金属三维点阵结构拓扑构型研究及应用现状综述

金属三维点阵结构拓扑构型研究及应用现状综述易长炎;柏龙;陈晓红;刘富樯;张俊芳;龙樟【摘要】金属三雏点阵结构是一种具有轻质、高比强度、高比刚度以及多功能潜力的新型结构材料,近年来受到了国内外研究领域及工程技术领域的广泛关注.概述了不同拓扑构型的金属三维点阵结构,包括体心立方结构(BCC)、面心立方结构(FCC)和其衍生而来的拓扑结构、金字塔拓扑结构、变密度结构、钢丝绕织结构及几种针对加工限制而提出的拓扑结构,介绍了金属三维点阵结构的应用现状,分析了目前拓扑构型研究及应用研究所存在的问题.并在此基础上,指出金属三维点阵结构研究的发展趋势和可能的研究方向,为金属三维点阵结构及相关研究提供了参考.%Due to the mechanical property of the metal three-dimensional lattice structures is superior to the solid structures,scholars made many researches on them.In this paper,the research achievements of the three dimensional lattice topology configurations and applications in recent years are summarized.Firstly,reviewing the body-centred-cubic (BCC),face-centred-cubic (FCC),and its derived topology structure,and the pyramid topology.Pointing out that it is difficult to predict the mechanical properties of structures because of the limitation of the machining precision.And the pyramid structures lack a comprehensive and systematic comparison,so it is difficult to specify its mechanicalperformance.Secondly,graded density lattice structures and steel wire woven structures are described briefly,indicating that they have excellent energy absorption properties,but the premature failure of the lattice structures resultes in the incompletion of the whole structure,and the steelwire woven structures are highly anisotropic and highly dependent on the quality of brazed joints,which are still worthy of further improvement.Thirdly,other several topology configurations are proposed.Finally,the metal three-dimensional lattice structure applications were reviewed,analysis showing that a lot of research is needed because of the immaturity of the processing and filling technology,the too ideal experimental environment.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2017(048)010【总页数】11页(P10055-10065)【关键词】点阵结构;点阵材料;多孔材料;拓扑优化;变密度【作者】易长炎;柏龙;陈晓红;刘富樯;张俊芳;龙樟【作者单位】重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TB31在近年来随着材料制备工艺及其装备的迅速发展，金属三维点阵材料受到了航空航天、海军舰船、生物医学等诸多领域的关注，是极具潜力的先进轻质高强多功能材料。

金属三维点阵材料与传统材料最大的不同之处在于其具有千变万化的微结构与高孔隙率，还具有轻质高强、抗爆炸抗冲击、高效散热隔热、吸收电磁波及声音等优异的性能[1]。

因此，金属三维点阵结构构型及实际应用得到了大量的研究[2]。

为此，本文对金属三维点阵结构进行综述。

重点阐述目前金属三维点阵结构构型和应用两个主要研究方向的国内外研究现状，并归纳其存在的难点以及问题，在此基础上，最后分析金属三维点阵结构研究的发展趋势和可能的研究方向，为金属三维点阵结构及相关研究提供参考。

金属三维点阵拓扑结构包含体心立方结构(BCC)、面心立方结构(FCC)及通过这两类基础拓扑结构衍生而来的其它拓扑结构，以及金字塔结构、变密度结构、钢丝绕织结构及其它针对加工局限设计出的拓扑结构，其主要研究现状如下。

1.1 BCC、FCC等拓扑结构研究现状目前国内外针对金属三维点阵结构的夹芯研究主要集中在BCC、FCC及通过这两类基础拓扑结构衍生而来的其它拓扑结构。

这类结构是由结点和结点间连接杆件单元组成的按一定规则重复排列构成的空间桁架结构[3]，拓扑结构见图1。

选择BCC、FCC作为基础拓扑结构是因为制备方便可靠、破坏形式单一方便观察[4]。

学者们对这类拓扑结构的机械性能进行了大量的研究及比较。

Ushijima等[5]对BCC单胞的力学性能进行了理论计算，指出单胞的宽高比越小，支柱的直径越大，则初始刚度、塑形破坏强度越大。

另外，单胞的力学性能也受到母材的材料性能、支柱的制备角度[6]的影响。

Rehme等[7]对这8种结构的抗压性能进行比较发现，F2CCZ、F2BCCZ屈服强度-密度比值最高，BCC、FCC最低。

主要原因是F2CCZ、F2BCCZ多了与压缩加载方向相同的Z向支柱，Z向支柱的存在极大的提高了结构的抗压强度[8]，Leary等[9]指出峰值应力出现在Z向支柱上，证实了上述结论。

