間的固有矛盾, 實現(xiàn)了高彎曲剛度與抗橫向屈曲臨界載荷的協(xié)同增強(Liu K et al.2022).

3.2 點陣超結構的壓縮吸能性能調(diào)控

如圖17 所示, 點陣結構吸能性能調(diào)控策略主要包括: 基于剪切帶抑制效應的點陣超結構(Liu X et al. 2021); 基于中空桿件構筑的點陣結構(Liu Y et al. 2014); 基于晶界、相界能量耗散效應的復合點陣結構(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021); 基于缺陷工程引導失效剪切帶實現(xiàn)點陣超結構的吸能性能指標提升(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021, Lu Z et al. 2020, Bhuwal et al. 2021); 基于點陣結構沿著載荷方向的承載和吸能能力定向增強設計(Tamburrino 2018);具有結構相變效應的吸能性能可調(diào)控點陣結構(Vangelatos et al. 2020b, Wagner et al. 2019,Hector et al. 2019); 通過液體或氣體填充點陣結構桿件組元實現(xiàn)吸能性能提升(Liu Y et al.2015); 樹脂或泡沫作為基體材料填充到點陣結構骨架剩余空間形成的復合結構(Li X et al.2020); 異質(zhì)結構胞元混合形成的雙相點陣結構(Yin S et al. 2021); 點陣結構填充到薄壁筒體內(nèi)實現(xiàn)吸能性能提升(Ha N S et al. 2021); 功能梯度點陣結構(Gorguluarslan et al. 2021, Qi et al.2019a, Xu F et al. 2018, Niknam & Akbarzadeh 2020); 多層級點陣結構(Chen Y et al. 2021, Ha N S et al. 2021); 具有節(jié)點增強和變截面桿件組元設計的增強型點陣結構(Qi et al. 2019b); 具有負泊松比特性的點陣結構(Zhang J et al. 2020a)等.

