轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

吴文旺 夏 热

1 上海交通大学海洋工程国家重点实验室, 上海 200240

2 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系, 上海 200240

3 武汉大学水力机械过渡过程教育部重点实验室, 武汉 430072

1 引 言

轻量化多功能点阵结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势, 在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械装备等工业领域具有巨大的应用潜力. 新型轻质高强多功能点阵结构是由哈佛大学A. G. Evans 和Hutchinson 教授、剑桥大学M. F. Ashby 和N. A.Fleck 教授、麻省理工学院L. J. Gibson 教授、弗吉尼亚大学Wadley 教授等在 2000 年左右提出并开展系统研究(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). 点阵结构是一类受金属晶格结构启发的由杆件和节点组成的周期性排布轻质高强结构,具有优异的比强度、比刚度、冲击吸能和吸声降噪等多功能一体化特性. 点阵结构可以根据其节点的杆件连接Maxwell 数分为拉伸主导型和弯曲主导型, 点阵结构的力学特性、变形模式和失效机理与点阵结构的Maxwell 数密切相关. 轻质多功能点阵结构的比强度、比刚度, 断裂韧性、抗冲击吸能能力、疲劳性能和减振降噪等力学性能和点阵结构胞元特征密切相关. 如何通过点阵结构的新构型、新胞元设计实现力学性能提升是实现点阵结构工程应用的重要途径之一.

最近几十年来, 科研人员利用多尺度微结构设计和多类型结构缺陷-微结构相互作用, 攻克合金结构材料“强度-韧性”固有矛盾, 并取得举世瞩目的科研成果和实际工程应用. 因此, 如何从晶体多尺度微结构特征出发, 开展基于结构缺陷相互作用机理的新型点阵超结构力学设计、功能调控和物理机理研究, 具有重要科学意义和工程应用价值. 近年来, 研究人员受布拉菲晶格、七大晶系和准晶的晶格空间几何特征启发, 开展新构型、新胞元轻质多功能点阵结构的力学设计和工程应用研究, 并取得显著进展. 有鉴于此, 本文提出基于点阵结构的“结构-功能一体化”研究思路, 开展多晶多尺度微结构启发的新型点阵超结构的力学设计, 分别从点阵结构的节点、杆件组元, 胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等角度, 阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计、多功能性能调控, 以及点阵超结构变形和失效机理, 为轻质多功能点阵超结构的工程应用提供理论指导和技术支持.

2 多晶多尺度微结构启发的点阵超结构力学设计

2.1 七大晶系和准晶空间几何特征启发的点阵结构设计

由相互连接的一维杆件组元在二维或者三维空间进行周期阵列排布的点阵结构材料具有优异的超常多功能一体化性能, 并展示了广泛的应用前景, 比如具有轻质承载多功能一体化的生物医学植入物、航空航天和海军装备轻质抗冲击减振降噪结构、智能传感和制动结构等. 通过点阵结构的拓扑构型设计和优化, 可以实现超常规物理特性, 比如负热膨胀系数、负泊松比、超低剪切模量、超常规阻尼特性和负质量密度等. 点阵结构的设计思想起源于合金材料的七大晶系,并结合合金材料多尺度微结构设计和微结构缺陷启发, 在力学设计方法和多功能一体化方法取得显著进展. 然而, 具有离散结构尺寸特征的宏观点阵结构的变形和失效机理、力学分析方法和连续介质力学经典理论有本质区别, 需要针对点阵结构发展相应的强度、刚度、冲击吸能、断裂失效、疲劳和减震降噪等基础理论和计算方法. 当单个点阵胞元的尺寸同工程结构整体宏观尺度相比很小时, 可以基于均匀化理论得到点阵结构的等效力学性能参数, 点阵结构单胞的力学性能可以用它们在外部载荷作用下的体积平均力学响应来表达. 在建立整体工程结构的宏观力学性能和点阵结构胞元之间的多尺度关系时, 需要分别从理论、实验和计算层面开展研究.

传统材料科学的研究主要从“制备工艺-多尺度微结构-宏观物理性能”的关联角度去展开,点阵结构的研究方法同样需要借鉴材料科学的研究思路, 开展多尺度的结构设计、结构-力学性能关系研究, 提出点阵结构的制造工艺和制备技术优化方法, 并建立制备工艺和服役性能之间的映射关系. 在点阵结构构型方面, 主要包含点阵结构空间几何关系 (梯度、多层级、异质结构、非周期排布等) , 点阵结构胞元类型 (节点和杆件的空间连接几何关系) , 杆件组元几何特征, 节点组元的几何特征等. 受材料科学七大晶系启发, 可以在{FCC}和{BCC}点阵结构的基础上通过仿射变换、平移、旋转、以及沿着三个主轴方向进行各向异性伸长/缩短、不同类型胞元放大/缩小后串/并联, 可以形成非立方构型的七大晶系启发的新型超点阵结构胞元(Zok et al. 2019,2016). 点阵结构构型分类可以实现两个重要目标: (a) 为具有无限可能的基于杆件-节点的空间几何连接关系的点阵结构提供有序的设计规范和分类方法; (b) 为基于点阵结构的复杂构件和装备的多尺度力学设计提供一个基础点阵结构构型数据库和设计参考准则.

点阵结构的节点和杆件可以具有不同的拓扑构型. 图1(a)为具有弹簧特征的杆件组元构成的点阵结构, 该结构具有J 型应变-应力曲线, 可以用于设计具有生物材料力学特性的新型人工材料(Yan et al. 2020). 图1(b) 为具有双螺旋结构特征的新型无节点点阵结构, 其中节点处采用编织而非固定节点, 大幅提升结构的弹性变形能力和断裂韧性(Moestopo et al. 2020). 图1(c)为采用新型非直线杆件和直线杆件混杂构筑的新型点阵结构, 该结构可以同时实现拉伸主导型和弯曲主导型点阵结构的综合性能优势, 实现压缩吸能过程中点阵结构峰值应力下降和高平台应力的协同功能, 大幅提升传统拉伸主导型点阵结构的吸能效率(Wang et al. 2021). 图1(d)为由波浪形杆件组元构筑的点阵结构三明治夹心复合板, 其杆件组元的失效模式由屈曲主导, 可以通过波长和振幅调节实现应变-应力曲线定制化(Clough et al. 2019). 图1(e) 为具有不同横截面尺寸的波浪形曲线杆件组元, Suard et al. (2020)提出了用它们进行力学性能定制化的轻质点阵结构设计方法, 建立了增材制造杆件组元的表面粗糙度对实际力学性能的影响规律. 图1(f)为具有变截面特征的点阵杆件组元, 可以有效抑制传统均匀杆件点阵结构的局部剪切带失效, 防止整体结构承载能力的丧失, 显著提升结构的承载能力和结构效率(Liu X et al. 2021). 图1(g) 为具有节点扭转效应的手性网状点阵结构, 可以实现结构的应变-应力曲线和力学行为更大范围的调控(Liu J et al. 2021a). 图1(h)为节点组元的多层级结构, 设计可以提升点阵结构的比刚度和比强度, 显著提升结构的面外吸能能力(Wu W et al. 2019, Mousanezhad 2016). 图1(i)为节点增强设计, 可以提升点阵结构比强度、有效抑制局部剪切带的形成, 并显著提升点阵结构的抗疲劳力学性能(Tao & Leu 2016).