Smith等[10]指出Z支柱的存在却使胞元的破坏形式多样，不可预见。

Ostos等[11]指出，这类结构的压缩应力应变曲线均包含3个阶段，见图2。

第1个阶段是线弹性阶段，其应力应变曲线呈线性关系，结构主要发生弹性变形，直至在顶点处发生塑形破坏或脆性破坏；第2个阶段是平台阶段，第2个阶段的长短反映出点阵结构吸收能量的能力大小，Maskery等[8]同时也指出结构吸收大部分能量都在第2个阶段；第3个阶段是密实化阶段，材料的强度明显增强，此时的结构已经完全破坏。

除了图1所示的拓扑结构，Elsayed等[12]还提出了8位组桁架(octet-truss)点阵结构，Dong等[13]在此基础上进一步提出了碳纤维复合材料8位组桁架(octet-truss)点阵结构，结构见图3[13]。

由图3可知，这种结构的支柱是通过切割碳纤维层压板然后机械扣合粘接制备而成。

实验发现，这种结构的力学性能明显优于泡沫材料，与Ti合金8位组桁架结构相当，但单胞的制备成本仅仅是Ti合金单胞的1/5。

不足之处在于在制备这种结构的过程中会产生大量不可回收及不可重复利用的废材，增加了制备成本。

由以上分析可知，BCC、FCC及通过这两类基础拓扑结构衍生而来的其它拓扑结构作为一种空间桁架结构，具有制备方便可靠的优点。

另外，Z向支柱的存在虽然提高了结构的力学性能，但是破坏形式却变得不统一不可预见，使结构的进一步优化变得更加困难。

8位组桁架结构的单胞相对于图1中的单胞具有更多的结点以及支柱，使得其平台期更长，能吸收更多的能量。

1.2 金字塔结构研究现状目前，金字塔结构也得到了大量的研究，主要有5类金字塔结构，通过热压成型技术制备的碳纤维复合材料金字塔结构[14]，一级完全复合材料金字塔结构[15]，通过机械扣合装配结合真空焊接制备的Ni粘接TiC金字塔结构[16]，分层复合材料金字塔结构[17-18]以及二级金字塔结构[19]。

金字塔的一般结构如图4[19]。

对金字塔点阵结构进行压缩及剪切实验发现，有3种主要的失效模式：欧拉剪切破坏、面板起皱破坏以及面板破裂[14]。

Liu、Ming等[14-15]制备的一级金字塔点阵结构，采用热模压制技术，点阵夹芯与面板一次成型。

通过实验发现与BCC 等结构一样，金字塔点阵结构最脆弱的还是结点位置，即其3种失效模式都是源自于夹芯与面板连接处发生破坏。

针对这个问题，为了将结点加固，Dong等[16]采用激光束切割TiC金属陶瓷板，然后将其扣合装配，并在高温真空下用Ni进行焊接，制备过程见图5[16]。

将以上两种不同结点加固方法进行压缩实验比较发现，后者的弹性模量要远高于前者，也高于结点未加固的Ti合金金字塔[20]。

由此可以看出用Ni在高温真空中焊接的金字塔结构，结点得到了明显的加固，金字塔点阵结构的力学性能得到了明显的提高。

同时Zhang[21]在对TiC的研究中指出该材料可以耐受超过900 ℃的高温，由此Dong等[16]设想Ni焊接TiC金字塔结构在高温下也具有较好的形状稳定性，为金字塔结构应用在高温环境下提供了一种可能性。

另外，Yin等[17]研究了分层复合材料金字塔点阵结构，分层的含义指在金字塔点阵结构的支柱里面填充廉价的泡沫材料，这种形式的结构既具有抗拉性能也有抗弯性能。

金字塔还是采用激光切割结合机械扣合的方式制备，切割方式见图6[17]。

通过比较发现，通过a这种方式所制备的金字塔结构力学性能要远远优于另外一种，且两者的力学性能均优于传统的方形蜂窝结构。

Wadley等[19]研究了多层金字塔点阵结构，这种多层金字塔结构在层与层之间加入了实体板，整个结构均为304不锈钢，见图7。

静态压缩实验发现，在其应力应变曲线中，塑形应变在0～60%这个区段内均是平台期，且平台期的应力围绕一个恒定值做上下小幅度的波动，而且破坏也为一层一层逐层破坏的形式，表明这种结构具有良好的吸能特性。