圖17點陣超結構的沖擊吸能設計

研究人員提出基于變截面桿件組元設計的點陣結構, 可以實現(xiàn)將點陣結構的傳統(tǒng)對角線剪切帶失效模式過渡為漸進式失效模式(Liu X et al. 2021). 受到合金材料變形過程中結構相變和空間對稱性演化過程的啟發(fā), 研究人員開展基于結構鏡像操作的新型點陣超結構力學設計, 通過利用點陣結構桿件組元屈曲變形過程中發(fā)生接觸, 改變點陣結構桿件組元的變形模式、增強點陣結構的承載能力, 實現(xiàn)點陣結構比強度、比剛度和吸能能力的顯著增強(Liu C et al. 2021). 研究人員提出通過桿件屈曲、自接觸實現(xiàn)結構相變和功能調(diào)控的新型孿晶點陣結構設計方法, 可以實現(xiàn)點陣結構的壓縮吸能性能調(diào)控(Vangelatos et al. 2020b). 研究人員通過在軟基體點陣結構中引入增強型點陣結構夾雜相, 可以實現(xiàn)軟基體點陣結構的強化和吸能性能提升; 并比較了冶金學中基于阻礙位錯運動的夾雜物硬化機理與點陣結構材料中硬夾雜物的結構強化機理之間的相似性和差異性(Lu Z et al. 2020). 受合金材料的孔洞缺陷生長、貫穿失效過程實現(xiàn)合金韌性提升機理的啟發(fā), 研究人員通過在周期性點陣結構中引入不同大小、不同空間取向、不同拓撲分布特征的孔洞缺陷, 可以實現(xiàn)點陣超結構的裂紋擴展路徑調(diào)控, 以及壓縮過程中局部失效剪切帶演化過程的調(diào)控(Bhuwal et al. 2021). 受生物結構材料和工程合金結構材料中觀察到的夾雜相硬化機制的啟發(fā), 研究人員通過利用力學性能有明顯的差異的軟、硬點陣結構分別作為基體和增強相, 并通過合理軟/硬點陣結構的拓撲排布設計, 通過充分利用軟基體中硬夾雜點陣結構的相界滑移能量耗散機制, 這種夾雜增強型復合點陣結構表現(xiàn)出優(yōu)異的比吸能指標, 是軟基體點陣結構的約2.5 倍(Yin S et al. 2021). 利用基體填充增強效應, 研究人員提出的復合點陣結構可以顯著增強點陣結構的壓縮吸能特性, 并通過基體-桿件組元界面的相互作用改變桿件組元的失效模式, 實現(xiàn)填充式復合點陣結構的應變能分散, 進而提升復合點陣結構的整體力學性能(Li X et al. 2020). 研究人員提出通過調(diào)控節(jié)點接觸狀態(tài)實現(xiàn)節(jié)點Maxwell 數(shù)變化的新型相變點陣結構,可以通過接觸狀態(tài)的力學設計和調(diào)控實現(xiàn)拉伸主導型和彎曲主導型點陣結構的構型切換, 并調(diào)控其吸能特性(Wagner et al. 2019). 研究人員設計出具有節(jié)點旋轉(zhuǎn)效應的矩形四韌帶反手性結構和六韌帶手性結構, 這些手性結構胞元在壓縮過程中會發(fā)生整排點陣結構側(cè)向失穩(wěn)和胞元局部桿件組元屈曲失穩(wěn), 形成平行四邊形構型的四韌帶反手性點陣結構和三韌帶手性點陣結構, 實現(xiàn)變剛度、多剛度力學行為, 并調(diào)控壓縮過程中的吸能能力(Hector et al. 2019). 自然界中許多承力的生物結構材料都具有又強又韌的優(yōu)異力學性能, 其優(yōu)異性能并非源于組分材料, 而是得益于精妙的多層級結構. 多層級結構是生物材料中普遍存在的一種“設計策略”, 通過多個尺度的高度有序結構將有限的組分材料構筑成宏觀材料, 實現(xiàn)各組分材料的協(xié)調(diào)與配合, 從而賦予生物材料以優(yōu)異的力學性能. 研究人員從力學的角度剖析了生物材料的多層級結構特點, 總結出了自然界構造生物材料的“設計準則”, 并結合纖維增強復合材料、網(wǎng)絡材料、力學超材料等典型人工材料闡述了多層級力學分析與設計方法在人工復合材料性能分析與設計中的應用. 點陣超材料的組裝方式能夠?qū)崿F(xiàn)“1+1 ＞ 2”, 反之不當?shù)慕M裝方式會削弱胞元的超常性能. 目前最常見的組裝方式是周期延拓, 在周期延拓的基礎上可以引入梯度設計, 還可通過自相似結構實現(xiàn)多層級的組裝. 此外, 最近提出的“單元-模塊-陣列”的陣列式組裝(Chen Y et al. 2021). 受竹子、藤類植物維管束多尺度異質(zhì)結構多層級結構啟發(fā), 研究人員提出基于多尺度三層級薄壁格柵結構用于沖擊吸能, 三層級蜂窩格柵薄壁結構的比吸能指標比常規(guī)薄壁結構高出178.4%. 并提出結構承載能力起伏 (ULC) 指標來評價吸能曲線的穩(wěn)定性, 定義為實際壓潰力與壓潰平臺應力的偏差消耗的能量與有效行程內(nèi)薄壁結構真實能量吸收之間的比例. 與常規(guī)薄壁結構相比, 具有三層級的多層級結構承載能力起伏指標可以下降88.8%, 大幅提升壓潰過程中的載荷平穩(wěn)性(Ha N S et al. 2021). 研究人員提出三種具有應力約束的點陣結構尺寸優(yōu)化方法, 與具有均勻尺寸的點陣結構相比, 通過尺寸優(yōu)化可以實現(xiàn)功能梯度點陣結構的壓縮吸能性能指標提升, 比如密實化應變、吸能效率等(Gorguluarslan et al. 2021). 研究人員開展了具有周期性排布和功能梯度特征的四韌帶反手性結構胞元、四韌帶混雜手性結構胞元的面內(nèi)沖擊吸能特性研究, 并發(fā)現(xiàn): 由于四韌帶混雜手性結構的局部韌帶形成全波長的彎曲模式, 四韌帶混雜手性結構胞元的平臺應力顯著高于四韌帶反手性胞元; 具有合理功能梯度特征的手性結構設計可以顯著提升周期性點陣結構的吸能能力, 且具有結構梯度特征的手性結構吸能能力隨著沖擊速度的增大呈現(xiàn)先下降后上升的特點(Qi et al. 2019a). 與傳統(tǒng)的均勻結構相比, 具有功能梯度結構特性的先進輕質(zhì)結構具有更好的壓潰過程可控性, 并具有顯著的能量吸收效率優(yōu)勢(Xu F et al. 2018). 輕量化多功能負泊松比點陣結構具有優(yōu)異的可設計性、拉脹特性、剪切模量、斷裂韌性、抗沖擊吸能, 負泊松比結構在壓縮過程中, 質(zhì)量會流向壓縮載荷作用局部區(qū)域, 并提升載荷接觸局部區(qū)域的吸能能力(Zhang J et al. 2020a).

3.3 點陣超結構疲勞力學性能調(diào)控

如圖18 所示, 點陣結構疲勞性能調(diào)控策略主要包括: 功能梯度點陣結構設計(Long et al.2021, Lei Y et al. 2021); 點陣結構桿件組元幾何特征優(yōu)化(Mercer et al. 2015); 點陣胞元類型創(chuàng)新(Zargarian et al. 2016, Yavari et al. 2015); 點陣結構節(jié)點增強設計(Dallago et al. 2021, Savio et al. 2019); 點陣結構桿件組元空間取向調(diào)控(Chen P et al. 2020, Zhao S et al. 2016); 具有手性變形特征的點陣結構設計( Branko et al. 2022); 負泊松比點陣結構(Branko et al. 2022, Kolken et al. 2022); 基于板桿組元混雜形成的復合點陣結構(Torres et al. 2019); 基于尺寸效應的點陣結構(Polley et al. 2022); 具有多穩(wěn)態(tài)特征的點陣結構桿件組元設計(Khare et al. 2018); 點陣結構拓撲優(yōu)化(Zhang S et al. 2019, Chen Z et al. 2020, Gu X et al. 2020)等.