图1点阵结构的节点和杆件组元创新设计. (a) 三维弹簧单螺旋状杆件, (b) 三维螺旋状杆件, (c) 非对称杆件, (d) 不同波长波浪状杆件, (e) 不同粗细波浪状杆件, (f) 变截面杆件, (g) 具有扭转效应的节点, (h) 节点参数化多层级设计, (i) 节点增强设计

图2典型点阵结构胞元分类

除了针对点阵结构的节点和杆件组元进行几何特征设计之外, 可以进一步依据合金材料的七大晶系及准晶的晶格特征, 开展点阵结构胞元构型设计, 如图2 所示. 主要包括: 仿照七大晶系形成的立方点阵结构 (FCC, BCC, SC) 胞元(Refai et al. 2020)和密排六方点阵结构胞元(Pan et al. 2020)、准晶点阵结构胞元(Wang et al. 2019)、最小曲面点阵结构(Refai et al. 2020)、板-杆混杂异质点阵结构(Torres et al. 2019)、带孔板状点阵结构 (Li T et al. 2021)、弯曲杆件形成的点阵结构(Wang P et al. 2021)、具有非对称结构特征的点阵结构(Wang P et al. 2021)、板状点阵结构(Zeng Q et al. 2021)等.

节点作为点阵结构的最重要的结构组元之一, 在结构的强度、疲劳以及多功能一体化协同设计中发挥着独特的作用. 可以根据目标力学性能和功能需求, 针对点阵结构的节点组元进行力学性能增强或者减弱设计. 近年来, 研究人员设计出没有传统意义上的固定节点的新型点阵超结构, 可以实现超常规力学性能调控, 并展示极大的工业应用潜力. 具有复杂空间拓扑特征的周期性点阵结构可以通过杆件组元在空间重复排布来实现, 但是如何实现相邻的点阵结构杆件组元在节点处的高效连接依然是技术挑战. 研究人员提出通过浸渍工艺输送连接剂材料来连接离散的点阵结构中的相邻节点组元, 并分别采用液态环氧树脂和固态无机颗粒混合的连接剂用于聚合物-金属和金属-金属杆件之间的浸渍连接. 所制备的点阵结构主要依靠杆件之间的连接剂连接强度来实现点阵结构的强度和刚度, 节点处的弧形过渡导致节点处出现力学性能薄弱区域, 类似于无节点状态(Khoda et al. 2021). 研究人员设计出具有多层级结构的最小曲面点阵结构, 能够随意改变传力路径实现集中载荷像流体一样高效扩散, 提升了结构的集中力扩散效率, 这种多层级最小曲面点阵结构没有严格的固定节点概念, 处处皆是节点, 也可以视为处处没有节点(Zhang L et al. 2021). 传统的基于杆、板、壳、膜结构组元的周期性点阵结构胞元具有高度几何对称性和内部空间流通性, 但是这种结构高度对称的周期性点阵结构胞元的制造工艺缺陷引起的结构非对称性会导致真实制备的点阵结构的功能发生显著劣化. 通过利用多孔材料的多尺度自组织结构制造技术可以制备出具有结构非对称性、双曲率平滑表面和壳膜结构特征的、内部高度连通的非对称点阵结构, 可以实现轻质高强、高冲击吸能效率和内部高效流动性的多功能一体化特性, 特别适合具有内部连通性约束、力学性能对制造缺陷高度敏感的轻质点阵结构增材制造工艺, 有效克服制造工艺局限和高可靠性、多功能性之间的矛盾, 实现点阵结构的力学性能缺陷不敏感, 克服高刚度与高回弹、可恢复性能之间的固有矛盾. 此外, 这种通过结构自组织制造工艺实现的点阵结构, 具有良好的定制化可调控的各向异性(Portela et al. 2020). 具有宏观各向同性弹性力学性能的点阵结构可以通过具有弹性各向异性的基本立点阵结构胞元 (简单立方体, 体心立方或面心立方点阵结构) 按比例进行结构复合形成. 研究人员提出一种基于中空杆件组元的新型各向同性点阵结构设计方法, 并通过改变具有不同空间取向的空心管内径与外径比例来实现点阵结构胞元的各向异性调控. 根据加载方向的不同, 立方点阵结构杆件组元的力学响应特征从弯曲主导型逐渐演化为拉伸主导型. 因此, 可以通过改变中空杆件组元的横截面几何特征尺寸, 有效调控杆件的弯曲刚度与轴向压缩刚度的比例, 实现点阵结构的宏观各向异性力学性能调控. 载荷通过中空节点处的光滑弧形转向设计实现不同方向的载荷传递, 可以降低中空节点处的应力集中度, 提高点阵结构的比强度、比刚度(Tancogne et al. 2018). 虽然许多基于杆、板、梁组元的人造三维点阵结构材料可以实现高比刚度和大变形等优异的力学性能, 但节点处的应力集中和自由度约束限制了点阵结构力学性能的进一步提升. 有鉴于此, 研究人员设计了由双螺旋杆件缠绕形成的螺旋复合杆件构筑而成的点阵结构, 交错的螺旋杆件组元在节点处相互穿插编织, 并通过螺旋编织接触的可动节点进行载荷和应变能交换, 从而形成具有非固定节点的多层级点阵结构, 可以实现复杂的、可定制的力学响应曲线, 为传统刚性和脆性材料实现大变形性能提供了新的设计方法, 并为实现具有复杂非线性力学性能的三维点阵结构提供新的设计理念(Moestopo et al. 2020). 为实现声学功能与力学性能的完美融合, 研究人员基于模块化设计理念实现反射波和透射波的高效调控, 实现不同频段的完美吸声效果, 并提出四类兼具优异声学功能和力学性能的基于面心立方点阵结构的衍生点阵超结构, 通过在面板组元的节点处引入球形孔洞可以清除3D 打印过程中板状点阵结构内部残留物, 面板之间通过球形孔洞连接, 可以形成亥姆霍兹共振腔. 更重要的是节点处的球形孔洞可以显著降低面板组元交界处的应力集中, 提升板状点阵结构的力学性能; 此类无节点设计可以实现点阵结构的多功能一体化性能提升, 通过进一步调控点阵结构空间布局即可实现不同的声波操控功能, 如良好的吸声系数、多频段吸声等(Li X et al. 2021). 研究人员提出一种点阵胞元构型可切换的相变点阵结构, 可以通过变形过程中节点接触状态的调控实现拉伸主导型点阵结构和弯曲主导型点阵结构的构型切换, 实现不同结构刚度之间的模态切换, 并通过部分节点对的合并和裂变进行点阵结构胞元构型调控(Elsayed & Pasini 2010).

如何提升点阵结构的比强度、比刚度是轻质多功能结构研究方向的一个重要科学问题(Liu Y et al. 2020). 如图3 所示, 研究人员提出若干种基于节点强化和对角线定向强化的多尺度力学设计方法来提升点阵结构的比刚度、比强度和抗疲劳性能. 如图4(a) 和图4(b), 可以通过将周期性点阵结构的对角线胞元更换为比强度更高的异质点阵结构胞元, 可以提升结构的强度和刚度(Vangelatos et al. 2020a, Xiao R et al. 2021); 如图4(c) , 点阵结构的节点换成直径更大的实心球可以实现比强度、比刚度的增强设计(Liu Y et al. 2020); 如图4(d) , 节点和中空杆件之间采用薄板平滑过渡连接, 实现比强度、比刚度增强设计(Dever et al. 2013); 如图4(e)和图4(g) , 杆件组元采用变截面设计, 可以实现节点间接等效增强(Qi et al. 2019b, Tancogne-Dejean & Mohr 2018a); 如图4(f)和图4(h), 节点和杆件连接过渡区域的平滑增强(Portela et al.2018, Latture et al. 2018, Dallago et al. 2021).