圖18點陣超結構的疲勞設計

與均勻尺寸點陣結構相比, 結構梯度方向平行于載荷方向的點陣結構的失效模式主要表現(xiàn)為逐層塌陷, 并具有更優(yōu)的力學性能和能量吸收能力; 具有結構梯度方向垂直于載荷方向的點陣結構表現(xiàn)出類似于均勻尺寸點陣結構的剪切帶失效模式和局部脆性塌陷. 具有結構梯度方向垂直于載荷方向的功能梯度鈦合金點陣結構的疲勞失效模式和均勻尺寸點陣結構十分類似, 并發(fā)生剪切帶失效模式和局部脆性塌陷. 其疲勞機理是循環(huán)棘輪與疲勞損傷的協(xié)同. 此外, 增材制造功能梯度點陣結構的疲勞壽命受梯度方向和表面處理工藝的影響, 通過噴砂除去表面上未熔化的顆粒, 可以有效改善點陣結構的疲勞力學性能, 減少疲勞裂紋的形成. 對于梯度方向垂直于載荷方向的功能梯度點陣結構來講, 其疲勞性能較好(Mercer et al. 2015). 功能梯度最小曲面點陣結構在沿著梯度方向的循環(huán)疲勞載荷作用下, 對應的桿件組元斷裂面表現(xiàn)為三種典型斷裂模式和混合斷裂模式. 功能梯度最小曲面點陣結構的疲勞壽命是具有相同相對密度的均勻尺寸最小曲面點陣結構的1.21～1.67 倍(Mercer et al. 2015). 研究人員開展了異質(zhì)材料構成的低熱膨脹復合點陣結構的疲勞力學性能研究, 通過基體材料的疲勞壽命實驗數(shù)據(jù)來模擬點陣結構的疲勞力學行為, 采用修正模型預測點陣結構的局部應力, 并將局部應力輸入到多軸疲勞性能模型中來預測點陣結構的疲勞力學性能(Groth et al. 2021). 研究人員針對選區(qū)激光熔化鈦合金增材制造的鉆石型、菱形十二面體和截角截半立方八面體點陣結構的高周疲勞力學性能開展實驗和模擬研究, 發(fā)現(xiàn)點陣結構的疲勞強度和點陣結構的模量成線性比例關系. 當三種類型的點陣結構胞元的相對密度為0.2 時, 截角截半立方八面體點陣結構的疲勞強度最大, 而菱形十二面體點陣結構的疲勞強度最小. 這是由于在相同相對密度下, 截角截半立方八面體點陣結構的桿件組元的r/L最大, 具有最大的彎曲慣性矩, 因而桿件組元橫截面上的最大應力水平最低; 類似地, 菱形十二面體點陣結構的桿件組元的r/L最小, 具有最小的彎曲慣性矩, 因而桿件組元橫截面上的最大應力水平最高. 當然, 桿件組元的空間取向差異、受力模式也顯著影響桿件組元的彎矩和內(nèi)部彎曲應力, 但桿件組元的橫截面尺寸因素對內(nèi)部應力的影響占據(jù)主導地位. 此外, 所有類型的點陣結構均呈現(xiàn)對角線剪切帶失效模式(Zargarian et al. 2016). 研究人員開展激光選區(qū)熔融立方體、菱形十二面體和截角截半立方八面體點陣結構的高周疲勞力學性能實驗研究, 發(fā)現(xiàn)立方體點陣結構具有最高的疲勞壽命, 甚至可以在80%的屈服應力水平上承受106次疲勞循環(huán)加載后依然保持結構完整性. 在同樣疲勞應力載荷水平下, 截角截半立方八面體點陣結構的疲勞壽命高于鉆石型點陣結構, 且均高于菱形十二面體點陣結構. 三類點陣結構的S-N 曲線均表現(xiàn)出指數(shù)式特征(Yavari et al. 2015). 研究人員采用激光粉床熔化成形增材制造工藝制備四種鈦合金點陣結構(打印方向差異、節(jié)點設計差異) , 并評估增材制造工藝導致的幾何不確定性 (表面微觀凹坑和橫截面尺寸和形狀偏差、節(jié)點幾何形狀和打印方向) 對其宏觀疲勞力學性能的影響, 為了減小點陣結構實驗樣品的應力分布不均勻性, 特意采用了具有啞鈴狀的樣品夾持端設計, 發(fā)現(xiàn)通過在點陣結構的節(jié)點連接處采用光滑倒角過渡設計, 可以顯著提升增材制造點陣結構的疲勞力學性能(Dallago et al. 2021). 研究人員設計出具有不同幾何特征的節(jié)點增強型點陣結構的單軸拉伸力學實驗樣品, 并采用選擇性激光熔覆 (SLS) 技術制備, 主要包括: 具有方形桿件組元和均勻截面特征的點陣結構、具有方形桿件組元截面并在節(jié)點處具有圓形倒角半徑的點陣結構、具有圓形桿件組元和均勻截面特征的點陣結構、具有圓形桿件組元截面并在節(jié)點處具有圓形倒角半徑的點陣結構, 以及通過桿件組元子域分割Catmull-Clark 算法3 次迭代后生成的具有圓形桿件組元截面和漸變桿件尺寸的點陣結構. 進一步研究了5 類點陣結構的疲勞力學性能, 發(fā)現(xiàn)節(jié)點處增強設計可以提升點陣結構的剛度, 通過桿件組元子域分割Catmull-Clark 算法3 次迭代后生成的具有圓形桿件組元截面和漸變桿件尺寸的點陣結構具有最好的剛度和疲勞力學性能, 具有圓形桿件組元截面的點陣結構的疲勞力學性能優(yōu)于具有方形桿件組元截面的點陣結構的疲勞力學性能. 為了定量評價不同類型的節(jié)點增強設計對于疲勞力學性能提升的效果, 研究人員提出疲勞強度應力集中因子的評價方法, 可以表達為疲勞強度應力水平和準靜態(tài)拉伸Mises 應力的比率, 數(shù)值模擬結果表明隨著節(jié)點倒角圓弧半徑的增加, 疲勞強度應力集中因子下降(Savio et al. 2019).研究人員針對四種點陣結構 (SC, BCC, FCC, SC-BCC) 開展準靜態(tài)力學性能和疲勞力學行為實驗研究, 發(fā)現(xiàn)所有點陣結構的抗疲勞性能隨著相對密度的增加而提高. 在所有點陣結構中, SC 點陣結構具有最高的疲勞強度, 而BCC 點陣結構表現(xiàn)出最差的抗疲勞性能. 點陣結構胞元類型對疲勞力學性能的影響和彈性力學性能的影響規(guī)律類似. 相對密度對FCC 和BCC 點陣結構胞元的歸一化S-N 曲線仍然十分敏感(Chen P et al. 2020). 研究人員利用Ti-6Al-4V 合金電子束熔化(EBM) 增材制造工藝制備立方體, G7 和菱形十二面體點陣結構的疲勞力學性能實驗樣品, 發(fā)現(xiàn)三種點陣結構的基本疲勞失效物理機理是點陣結構桿件組元的循環(huán)棘輪和疲勞裂紋生長的交互作用, 并與點陣結構胞元的桿件組元的表面性能、缺陷、屈曲和彎曲的累積塑性變形密切相關.其中, 循環(huán)棘輪效應是點陣結構壓縮疲勞失效的主要機制. 盡管增材制造點陣結構桿件組元中存在粗糙表面和孔隙缺陷, 仍然可以通過點陣結構設計增加桿件組元的屈曲變形模式比例, 使點陣結構在循環(huán)變形過程中的循環(huán)棘輪速率顯著降低、抗壓疲勞強度得到提升. 通過增加點陣結構的彎曲變形主導模式比例, 點陣結構桿件組元中的疲勞裂紋增長對點陣結構的疲勞損傷貢獻顯著增強, 點陣結構桿件組元的粗糙表面和孔隙顯著降低了點陣結構的疲勞強度. 點陣結構胞元的桿件組元上疲勞裂紋萌生和擴展是影響點陣結構疲勞強度的另一個重要因素. 隨著點陣結構桿件的彎曲變形增大, 桿件組元彎曲變形引起的局部拉應力較高, 疲勞裂紋容易從粗糙表面和內(nèi)部缺陷位置萌生和擴散, 這可能會顯著降低點陣結構的疲勞壽命. 對于具有桿件組元表面粗糙度的G7 和菱形十二面體點陣結構來說, 桿件組元的循環(huán)棘輪和疲勞裂紋增長與點陣結構桿件組元的疲勞強度密切相關, 并加速點陣結構的疲勞損傷累積, 與基于液態(tài)制備工藝制備的具有更光滑結構表面的泡沫鋁相比, 相同比密度的增材制造點陣結構的疲勞強度比較低. 因此, 降低點陣結構桿件組元的循環(huán)棘輪速率和延緩疲勞裂紋生長是提高點陣結構疲勞強度的兩種主要方法.很難通過調(diào)整增材制造工藝參數(shù)改善桿件組元的表面粗糙度并降低孔隙率的思路來降低點陣結構胞元桿件組元的疲勞裂紋擴展速率. 提高增材制造鈦合金點陣結構的疲勞強度的一種可能有效方法是降低壓縮疲勞循環(huán)過程中的循環(huán)棘輪速率. 可能的疲勞性能提升方法如下: 首先, 采用新胞元、新構型點陣結構設計, 通過點陣結構構型設計增加屈曲變形模式的桿件組元比例, 即使點陣結構桿件組元表面具有粗糙度, 依然可以顯著提高點陣結構的疲勞強度; 其次, 通過熱處理工藝進行微結構調(diào)控, Ti-6Al-4V 點陣結構桿件組元中硬脆性α′-馬氏體對點陣結構的抗疲勞性能有不利影響, 通過熱處理工藝進行微觀組織結構調(diào)控可以提高點陣結構桿件組元的力學性能,顯著改善電子束熔化增材制造Ti6Al4V 點陣結構的疲勞性能. 最后, 設計具有功能梯度結構特征的點陣結構, 梯度點陣結構的變形行為是每個點陣結構胞元的應變-應力響應的加權平均值. 由于循環(huán)棘輪速率與點陣結構桿件組元的變形模式密切相關, 梯度點陣結構設計可能是實現(xiàn)綜合力學性能優(yōu)化的有效方法, 比如高疲勞強度, 高能量吸收和低模量等多功能力學性能一體化(Zhao S et al. 2016). 研究人員研究了鋁合金AA 5083-H111 制成的手性和內(nèi)凹負泊松比蜂窩結構的疲勞力學行為, 通過在不同幅度應變水平下的位移控制模式下進行實驗研究, 進一步基于包含Morrow 均勻應力校正的Coffin-Manson 模型, 并采用應變壽命分析方法模擬點陣結構的疲勞壽命. 在幾乎相同的相對密度下, 內(nèi)凹蜂窩樣品的剛度比手性負泊松比結構高出十倍以上. 在相同的平均應變循環(huán)幅度下, 手性結構比內(nèi)凹蜂窩結構的疲勞壽命明顯增加. 在相同疲勞壽命下,剛度更好的內(nèi)凹蜂窩結構比手性結構具有更高的疲勞應力水平. 在單次載荷循環(huán)耗散能量相同的情況下, 手性結構比內(nèi)凹蜂窩結構具有更長的疲勞壽命. 對于手性結構, 最終疲勞失效斷裂面垂直于拉伸載荷方向; 內(nèi)凹蜂窩結構的斷裂面取向則是在垂直于拉伸載荷方向基礎上偏離20fl左右(Branko et al. 2022). 借助數(shù)字圖像相關 (DIC) 和X 射線CT 三維數(shù)值重構技術, 研究人員開展內(nèi)凹蜂窩結構的疲勞力學行為實驗研究, 結果表明, 在內(nèi)凹蜂窩的內(nèi)凹節(jié)點和沿試樣外緣的垂直桿件中出現(xiàn)局部結構性能弱化, 這與DIC 和micro-CT 實驗數(shù)據(jù)中的最大主應變集中和斷裂萌生位置吻合, 通常裂縫極易從點陣結構組元的內(nèi)部孔洞空間或其他容易形成I 型裂紋的部位萌生(Kolken et al. 2022). 通過仿照骨質(zhì)疏松密質(zhì)骨、松質(zhì)骨的微結構特征, 研究人員設計出具有板-桿異質(zhì)結構組元混雜形成的點陣結構, 發(fā)現(xiàn)這種點陣結構具有優(yōu)異的抗疲勞力學性能(Torres et al. 2019). 研究人員針對最小曲面 (gyroid) 點陣結構的疲勞力學性能開展實驗研究,結果表明, 在相同相對密度條件下, 點陣結構胞元的尺寸越小, 其疲勞極限應力水平越高. 在相同點陣結構胞元尺寸條件下, 相對密度越高, 其疲勞極限應力水平越高(Polley et al. 2022). 研究人員開展具有結構優(yōu)化效果的內(nèi)凹負泊松比點陣結構的疲勞力學性能研究, 發(fā)現(xiàn)通過幾何參數(shù)優(yōu)化可以降低應力集中, 并提升點陣結構的抗疲勞力學性能(Khare et al. 2018). 通常, 應力引導的結構拓撲優(yōu)化是基于比例加載實現(xiàn)的, 輕質(zhì)結構疲勞性能驅(qū)動的結構拓撲優(yōu)化的載荷非比例特征會導致拓撲優(yōu)化計算成本顯著增加, 因為必須對要計算疲勞損傷的每個點執(zhí)行應力反向加載. 研究人員提出將疲勞加載歷史分割為離散比例加載的疊加, 可以將疲勞驅(qū)動的結構優(yōu)化問題退化為基于應力比例加載的拓撲優(yōu)化問題(Zhang S et al. 2019). 研究人員開展基于非比例加載的疲勞性能引導的拓撲優(yōu)化, 通過引入懲罰應力方法能夠避免局部優(yōu)化, 通過進一步結合疲勞損傷懲罰因子, 可以實現(xiàn)整體結構疲勞性能的最優(yōu)化(Chen Z et al. 2020).