2.2 多晶微结构启发的新型点阵结构设计

如图5 所示, 合金材料多晶体微结构内部存在着多种类型的固体缺陷, 主要可以分为: 点缺陷 (空洞、间隙子、溶质原子等) 、线缺陷 (刃型位错、螺型位错、位错环) 、面缺陷 (晶界、相界、孪晶、层错) 、体缺陷 (空洞、裂纹、夹杂、二次相等). 这些不同维度、不同尺度的缺陷影响着合金材料的强度、韧性、疲劳、冲击吸能、阻尼等物理性能. 首先, 缺陷的设计在调控合金材料的强度-韧性方面极为重要, 合金有几种典型的硬化机制, 比如 (a) 加工硬化 (应变硬化) : 由于位错之间的相互作用, 延展性金属随着塑性变形程度的增加而变得更硬更强, 屈服应力、拉伸强度均得到提升. (b) 晶粒细化、位错与晶界的相互作用: 晶界失配、晶界两侧不同的晶体取向对位错运动起到阻碍屏障作用; 更小尺寸的晶粒比较大的晶粒具有更多的晶界密度, 晶界区域原子无序排列将导致滑移平面的几何不连续性. 此外, 还有其他晶界效应有助于合金硬化和增韧, 例如: 高/小角度晶界、孪晶界面、二次相、夹杂相界面等. (c) 固溶体强化效应: 溶质原子和夹杂原子的应力场会干扰位错迁移, 杂质原子通过扭曲晶格产生应力, 并对位错运动产生阻碍作用. (d) 异质夹杂相增强: 通过夹杂相界面的非连续阻碍位错迁移, 位错攀爬并绕过沉淀物, 通过著名的Orowan 机制来阻碍位错的快速运动. (e) 空洞缺陷演化: 通过空洞形成、生长、贯穿将促进合金材料的韧性提升, 并影响裂纹萌生、扩展过程(Roters et al. 2010).

图3晶体微结构启发的点阵超结构多尺度新胞元、新构型力学设计. (a) 具有镜像特征的新型孪生三斜晶系点阵超结构力学设计(Bian et al. 2021), (b) 具有异质结构特征的跨尺度随机点阵超结构设计(Quang et al. 2021), (c) FCC 和BCC 异质结构点阵结构胞元混杂构成的复合点阵超结构(Pham et al. 2019), (d) 具有随机取向的几种不同类型最小曲面点阵结构形成的复合结构(Oraid et al. 2021); (e) 具有共格晶界和几何镜像特征的点阵超结构设计(Liu C et al. 2021), (f) 基于结构孪生和杆件组元接触改变点阵结构变形和承载模式的相变点阵结构(Vangelatos et al. 2019,Vangelatos et al. 2020a), (g) 二维FCC 和BCC 混杂的多晶点阵结构(Li W et al. 2021), (h) 基于结构中心对称性和准晶拓扑构型的轻质高强准晶点阵结构(Wang & Sigmund 2020, Somera et al. 2022)

结构材料多尺度微结构特征和变形机理, 主要体现在如下三个方面: (a) 多晶合金结构材料存在不同类型的微结构拓扑特征, 比如: 异质结构、双相结构、层叠结构、多层级结构、等轴晶、晶界、沉淀物、孔洞等; (b) 纳米晶体材料存在多种类型变形机理导致材料的强韧化, 比如: 晶界变形和运动 (厚度、滑动、攀爬) 、晶粒变形和运动 (旋转、扭曲、尺寸效应) 、位错滑动、位错攀爬、位错-晶界相互作用等; (c) 生物结构材料具备优异的强韧化力学性能, 主要和其多尺度微结构密切相关, 比如: 砖/泥微结构, 螺旋微结构, 多层级结构, 梯度微结构, 矿物/纤维网状结构, 交叉层叠结构, 软硬复合夹杂等; 其强韧化力学性能主要通过如下经典机制实现: 裂纹桥接, 裂纹扭曲, 裂纹偏转, 拉伸剪切耦合, 界面互锁等(Dunlop & Fratzl 2013). 因此, 通过模仿合金多晶体结构材料、生物结构材料的多尺度微结构特征, 并将合金结构材料、生物结构材料的多尺度微结构和缺陷演化规律、结构变形和失效机理融合到点阵超结构的多功能一体化设计过程中, 对于新型点阵超结构的新胞元、新构型力学设计理论、制造工艺、多功能一体化、工程应用拓展具有重要科学意义(Zok et al. 2019).

图4点阵结构的节点/对角线强化设计. (a) 和 (b) 将周期性点阵结构的对角线胞元更换为比强度更高的异质点阵结构胞元(Vangelatos et al. 2020a, Xiao R et al. 2021), (c) 点阵结构的节点换成直径更大的实心球(Liu Y et al. 2020), (d) 节点和中空杆件之间采用薄板平滑过渡连接 (Dever et al. 2013), (e) 和 (g) 杆件组元采用变截面设计(Qi et al. 2019b, Tancogne-Dejean & Mohr 2018a), (f) 和(h) 节点和杆件连接过渡区域的平滑增强(Portela et al. 2018, Latture et al. 2018, Dallago et al. 2021)

图5多晶体多尺度微结构及典型缺陷特征. (a) 多晶体多尺度微结构特征(Roters et al. 2010), (b) 不同尺度的结构缺陷分类

图3(a)展示了基于长石三斜晶系和孪晶微结构的新型孪生三斜晶系点阵超结构力学设计,Bian et al. (2021)通过孪晶界面的引入和调控可以提升三斜晶系点阵结构的吸能性能, 并利用纳米晶体的Hall-Petch 关系模型研究了压缩吸能过程中的尺寸效应, 提出孪晶点阵结构中平台应力与孪晶层厚尺寸平方根之间的演化规律的尺寸效应经验公式的适用性. 图3(b)展示了基于均匀化理论和拓扑优化方法设计的具有异质结构特征的跨尺度随机点阵超结构, 该结构可以克服点阵结构各向异性和点阵杆件连接效率低的固有性能缺陷, 承受任意方向的外部载荷, 并具有较高的结构缺陷不敏感性, 大大提升了周期性结构的复杂载荷环境适应范围和性能可靠性(Quang et al. 2021). 如图3(c)所示, 当外部载荷超过材料屈服极限时, 传统合金结构材料会通过大规模位错滑移形成局部剪切带, 并导致合金结构材料发生屈服和塑性变形. 受此启发, 研究人员通过模仿多晶体材料的多尺度微观结构 (如晶界, 夹杂物和二次相等) , 设计出通过FCC 和BCC 点阵结构胞元混杂构成的复合点阵超结构(Pham et al. 2019). 如图3(d) 所示, 现有仿晶格周期性点阵结构普遍具有各向异性和局部剪切带失效导致的整体结构破坏, 大大限制了其结构效率和功能潜力. 研究人员设计出具有随机取向的几种不同类型最小曲面点阵结构形成的复合结构, 可以任意调整最小曲面点阵结构组元的空间取向和不同区域的最小曲面点阵结构胞元类型所设计的最小曲面点阵复合结构在整个压缩过程中表现出拉伸主导型失效模式, 而且没有发生局部剪切带失效, 显著提升了周期性最小曲面点阵结构的结构效率(Oraid et al. 2021). 如图3(e) 所示,通过借鉴冶金学领域的多晶微结构设计理念, 受多晶体微结构界面限制滑移带传播距离并实现材料强化的物理机理启发, 研究人员开展点阵超结构的界面设计来抑制点阵结构屈曲力学行为,通过多晶界面两侧不同晶粒类型和晶界两侧晶粒取向的改变, 可以抑制点阵结构局部剪切失效带传播距离, 降低局部剪切带导致的整体失效的可能性. 此外, 可以进一步利用尺寸效应 (Hall-Petch 效应) 提升点阵超结构的强度, 具有共格晶界的超点阵结构的屈服强度随着点阵结构晶粒密度增加 (晶粒尺寸减小) 而显著增强; 虽然随着晶粒尺寸减小, 相应的周期性完美点阵结构杆件组元的比例显著下降, 这说明共格晶界对于提升点阵超结构胞元的屈服强度极为重要(Liu C et al. 2021). 如图3(f)所示, 受到合金材料变形过程中结构相变和空间对称性演化过程的启发,研究人员开展基于结构孪生的新型点阵超结构的力学设计, 利用点阵结构的临近杆件组元在屈曲变形过程中发生接触, 并改变点阵结构杆件组元的变形和承载模式、增强点阵结构的承载能力, 实现点阵结构比强度、比刚度和吸能能力的显著增强(Vangelatos et al. 2019, Vangelatos et al. 2020a). 如图3(g)所示, 研究人员设计了具有非共格晶界的二维多晶点阵超结构, 可以将传统周期性排布点阵结构的主剪切带分散为多晶结构内部的多条局部剪切带, 实现剪切带密度的定制化和可编程, 进而可以调控点阵超结构在压缩过程中的局部变形模式和失效剪切带分布规律,实现了点阵超结构的平台应力和吸能效率大幅提升(Li W et al. 2021). 如图3(h) 所示, 通过利用结构中心对称性和准晶拓扑构型, 可以设计出具有各向同性特性的轻质高强准晶点阵结构, 并可以通过参数化优化方法实现点阵结构比强度、比刚度的显著提升(Wang & Sigmund 2020,Somera et al. 2022).