3.4 點陣超結構斷裂韌性調(diào)控

如圖19 所示, 點陣結構斷裂性能調(diào)控策略主要包括: 設計新型無節(jié)點的點陣結構(Moestopo et al. 2020); 具有高熵合金納米薄膜涂覆的新型聚合物復合點陣結構(Zhang X et al. 2018,Surjadi et al. 2021); 基于多晶點陣結構界面工程的新型多晶點陣超結構設計, 并利用界面-滑移帶相互作用實現(xiàn)裂紋偏折(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021); 異質(zhì)點陣結構復合形成雙相復合點陣結構, 利用剛?cè)嵯酀枷朐鰪娏鸭y擴展過程中的能耗和阻力(Zian J et al. 2019, Jia Z et al. 2020); 通過將硬質(zhì)點 陣結構夾雜相引入到軟點陣結構集體中形成夾雜增強復合點陣結構(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021); 基于自組織制造工藝制備最小曲面點陣結構(Portela et al.2020, Conway et al. 2021); 通過孔洞弱缺陷的拓撲分布設計引導裂紋擴展路徑(Bhuwal et al.2021, Manno et al. 2019); 通過制造工藝調(diào)控材料力學性能, 并引導點陣超結構中的裂紋路徑(Yu K et al. 2021, Gao Z et al. 2020); 利用韌、脆雙材料沿著不同空間取向構筑, 形成雙材料復合點陣結構(Tankasala & Fleck 2019); 通過將裂紋附近局部直線桿件改造成彎曲桿件提升裂紋尖端的局部變形能力, 利用結構組元改性實現(xiàn)鈍化(Li K et al. 2020); 基于液態(tài)金屬填充中空桿件組元的點陣結構(Zhang W et al. 2020); 具有多層級結構特征的點陣結構設計(Wang B et al.2019); 功能梯度點陣結構(Lei Y et al. 2021); 通過異質(zhì)點陣結構拓撲路徑引導裂紋擴展軌跡(Groth et al. 2021)等.

圖19點陣超結構的斷裂性能設計

通過螺旋編織形成無固定節(jié)點的點陣結構, 對應的交錯桿件節(jié)點通過相對滑移、接觸實現(xiàn)載荷與應變能的傳遞, 可以降低節(jié)點應力集中、提升裂紋尖端的斷裂韌性(Moestopo et al.2020). 傳統(tǒng)的基于桿、板、殼、膜結構組元的周期性點陣結構胞元具有高度幾何對稱性和內(nèi)部空間流通性, 但制造工藝缺陷引起的結構非對稱性會導致實際制備的點陣結構的功能發(fā)生顯著劣化. 研究人員利用多孔材料的多尺度自組織結構制造技術, 制備出具有結構非對稱、雙曲率平滑表面的殼膜點陣結構, 可以實現(xiàn)輕質(zhì)高強、高沖擊吸能效率和內(nèi)部高效流動性的多功能一體化, 有效克服制造工藝局限和高可靠性、多功能性之間的矛盾, 實現(xiàn)點陣結構的力學性能缺陷不敏感, 克服高剛度與高回彈、可恢復性能之間的固有矛盾. 此外, 這種通過自組織制造工藝制備的點陣結構具有良好的可定制、可編程各向異性力學性能(Portela et al. 2020). 剪切帶的形成及其快速擴展是單一取向周期性點陣結構失效的主要原因, 而多晶點陣結構的界面可阻礙剪切帶的快速傳播并能夠改變其傳播方向, 從而可有效地阻止結構的整體失效. 研究人員通過模擬多晶材料的多尺度微結構設計, 設計出具有多晶粒狀點陣超結構, 相鄰晶粒內(nèi)部具有不同的空間取向和點陣結構胞元類型, 可以實現(xiàn)更好的裂紋擴展抑制能力(Pham et al. 2019). 研究人員以多晶合金材料微結構為靈感, 設計出多取向宏觀點陣結構材料, 通過增加單位體積內(nèi)點陣胞元個數(shù)以及調(diào)節(jié)桿件組元在界面上的連接方式, 可以制備出具有高強度、高耐壓的宏觀多晶點陣金屬材料.增加界面面積能有效提高材料的強度與抗壓能力, 可以將剪切帶均勻地分散并避免因局部應力集中而引發(fā)的結構失效, 實現(xiàn)剪切帶的分散分布和擴展路徑復雜化, 并抑制剪切帶的快速擴展、提升點陣材料的韌性, 類似于金屬材料中的細晶強化機理(Liu C et al. 2021). 類似于合金材料的孔洞生長、貫穿失效過程, 在周期性點陣結構中引入不同大小、不同空間取向、不同拓撲分布特征的孔洞缺陷, 可以實現(xiàn)點陣超結構裂紋擴展路徑調(diào)控, 以及壓縮過程中局部失效帶演化調(diào)控(Bhuwal et al. 2021). 研究人員提出了基于韌性桿件和脆性桿件沿著不同空間取向混雜構筑的異質(zhì)點陣結構胞元, 可以大幅提升脆性點陣結構的斷裂韌性和缺陷不敏感特性(Tankasala &Fleck 2019). 研究人員采用先進的微納米尺度增材制造技術制備出由高彈性聚合物材料基體構筑的納米尺度點陣結構, 并通過磁控濺射工藝實現(xiàn)納米尺寸厚度的高熵合金涂敷, 獲得納米尺度雙材料桿件組元構筑的異質(zhì)材料復合點陣結構, 可以實現(xiàn)強度和韌性的協(xié)同優(yōu)化(Zhang X et al.2018). 通過將金屬點陣結構裂紋附近的直線型桿件組元改成波浪形桿件, 可以顯著提升裂紋尖端局部變形能力、顯著降低裂紋尖端附近的應力集中度并阻礙裂紋擴展, 大幅提升點陣結構的斷裂韌性和結構缺陷不敏感度(Li K et al. 2020). 通過模仿生物材料的微觀結構, 可以設計并制造出具有更強韌力學性能的仿生復合材料. 研究人員開展4 類典型生物材料微觀結構啟發(fā)的軟/硬雙相復合點陣結構的斷裂力學性能研究, 包括: 磚-泥復合結構、交叉層錯排布的層狀復合結構、具有同心不同半徑層狀復合六角形蜂窩結構和旋轉(zhuǎn)排布層狀復合結構. 實驗結果表明, 旋轉(zhuǎn)排布層狀復合結構呈現(xiàn)”J”形狀的R 曲線, 可以提供更高的臨界能量釋放速率并具有更長的裂紋擴展路徑, 阻止裂紋擴展能力更強. 上述4 種異質(zhì)仿生結構設計主要通過如下兩類機理實現(xiàn)復合材料的韌性提升: 通過軟硬復合相結構交錯排布產(chǎn)生剛度變化, 可以減緩裂紋擴展并防止裂紋直接穿透;引導裂紋沿著弱界面通過漸進損傷模式擴展, 可以提升復合材料的韌性, 并具有更好的抗裂紋擴展能力(Zian J et al. 2019). 輕量化多功能點陣結構的三個新興研究方向可以歸納為: 設計具有極端和超常規(guī)力學性能的點陣超結構, 其力學性能很難通過塊體材料實現(xiàn); 設計具有定制化、可編程力學性能的點陣超結構, 可以在不同的服役環(huán)境下、不同載荷路徑或控制模式下具有不同的力學響應特征; 設計具有多功能的點陣超結構, 包括具有熱、機械、光學、壓電和負折射率特性的多場耦合服役環(huán)境下的物理、化學、生物環(huán)境交互型點陣超結構. 這些新興方向表明點陣超結構的研究逐漸從傳統(tǒng)承載功能向智能、自適應和多功能集成等方向過渡(Jia Z et al. 2020).現(xiàn)有的裂紋路徑主流設計方法均需要改變材料的局部點陣結構幾何參數(shù)或者胞元構型特征, 會引起相對密度的不一致和異質(zhì)結構設計的復雜性. 