如图6 所示, 在合金微结构变形力学行为和失效破坏机理方面, 主要有: 结构相变、位错滑移系开动、剪切带形成和演化(Peirce et al. 1982)、高速冲击下热力耦合形成的绝热剪切带(Guo Y et al. 2019)、位错-夹杂相互作用的Orowan 机制(Roberts 1949, Queyreau et al. 2010,Bacon et al. 1973, Kombaiah et al. 2015)、位错的点缺陷钉扎机制, 位错在晶界处堆积强化效应,位错-晶界相互作用; 孔洞生长演化、孔洞贯穿(Benzerga & Leblond 2010); 裂纹沿晶断裂和穿晶断裂等. 这些微尺度的材料变形行为和失效机制对于新型点阵结构的力学设计具有重要借鉴意义, 可以为新型点阵结构的力学性能、变形模式和失效机理研究提供重要启发.

图6多晶体微结构失效经典机制. (a) 晶格相变变形, (b) 位错滑移系开动, (c) 孪晶界面的形成,(d) 剪切滑移带的形成, (e) 高应变率载荷下的绝热剪切带, (f) 位错-夹杂物相互作用Orowan 机制, (g) 位错-晶界相互作用, (h) 孔洞生长演化和贯穿, (i) 沿晶界/穿晶裂纹扩展

图7点阵结构中的典型结构缺陷效应. (a) 夹杂物-失效滑移带相互作用Orowan 机制, (b) 硬点阵结构夹杂物增强软基体点阵结构, (c) 孔洞生长演化和贯穿, (d) 弱缺陷对应的杆件缺失和孔洞效应, (e) 随机杆件缺失效应

如图7(a) 所示, 受冶金学领域的位错-夹杂物相互作用过程中位错运动攀爬绕行的Orowan 机制的启发, 研究人员通过在软基体点阵结构中引入增强型点阵结构夹杂物弥散相, 可以实现软基体点阵结构的强化; 并分析比较冶金学中基于阻碍位错运动的夹杂物硬化原理与点阵结构材料中硬点阵结构夹杂物的结构强化机理的相似性和差异性(Lu Z et al. 2020). 如图7(b)所示, 研究人员系统研究了由脆性基体材料制备的异质多相复合点阵结构中大角度、非共格相界对结构吸能特性的影响规律, 研究发现: 由于非共格相界的存在, 点阵结构的初始屈服应力明显下降; 但是晶界的存在有效抑制了局部剪切失效带的持续快速扩展, 阻止了整个点阵结构的脆性断裂失效, 晶界的存在可以将脆性点阵结构的吸能能力提升近7 倍. 通过模仿镍基高温合金微结构中相界特征, 在软点阵结构基体中设计出具有增强效应的异质点阵结构夹杂相, 可以实现点阵超结构在压缩过程中力学性能的增强, 发现剪切带会在夹杂相界面发生弯曲绕行, 非常类似于晶体学中的位错绕行夹杂物的Orowan 机制, 所设计的含有异质点阵结构夹杂增强相的复合点阵结构的强度与夹杂增强相的强度、空间间距成比例(Pham et al. 2019). 如图7(c)所示, 类似于合金材料的孔洞生长、贯穿失效过程, 可以在周期性点阵结构中引入不同大小、不同空间取向、不同拓扑分布特征的孔洞缺陷, 可以实现点阵超结构在拉伸过程中的裂纹扩展路径调控, 以及压缩过程中局部失效带演化过程的调控(Bhuwal et al. 2021). 图7(d) 显示了典型杆件缺失、胞元缺失形成的空位型、空洞型缺陷对点阵超结构力学性能的影响(Vangelatos et al. 2020a). 图7(e)显示了考虑点阵超结构内部典型结构缺陷特征的多尺度计算分析模型, 空间随机分布杆件缺失对于点阵超结构力学性能的影响, 以及点阵超结构强度和刚度的结构缺陷敏感性(Latture et al.2019).

2.3 双相合金微结构启发的双相复合点阵结构设计

在高性能合金结构材料微结构设计方面, 双相组分材料的多尺度微结构设计在提升材料的强度、断裂韧性、冲击吸能力学性能方面发挥着极为重要的作用. 双相合金材料可以通过异质材料界面设计实现位错滑移系调控, 利用位错-相界面相互作用实现综合力学性能提升. 图8(a)展示了具有共格、非共格、半共格相界特征的双相合金典型界面模型; 图8(b)展示了具有γ/γ′双相复合结构特征的高温镍基合金筏化微结构, 能够实现高温强度、韧性和抗蠕变性能的协同提升; 图8(c) 展示了具有逐层交错排布的纳米多层薄膜双相复合结构, 具有优异的韧性和极端环境抗辐照性能(Beyerlein et al. 2013); 图8(d)展示了纳米双相复合超强合金的微结构, 研究人员通过磁控溅射法将直径约6 nm 的MgCu2晶粒均匀地嵌入约2 nm 厚的富含镁的无定形基体材料中获得具有非晶/纳米晶双相结构的镁基超纳尺寸双相玻璃晶, 所制备的纳米双相复合材料充分结合并增强纳米晶体材料与非晶纳米材料的优势, 强度近乎理论预测的理想极限3.3 GPa.同时, 研究者提出了一种新的强化机制: 通过在无定形基体中夹杂直径约6 nm 的无位错纳米晶粒, 可以阻止局部剪切带的快速直线传播, 实现传统合金材料的主失效剪切带的均匀分散和多尺度细化, 并结合纳米晶粒的晶粒二次细化和晶粒旋转实现协同变形, 有利于材料强化和抑制剪切带(Ge W et al. 2017); 图8(e)展示了粗晶颗粒夹杂在细晶粒基体中形成的跨尺度双相异质复合微结构, 可以实现结构的强度和韧性的大幅提升, 所制备的双相异质结构合金不仅具有超细晶结构的高强度, 同时具有传统粗晶的较大拉伸塑性. 这种“软-硬”层片微结构具有很大的加工硬化能力, 甚至超过粗晶结构. 虽然“软”层片的体积分数达到了25%, 材料整体强度仍可达到超细晶的强度(Wu X et al. 2015). 图8(f)展示了高强双相钢的奥氏体/马氏体双相复合微结构特征, 可以实现强化相和韧性软基体的变形协同, 实现强度-韧性的协同设计.