有鑒于此, 研究人員提出了一種利用數(shù)字光處理 (DLP) 技術的光學編程方法, 可以在不改變材料和結構設計前提下, 通過在光敏樹脂3D 打印固化過程中調(diào)節(jié)裂紋路徑上的激光能量、速度等打印參數(shù), 實現(xiàn)裂紋路徑局部區(qū)域材料固化后的力學性能改變, 實現(xiàn)同質(zhì)材料、單一點陣結構胞元類型周期性點陣結構的裂紋路徑設計(Gao Z et al. 2020). 研究人員提出通過多層級蜂窩結構設計提升斷裂力學性能的研究思路, 其中基體材料為具有隨機蜂窩幾何特征的蜂窩材料, 發(fā)現(xiàn)這種多層級蜂窩結構的斷裂韌性具有較為強烈的尺寸效應, 多層級結構蜂窩的斷裂韌性是常規(guī)蜂窩結構的2 倍(Wang B et al. 2019). 金屬微點陣力學超材料具有超輕、高比強度等力學性能優(yōu)勢, 但韌性較差, 在服役過程中容易發(fā)生脆性斷裂失效. 研究人員采用超高精度光固化3D 打印技術制備中空的聚合物微點陣結構, 并采用真空液體填充技術在聚合物薄殼中注入液態(tài)金屬鎵 (Ga) , 成功制備液態(tài)金屬-聚合物微點陣力學超材料, 具有良好的韌性和自我修復功能. 相比于實心或空心聚合物點陣結構, 液態(tài)金屬-聚合物點陣力學超材料在壓縮過程中沒有發(fā)生脆性斷裂失效, 液態(tài)Ga 的存在可以阻礙裂紋在中空聚合物桿件組元中擴展, 使得中空點陣結構在出現(xiàn)裂紋后依然可以承受載荷, 甚至發(fā)生部分結構組元斷裂的液態(tài)金屬基微點陣結構超材料依然能夠基本恢復原始形狀, 并且能夠保持一定的承載能力(≥ 50%初始強度) (Zhang W et al. 2020). 研究人員分析并對比具有功能梯度結構特征、均勻尺寸特征的最小曲面點陣結構的疲勞力學性能, 發(fā)現(xiàn)功能梯度最小曲面點陣結構的主要承載桿件組元具有較低的應力水平、較大的宏觀橫截面面積和更小的塑性變形區(qū)域, 可以降低裂紋尖端附近的應力集中度, 降低裂紋擴展速率并實現(xiàn)更強的抗疲勞裂紋擴展性能. 即使在桿件組元內(nèi)部出現(xiàn)穿透性裂紋條件下, 依然具備長期承載能力(Lei Y et al. 2021). 研究人員提出具有隨機結構特征點陣結構的5 類設計方法, 可以實現(xiàn)壓縮吸能、斷裂韌性的可調(diào)控, 可以顯著提升壓縮吸能性能指標和斷裂韌性, 包括具有各向同性隨機性分布結構特征、各向異同性隨機性分布的結構特征、具有功能梯度特性的隨機性分布結構特征、具有異質(zhì)結構胞元分層特征的隨機性分布結構特征、具有隨機表面粗糙度的點陣結構(Groth et al. 2021). 研究人員采用單邊裂紋三點彎、四點彎實驗研究了最小曲面點陣結構的斷裂韌性, 并通過在相鄰分層胞元之間添加加強薄板, 可以實現(xiàn)裂紋在加強板界面分叉、改變裂紋傳播路徑, 進而增強最小曲面點陣結構的斷裂韌性(Conway et al. 2021). 受植物光合作用的啟發(fā), 通過引入光合作用產(chǎn)生的葡萄糖的下游反應機制, 研究人員開展基于光合作用輔助增材制造的材料強化工藝, 為了設計一個能夠與光合作用產(chǎn)生的葡萄糖進行交聯(lián)反應的聚合物網(wǎng)絡, 研究人員開發(fā)了一種具有丙烯酸酯和異氰酸酯基團(NCO) 的聚合物樹脂, 然后將樹脂與菠菜葉中提取的葉綠體混合. 丙烯酸酯基團可以用于基于光聚合的3D 打印, 經(jīng)過3D 打印后的NCO 基團變成了聚合物基體中的游離側(cè)基團. 在光照下可以與光合作用產(chǎn)生的葡萄糖分子上的羥基 (OH) 發(fā)生反應, 形成氨基甲酸酯 (-NH-CO-O-), 導致額外的交聯(lián)反應. 經(jīng)過兩個小時光照可以將原始材料的彈性模量、抗拉強度和斷裂韌性提高300%～620%. 可以進一步利用不同模式光束調(diào)節(jié)3D 打印結構不同區(qū)域的局部剛度, 通過光合作用增強實現(xiàn)材料剛度提升, 這一特質(zhì)與自然界中植物枝干在重物壓力下變得越來越強壯非常類似. 基于此工藝, 可以實現(xiàn)點陣結構內(nèi)部裂紋擴展路徑的設計和引導, 顯著提升點陣結構的斷裂韌性(Yu K et al. 2021). 與傳統(tǒng)金屬/合金相比, 高熵合金微點陣結構表現(xiàn)出更為優(yōu)異的比強度和可調(diào)控力學性能. 然而, 盡管高熵合金微點陣結構具有較高的強度, 但在較低的壓縮應變下(約7%)出現(xiàn)桿件組元脆性斷裂. 金屬/合金復合微點陣結構可以在保持較低重量的同時提高材料剛度和強度. 然而, 在較低的應變下(10%以下), 較軟的聚合物芯與表面硬質(zhì)金屬薄膜之間的模量失配和低附著力往往會導致薄膜/基體分離和桿件斷裂. 研究人員利用金屬材料的微納米尺度效應, 證明通過優(yōu)化微點陣結構CoCrNiFe 高熵合金薄膜厚度可顯著抑制膜基分離, 并延緩桿件組元斷裂, 同時實現(xiàn)比強度提升50%. 斷裂的支桿的截面形態(tài)也顯示出脆性斷口和膜基分離,通過優(yōu)化膜厚可以完全抑制膜基分離并大幅延緩點陣結構桿件組元的斷裂(Surjadi et al. 2021).

4 總結與展望

如圖20 所示, 本文從多晶體多尺度微結構特征出發(fā), 分類介紹不同類型點陣結構的新構型、新胞元設計方法, 闡明如何通過點陣結構的力學設計實現(xiàn)強度、剛度、沖擊吸能等多功能力學性能調(diào)控, 并揭示點陣結構在外部載荷作用下的力學行為和變形失效機理.

圖20晶體多尺度微結構特征啟發(fā)的點陣結構設計、力學性能調(diào)控及物理機理

根據(jù)晶體多尺度微結構特征, 可以把點陣結構分為: 七大晶系和十四種Bravais 晶格啟發(fā)的周期性點陣結構、節(jié)點/對角線增強點陣結構、多晶體微結構啟發(fā)的異質(zhì)點陣結構、孿晶微結構啟發(fā)的孿晶點陣結構、雙相合金微結構啟發(fā)的異質(zhì)復合點陣結構、合金功能梯度微結構啟發(fā)的功能梯度點陣結構、晶體缺陷啟發(fā)的點陣結構的節(jié)點和桿件組元改性設計、具有非周期隨機尺寸特征的點陣結構, 以及新型相變點陣結構等. 在多晶微結構啟發(fā)的點陣結構設計基礎上, 進一步開展新型輕質(zhì)多功能點陣超結構的多功能力學性能調(diào)控、點陣結構變形規(guī)律和失效機理分析, 總結出輕質(zhì)多功能點陣超結構的強度、剛度、沖擊吸能、疲勞性能和斷裂韌性等典型力學性能調(diào)控策略, 為輕質(zhì)多功能點陣結構的工程應用提供理論指導和技術支持.

致謝

國家自然科學基金(11972081; 12072241)的資助.