图8具有双向微结构特征的高性能双相合金材料多尺度微结构设计. (a) 双相合金异质结构界面模型, (b) 镍基单晶筏化微结构, (c) 纳米双相复合多层结构, (d) 纳米颗粒夹杂无定形基体形成的纳米双相刚, (e) 强韧一体化跨尺度异质结构, (f) 具有奥氏体/马氏体双相复合微结构特征的高强钢

图9双相结构的分类

受高性能双相合金微结构的启发, 研究人员设计了不同类型的双相复合结构, 可以实现点阵超结构的力学性能提升, 比如强度、刚度、断裂韧性、冲击吸能特性等. 如图9 所示, 根据几何特征和变形模式, 双相复合点阵超结构可以分为如下类型: 点阵胞元的杆件组元内采用异质层状复合结构形成多层级点阵超结构(Yu W et al. 2021)、点阵结构胞内不同空间取向的杆件组元采用异质材料(Tankasala & Fleck 2019)、点阵胞元内部采用板-杆混杂异质结构(Zadpoor 2020,Torres et al. 2019)、异质点阵结构胞元在同一空间内并联形成增强型复合点阵超结构(Tancogne-Dejean & Mohr 2018b)、异质点阵结构跨尺度并联复合(Xue R et al. 2020)、异质点阵结构胞元分层交错串联复合(Traxel et al. 2021)、硬点阵结构夹杂增强相弥散在软点阵结构基体形成的夹杂增强复合点阵结构(Yin S et al. 2021)、相同类型点阵结构胞元隔层采用异质材料制备的异质材料复合结构(Xiao R et al. 2021)、基于点阵结构填充薄壁结构的复合结构设计(Hu L et al. 2021)、聚氨酯树脂基体填充点阵结构(Li X et al. 2020)、异质点阵结构胞元互穿形成的复合点阵结构(White et al. 2020)、基于点阵结构构型突变的相变点阵结构(Zhao Z et al.2019)等.

研究人员提出基于快速傅里叶变换的点阵结构力学性能均匀化分析方法, 能够得到点阵结构的等效力学特性. 有限元数值分析结果表明: 具有三重周期性最小曲面 (如diamond, gyroid,Neovius 和Schwarz P 胞元) 点阵结构的体积模量可以接近复合材料Hashin-Shtrikman 准则上限. 然而, 这些最小曲面点阵结构胞元的高杨氏模量是以低剪切模量为代价获得的, 反之亦然.杨氏模量和剪切模量之间的矛盾表明, 可以将两种力学性能互补的异质点阵结构胞元 (杨氏模量高剪切模量低、杨氏模量高剪切模量低) 组合起来形成复合点阵结构, 通过性能优势互补的设计策略实现同时具有高杨氏模量, 高剪切模量和高体积模量的理想各向同性点阵结构(Chen Z et al. 2019). 受到Al-Si 双相复合合金微结构的启发, 研究人员开发出异质材料填充式复合点阵结构(Yang J et al. 2021). 与常规周期性点阵结构相比, 新型填充式点阵结构的单位体积能量吸收和比吸能性能指标分别提高了32.8%和38.3%. 研究人员设计并采用3D 打印技术制备包含多晶界面的异质点阵结构复合形成的多晶点阵超结构, 发现多晶点阵超结构形成的失效剪切带在孪晶边界两侧是对称的, 这证实了孪晶超点阵结构中的剪切带行为与冶金学上的晶体孪晶中的滑动行为相似. 多晶点阵超结构晶界两侧不同空间取向可以有效地抑制失效剪切带的传播, 且点阵超结构的屈服强度随着点阵超结构的尺寸减小而显著增大, 表现出类似于纳米晶体的Hall-Petch 尺寸效应(Pham et al. 2019). 研究人员设计具有逐行/列交错排布的异质点阵结构胞元,并开展压缩吸能特性和失效机理研究, 结果表明: 逐行排布的BCC 和FCC 胞元交错堆叠设计策略对于失效剪切带的抑制效果显著, 能够将周期性排布点阵结构的剪切带失效模式转化为逐层失效的渐进破坏模式, 大幅提升结构的吸能能力和结构效率. 点阵结构逐列交错排布设计中较弱的点阵列容易产生屈曲失效, 也较容易形成失效剪切带模式, 力学性能不如逐行交错排布(Lei H et al. 2021). 研究人员设计了相互穿梭交错互锁的双相复合点阵结构, 其中不同胞元的组元杆件完全没有彼此连接, 通过利用压缩过程中杆件之间的相互接触实现改变杆件组元的受力状态、承载能力和变形模式, 可以显著提升复合结构的整体吸能能力(White et al. 2020). 自然界中的承载结构材料通常是以复合材料形态存在的, 通过精致的复合结构设计实现卓越的多功能一体化力学性能. 受生物结构材料和工程合金结构材料中观察到的夹杂相硬化机制的启发, 研究人员通过利用力学性能有明显的差异的软、硬点阵结构分别作为基体和增强相用于设计双相复合点阵结构. 通过合理软/硬点阵结构的拓扑排布设计, 可以实现刚度、强度、韧性和比吸能等力学性能指标的显著提升; 进一步通过充分利用软基体中硬夹杂的相界滑移能量耗散机制, 可以设计出具有最大滑移面积的力学性能优异的双相复合点阵超结构, 其中软基体点阵结构相中的每个侧面完全被硬夹杂点阵结构增强相包围, 这种夹杂增强型复合点阵结构表现出优异的比吸能指标, 是软基体点阵结构的约2.5 倍(Yin S et al. 2021). 研究人员受镍基超级合金γ/γ′超晶格的筏化微结构启发, 并结合金夹杂相强化机制, 提出多层级微点阵超材料设计方法: 通过将OCT 单元作为第二相强化点阵结构引入BCC 点阵结构基体中, 并沿着45fl对角平面取向排布, 可以得到力学性能优异的OCT-BCC 双相点阵超结构. 与原始BCC 点阵超结构相比, 该OCT-BCC 双相点阵超结构沿水平方向和纵向的压缩比强度显著增大300%和600%, 刚度和能量吸收能力也得到显著提高(Xiao R et al. 2021). 研究人员设计并制备了具有不同尺度的周期性板状点阵结构胞元, 并通过结构复合实现失效剪切带的有效抑制, 在一定程度上提升了点阵超结构的比强度、比刚度和吸能特性(Xue R et al. 2020). 研究人员开展了基于贝叶斯优化的多相异质复合点阵结构设计, 可以实现复合点阵结构应变能密度大幅提升(Vangelatos et al. 2021). 受到密质骨内部软硬相复合材料强韧化机制的启发, 研究人员设计了具有软硬多层结构交错排布特征的点阵结构杆件组元, 并构筑立方点阵结构胞元, 这种由软硬相复合制备的多尺度点阵结构的吸能特性得到显著提升(Yu W et al. 2021). 研究人员设计了具有空间互补的复合点阵结构, 分别采用八角点阵、最小曲面点阵、三角函数构型点阵结构作为增强相点阵结构骨架, 并用软聚合物材料相去填充三类点阵结构骨架, 发现软硬复合填充式点阵结构在压缩过程中表现出更少的整体突然破坏和更优异的损伤破坏容限, 在压缩高应变密实化增强阶段表现出显著的吸能性能优势, 可以实现高刚度、高强度以及更为平稳的压溃应力平台段, 且密实化应变有所提升(Zhang Y et al.2021). 研究人员提出了基于韧性杆件和脆性杆件沿着不同空间取向混杂构筑的异质点阵结构胞元, 可以大幅提升脆性点阵结构的断裂韧性和缺陷不敏感特性(Tankasala & Fleck 2019). 研究人员提出基体填充点阵结构骨架形成的复合点阵结构, 可以显著增强点阵结构骨架的压缩吸能特性, 并能通过基体-杆件组元界面的相互作用改变杆件组元的失效模式, 实现填充式复合点阵结构的应变能分散, 进而提升复合点阵结构的整体力学性能(Li X et al. 2020).

2.4 孪晶点结构设计

通常, 强度和韧性是传统结构材料的力学性能固有矛盾, 鱼和熊掌不可兼得. 在弹性阶段,强度越高的材料需要更小的截面积来承受相同的外部载荷; 韧性越好, 材料变形过程中吸收的能量越多. 如何设计材料多尺度微结构, 并激活所希望的变形机理和耗能模式, 实现强度与韧性两者兼得, 具有重要科学意义. 最近几年, 孪晶钢 (TWIP) 表现出优异的强度和韧性, 可以在事故过程中将大量的冲击能量耗散在材料变形过程中, 具有广泛的应用潜力. 研究人员进一步开展具有梯度多级次孪晶结构钢的多尺度微结构设计和制备, 通过预加的扭转变形在孪晶钢中实现孪晶密度梯度, 大幅度提升孪晶钢材料的强度且不损失拉伸韧性.

研究人员受到孪晶、梯度孪晶、多层级孪晶和梯度多层级孪晶微结构的启发, 系统开展孪晶力学超结构 (常规孪晶、梯度孪晶 (孪晶间距梯度、孪晶界面夹角梯度) 、多层级孪晶, 双相合金孪晶等) 的参数化设计(Wu W et al. 2022), 并通过利用面投影立体光刻3D 打印制备技术和原位拉伸、压缩、三点弯力学实验测试方法, 研究了孪晶角度、孪晶间距与点阵超结构比强度之间的关联关系. 针对传统拉伸主导型点阵超结构存在吸能效率较低、弯曲主导型点阵超结构存在平台应力水平低下等固有力学性能局限, 通过孪晶力学超结构设计可以在维持较高平台应力的同时, 大幅提高拉伸主导型点阵结构的吸能效率 (从60%左右提升到95%以上) , 协同发挥拉伸主导型点阵和弯曲主导型点阵的优势, 并保持拉伸主导型点阵的强度和断裂韧性; 此外,通过改变孪晶点阵超结构的孪晶间距、孪晶角度, 首次在宏观尺度孪晶力学结构中发现Hall-Petch 效应, 也首次发现了逆尺寸效应, 实现点阵结构的“吸能效率、结构强度、断裂韧性”等三类力学性能的协同优化设计, 如图10 所示.

2.5 功能梯度微结构启发的点阵结构设计

功能梯度微结构设计在提升生物结构材料、合金结构材料力学性能方面展现出显著优势.研究人员开发出许多类型的功能梯度材料(Saleh et al. 2020), 比如: 晶粒尺寸密度梯度、位错密度梯度、孪晶密度分布、固溶原子浓度梯度、夹杂二次相尺寸和密度梯度、多类型混合梯度等. 此外, 在结构梯度设计方面, 合金微结构设计可以分为: 晶粒尺寸梯度、孪晶厚度梯度、叠层结构的层厚梯度、柱状晶的尺寸梯度等类型(卢柯等 2015).

图10孪晶微结构启发的力学结构设计 (孪晶宽度、孪晶角度、梯度孪晶角度、梯度孪晶宽度、多级次孪晶、多级次梯度孪晶) 、压缩吸能特性、孪晶力学超结构强度的尺寸效应和逆尺寸效应(Wu W et al. 2022). (a) 均匀尺寸设计, (b) 功能梯度设计, (c) 多层级设计, (d) 单轴拉伸力学实验样品, (e) 均匀尺寸设计、功能梯度设计压缩吸能曲线对比, (f) 尺寸效应(Hall-Petch effects),(g) 逆尺寸效应(inverse Hall-Petch effects)

受生物结构材料和合金微结构的梯度几何特征启发, 研究人员设计出不同类型的梯度点阵结构, 并开展了相关力学性能研究, 发现梯度结构设计可以有效抑制局部剪切带失效的形成和扩展, 降低动态冲击载荷下的峰值应力, 维持较高的平台应力和可调控的应变硬化特性, 提升结构的整体吸能效果和吸能效率. 此外, 合理的梯度设计还可以调控裂纹传播过程, 实现断裂韧性的增加. 如图11, 根据结构组元几何特征, 功能梯度点阵超结构设计可以分为: 节点连续的杆件截面积梯度(Chen W et al. 2018)、节点不连续分层梯度(Yue W et al. 2021)、二维点阵结构单向和双向梯度(Niknam & Akbarzadeh 2020)、三维点阵结构单向和双向梯度(Rafiee et al. 2020)、节点半径梯度设计(Alghamdi et al. 2020)、基于制造工艺和材料梯度特征的性能梯度设计(Zhang J et al. 2020b)、孔隙率梯度结构设计(Dalia & Mohamed 2017)、具有二阶非线性梯度效应的功能梯度结构设计(Weeger 2021)、共形梯度拓扑优化点阵结构设计(Li D et al. 2019)、具有手性结构特征的功能梯度结构设计(Wu W et al. 2019)、杆件组元具有功能梯度结构特征的多层级点阵结构设计(Mueller & Shea 2018)等.

2.6 多层级微结构启发的点阵结构设计

图11功能梯度点阵结构设计策略. (a) 节点连续的杆件截面积梯度(Chen W et al. 2018), (b) 节点不连续分层梯度(Yue W et al. 2021), (c) 二维点阵结构单向和双向梯度(Niknam & Akbarzadeh 2020), (d) 三维点阵结构单向和双向梯度(Rafiee et al. 2020), (e) 节点半径梯度设计(Alghamdi et al. 2020), (f) 基于制造工艺和材料梯度特征的性能梯度设计(Zhang J et al. 2020b), (g) 孔隙率梯度结构设计(Dalia & Mohamed 2017), (h) 具有二阶非线性梯度效应的功能梯度结构设计(Weeger 2021), (i) 共形梯度拓扑优化点阵结构设计(Li D et al. 2019), (j) 具有手性结构特征的功能梯度结构设计(Wu W et al. 2019), (k) 杆件组元具有梯度结构特征的多层级点阵结构设计(Mueller & Shea 2018)

在生物结构材料 (木材、竹子、骨骼、贝壳等) 和合金结构材料中, 多层级微结构普遍存在,在克服“强度和韧性”之间固有矛盾方面发挥极为重要作用. 类似地, 点阵结构可以分别通过杆件、节点的多层级结构设计, 实现点阵结构的比强度、比刚度、断裂韧性、冲击吸能能力的显著提升. 如图12 所示, 同晶体多尺度多层级微结构设计类似, 典型的多层级点阵结构设计主要包括:胞元杆件多层级(Chen Y & Jin 2018, Jnha et al. 2021)、节点多层级(Yu Z et al. 2021)、高刚度负泊松比多层级(Khakalo et al. 2018)、最小曲面无节点胞元并发多尺度多层级(Zhang L et al.2021)、胞元节点-杆件并发异质结构多层级(Wu et al. 2017)、梯度多层级结构(Taylor et al.2012)、双曲型多层级(Kollar et al. 2019)、胞元填充多层级(Taylor 2012)、套娃多层级(Pang Y et al. 2019)、分形多层级(Oftadeh et al. 2014)、微纳米多层级(Chang Q et al. 2021)等.

2.7 相变点阵结构设计

图12多层级点阵结构设计分类. (a) 胞元杆件多层级(Chen & Jin 2018, Jnha et al. 2021), (b) 节点多层级(Yu Z et al. 2021), (c) 高刚度负泊松比多层级(Khakalo et al. 2018), (d) 最小曲面无节点胞元并发多尺度多层级(Zhang L et al. 2021), (e) 胞元节点-杆件并发异质结构多层级(Wu et al.2017), (f) 梯度多层级结构(Taylor et al. 2012), (g) 双曲型多层级(Kollar et al. 2019), (h) 胞元填充多层级(Taylor 2012), (i) 套娃多层级(Pang Y et al. 2019), (j) 分形多层级(Oftadeh et al.2014), (k) 微纳米多层级(Chang Q et al. 2021)

近年来, 具有结构相变特征的点阵结构得到广泛关注和深入研究, 可以满足一些特殊服役环境下的结构承载和多功能一体化性能需求, 在冲击吸能、减震降噪、智能变体结构状态可逆切换, 传感和执行器等方面具有广泛的应用潜力. 如图13 所示, 具有结构相变特征的点阵胞元在变形过程中可以实现不同点阵结构胞元类型之间的构型切换, 主要通过结构组元的弹性屈曲、失稳、接触等模式实现结构可逆相变, 并且能够在外部载荷下实现两种点阵结构构型之间的相互转化, 从而满足不同服役环境的多功能性能需求. 研究人员采用超弹性基体材料制备的周期性角点增强型点阵结构胞元的杆件组元会发生失稳, 通过节点旋转形成具有手性结构特征的负泊松比点阵结构胞元, 形成结构多稳态效应(Bertoldi et al. 2008). 由双材料点阵结构的杆件组成的手性点阵结构胞元在外部静水压作用下会发生弹性屈曲失稳, 导致点阵结构胞元发生结构相变(Chen & Jin 2018). 通过仿照伊斯兰图案可以制备具有多稳态效应的负泊松比点阵结构胞元, 局部的个别点阵结构胞元发生相变并促发相邻的点阵结构胞元发生相变, 类似于骨牌一样将结构相变扩展到整个结构中(Khajehtourian et al. 2020). 通过节点精巧旋转弹簧和整体波浪形结构设计, 可以通过结构热变形实现具有负泊松比、负热膨胀系数多功能特性的相变点阵结构(Yue W et al. 2021). 开展多稳态点阵结构胞元设计实现结构相变, 通过变刚度、负刚度等功能实现拉压循环过程中机械能量耗散, 可用于可重复使用结构吸能装置(Restrepo et al. 2015). 通过在超弹性基体材料中设计具有周期性排布的孔洞缺陷, 可以实现三种不同结构图案之间的切换, 每种结构胞元具有不同的刚度和力学性能(Yang D et al. 2015). 研究人员提出通过调控节点接触状态实现节点Maxwell 数变化的相变点阵结构, 可以通过接触状态的力学设计和调控实现拉伸主导型和弯曲主导型点阵结构的构型切换(Wagner et al. 2019). 通过杆件屈曲、自接触实现结构相变和功能调控的新型孪晶点阵结构, 可以实现压缩吸能性能调控(Vangelatos et al. 2020b). 研究人员设计出具有节点旋转效应的矩形四韧带反手性结构和六韧带手性结构, 这些手性结构胞元在压缩过程中会发生整排点阵结构胞元侧向失稳和胞元内的局部杆件组元屈曲失稳, 形成平行四边形构型的四韧带反手性点阵结构和三韧带手性点阵结构, 实现变刚度、多刚度力学行为(Hector et al. 2019).

图13具有结构相变特征的点阵结构 (a) 基于超弹性材料杆件失稳的点阵结构相变(Bertoldi et al.2008); (b) 静水压环境下的多材料组元复合点阵结构相变(Chen & Jin 2018); (c) 伊斯兰图案启发的基于结构组元多稳态变形效应的多稳态点阵结构机械超材料(Khajehtourian et al. 2020);(d) 基于螺旋形节点实现往复折叠波浪形特征的负泊松比、负热膨胀效应相变机械超材料(Yue W et al. 2021); (e) 具有变刚度、负刚度特征的相变点阵结构(Restrepo et al. 2015); (f) 孔洞结构缺陷拓扑构型引导的结构相变(Yang D et al. 2015); (g) 基于节点接触状态的有无实现拉伸主导型和弯曲主导型点阵结构构型切换的相变点阵超结构(Wagner et al. 2019); (h) 基于变形过程中杆件组元接触引起的变形模式转换的相变孪晶点阵超结构(Vangelatos et al. 2020b); (i) 通过压缩过程中的手性点阵结构胞元构型切换 (长方形和平行四边形, 三角形和平行四边形) 实现结构相变的相变手性超结构(Hector et al. 2019)

2.8 点阵结构的几何缺陷特征设计

图14点阵结构的缺陷不敏感性. (a) 具有马鞍状的二维网状点阵结构的孔洞结构缺陷不敏感力学设计(Liu J et al. 2021); (b) 具有螺旋形的三维微观结构的仿生点阵结构的缺陷不敏感设计, 并进一步通过磁控溅射导电纳米金属涂层实现电阻率的缺陷不敏感(Yan D et al. 2020); (c) 具有有聚合物涂层的复合陶瓷点阵结构强韧化、缺陷不敏感设计及制造(Sajadi et al. 2021); (d) 基于高熵合金纳米涂层涂覆高弹性聚合物纳米点阵结构实现强韧化和结构缺陷不敏感(Zhang X et al. 2018); (e) 基于高温热解碳技术制备纳米点阵结构的缺陷不敏感特性(Zhang X et al. 2019);(f) 基于脆性材料的点阵结构弹性模量的结构缺陷不敏感, 并通过空洞附近区域的局部增强设计来优化器缺陷不敏感特性和延展性(Jian L et al. 2019)

随着生物电子器件的迅速发展, 设计出能够精确地再现人体组织/器官的非线性力学行为和变形能力的结构得到越来越多的重视, 设计并制造出具有孔洞缺陷不敏感的结构对于生物医用材料的功能集成和结构可靠性极为重要. 如图14(a) , 研究人员开展了具有马鞍状的二维网状点阵结构的力学设计, 并研究网状点阵结构的胞元几何形状对孔洞缺陷不敏感性的影响规律, 发现与传统的直杆完美蜂窝结构相比, 具有马蹄形微观结构的三角形和Kagome 蜂窝软网状点阵结构材料可以显著增强网状点阵结构在拉伸大变形条件下的孔洞结构缺陷的不敏感性(Liu J et al.2021b). 如图14(b) , 很多软质生物组织都体现出一种J 形的应力应变响应行为, 这与其微结构由弯曲主导向拉伸主导模式转变的力学机制紧密相关. 研究人员以三维螺旋微结构为基本单元并通过不同空间拓扑排布构造出一类具有结构缺陷不敏感特性的仿生软质三维网状材料, 可精确复现生物组织的各向异性非线性力学响应; 通过微结构几何参数的优化设计可实现对材料J形应力应变曲线的大范围调控, 并发现此类三维网状点阵结构对典型结构缺陷的力学响应和力学行为影响规律, 证实了结构具有较强的缺陷不敏感性(Yan D et al. 2020). 如图14(c), 通过借鉴仿生软硬复合材料设计理念, 采用共形涂层制备工艺制备出带有聚合物涂层的复合陶瓷点阵结构, 克服“强度和韧性”固有矛盾(Sajadi et al. 2021). 如图14(d) , 现有的微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间存在着相互约束, 即高强度的点阵材料通常表现为脆性, 而可恢复性能好的点阵材料的强度较低. 研究人员采用先进的纳米尺度增材制造技术直接打印高弹性聚合物材料组成的纳米点阵结构, 然后通过磁控溅射手段将具有高强度的高熵合金材料均匀镀层在聚合物骨架的表面, 实现强度和韧性的“鱼和熊掌兼得” “1+1 ＞ 2”的优异力学性能(Zhang X et al. 2018).如图14(e) , 清华大学李晓雁教授采用“双光子光刻-高温热解”两步法制备获得了Octet 型和Iso 型两类热解碳纳米点阵, 并具有超高的强度和比强度以及奇特的缺陷不敏感性(Zhang X et al. 2019). 如图14(f) , 研究人员研究了由脆性材料制备的不完美软网络点阵结构的拉伸性和弹性模量, 发现当缺陷的实际形状是对称的几何构型, 且沿拉伸方向的投影长度比沿横向的投影长度长时, 结构缺陷对软网络材料的拉伸性和弹性模量的影响不敏感, 可以通过空洞附近区域的局部增强设计来优化器缺陷不敏感特性和延展性(Jian L et al. 2019).

韧性是指材料在塑性变形和断裂过程中能量吸收能力. 高强韧性材料中的普遍特点是: 除了在微纳结构上采用硬材料提供足够的强度外, 还要通过抑制非弹性变形来降低局部高应力集中度. 首先, 在微纳尺度通过金属及合金材料的位错滑移、剪切带变形, 骨骼中的纳米纤维滑移和海贝矿物层滑移等内在增韧机制; 其次, 在介观尺度进一步结合裂纹转向和裂纹桥联等外在增韧机制抑制宏观裂纹的失稳扩展. 内在增韧机制贡献了裂纹的初始韧性, 外在的机制贡献了裂纹的扩展韧性, 这些都是合金结构材料和生物结构材料强韧化设计的核心特点. 研究人员通过引入具有图案化分布特征的贯穿裂纹, 可以实现类似于剪纸特征的结构化纳米复合材料, 可以大幅提升其可拉伸变形能力(Shyu et al. 2015). 研究人员系统研究了螺旋堆垛纤维中制造孔洞分布规律对其断裂韧性的影响规律, 发现不同纤维堆垛层之间孔洞的存在会触发局部的塑性变形, 并通过制造工艺引起的孔洞生长演化、孔洞贯穿等实现机械能消耗, 释放裂纹尖端应力场、引导裂纹的偏折方向, 通过其界面工程设计进一步实现裂纹的偏折和引导, 通过这种多尺度的制造孔洞缺陷和人为设计缺陷, 可以大幅提升旋转堆垛纤维增强仿生螺旋复合结构的断裂韧性, 实现孔洞缺陷和螺旋形仿生堆垛纤维增强结构的断裂韧性的协同增强(Yin S et al. 2020). 研究人员通过将空隙缺陷分散到有机硅弹性体基体中形成”孔洞”夹杂复合材料, 可以通过产生伸长的、互连的分布孔洞和离散球形气泡, 可以引导裂缝沿着曲折复杂路径扩展并消耗更多机械能量, 显著提升材料的能量耗散能力、变形能力和承载能力(Lee S et al. 2020). 研究人员使用螺旋铺层增材制造技术生成螺旋状微孔洞空间分布拓扑形态, 其中每层相对于前一层发生一定角度的旋转, 由此产生的螺旋缺陷分布可以在断裂过程中引导裂纹尖端的应力场和裂纹扩展路径并增强材料的抗断裂阻抗(Mo C & Raney 2019). 人工合成复合材料的韧性主要是通过各种能量耗散技术增加裂纹尖端附近的能量耗散来实现的. 生物材料则是通过将多尺度的能量耗散与裂纹偏转、裂纹扩展过程中裂纹尖端钝化能力相联系, 表现出极高的韧性. 研究人员开展了由可变形液态金属颗粒增强弹性体基体的复合结构设计, 通过在软弹性体中嵌入微米级高度可变形液态金属液滴悬浮液, 该复合结构通过多类型协同增韧机制, 实现断裂韧性提升50 倍; 这种极端超常增韧机理主要是通过增加能量耗散、自适应裂纹扩展和有效消除裂纹尖端的应力集中协同实现, 其韧性性能提升源于可变形液态金属颗粒夹杂物在加载过程中的可变形性, 不仅可以防止裂纹的产生, 还可以阻止裂纹在超韧软基体材料中的传播(Kazem et al. 2018). 受木材年轮形成的双相复合蜂窝结构、维管束/基体异质复合结构拓扑形态的启发, 研究人员提出基于异质点阵结构弱夹杂的裂纹扩展路径引导的力学设计方法, 可以通过临近异质点阵结构弱夹杂的贯穿形成复杂裂纹路径来显著提升结构的断裂韧性和在失效过程中的能量耗散能力(Manno et al. 2019). 通过调控金属点阵结构裂纹附近的直线型杆件组元, 采用波浪形杆件提升裂纹尖端局部变形能力, 显著降低裂纹尖端附近的应力集中度并阻碍裂纹扩展, 可以大幅提升结构的断裂韧性和结构缺陷不敏感度(Li K et al. 2020).

2.9 随机非周期点阵超结构力学设计

在周期性点阵结构力学设计基础上, 研究人员进一步开展了点阵杆件空间分布和空间取向具有统计特征的随机点阵结构胞元, 杆件节点空间位置、杆件空间取向、杆件粗细和长短等, 甚至杆件随机缺失等. 结构缺陷的存在会导致刚度和强度的下降, 由于结构随机不规则可以抑制剪切带失效, 吸能和断裂韧性会有一定程度的改善, 钝化裂纹尖端并增加裂纹扩展过程中的能量消耗. 传统的基于周期性晶格拓扑几何特征和杆、板、壳等基本结构组元的设计理念通常是各向异性的, 基于杆件随机分布特征的点阵结构设计可以很容易实现各向同性力学性能, 提升结构效率. 如图15(a)研究人员提出基于九个控制参量的随机最小曲面点阵结构设计方法, 能够实现各向同性力学性能和整体结构协同承载和变形匹配, 克服周期性点阵结构的局部剪切带失效导致的整体承载能力丧失(Oraid et al. 2021). 如图15(b) , 研究人员开展具有随机杆件组元几何特征的无序点阵结构设计, 采用基于结构张量和等效密度协同调控的各向异性设计, 并通过周期性排布菱形十二面体结构和对应的随机点阵结构的至少10 个方向的力学系性能测试结果对比, 来展示随机点阵结构的力学性能优势(Munford et al. 2020). 如图15(c), 研究人员采用聚乳酸熔融沉积成型增材制造工艺, 分别沿着不同打印方向制备出周期性点阵结构和随机点阵结构并测试其断裂韧性, 发现随机点阵设计显著影响裂纹扩展路径和断裂韧性; 不同取向的样品制造工艺,也会对裂纹传播路径和断裂韧性产生巨大影响(Xu Y et al. 2019). 如图15(d) , 研究人员系统研究了周期性拉伸主导型、弯曲主导型点阵结构和对应的随机点阵结构胞元在不同应变率冲击条件下的动态吸能和瞬态冲击载荷扩散特性, 发现周期性点阵结构中的应力峰值相对较高, 随机点阵结构在高应变冲击环境下显示出相对平稳的应力响应, 在能量吸收方面展示出巨大优势(Mueller et al. 2019). 如图15(e) , 钛合金具有优异的生物相容性、抗疲劳、抗腐蚀性能, 是骨移植替代物的最佳材料选项之一; 设计能够在各向异性、孔隙率、力学性能、相对密度等多个指标和骨骼接近的点阵结构依然具有很大挑战, 与人类小梁和皮质骨的天然微观和介观多孔结构相对应的Ti-6Al-4V 点阵结构的最佳设计参数尚不清楚. 通常, 多孔材料的比强度和比模量可以通过Gibson-Ashby 模型进行预测, 研究人员针对具有随机结构特征的点阵结构建立修正的Gibson-Ashby 模型, 并克服相对密度和强度、刚度之间的高度相关, 实现比刚度 (强度) 、相对密度、各向异性率等参量的相对独立设计, 从而满足钛合金骨移植替代物的实际应用需求, 实现结构、功能一体化协同设计(Mcgregor et al. 2021). 如图15(f) , 研究人员针对拉伸主导型周期性点阵结构, 在节点处引入随机位移量来生成随机点阵结构并研究其力学性能, 发现随着随机点阵的不规则度增加, 结构的变形模式逐渐从拉伸主导型转变为弯曲主导型点阵结构变形模式. 此外, 随着随机点阵不规则度的增加, 周期性点阵结构的经典剪切带失效模式导致的整体结构破坏的模式也渐渐消失, 整个结构会呈现出较为均匀的渐进式破坏(Raghavendra et al. 2021).

图15具有随机分布特征的无序点阵结构. (a) 九参数控制的具有随机节点特征和各向异性的杆状点阵结构、最小曲面点阵结构设计(Oraid et al. 2021); (b) 基于结构张量和等效密度协同调控的具有随机杆件组元空间取向的各向异性点阵结构设计(Munford et al. 2020); (c) 通过随机点阵结构设计实现裂纹扩展扩展路径和断裂韧性提升(Xu Y et al. 2019); (d) 具有杆件组元随机空间取向特征的拉伸主导型、玩去主导型点阵结构设计及冲击吸能性能研究(Mueller et al. 2019); (e) 通过模仿骨骼多孔微结构, 设计具有随机结构特征的点阵结构, 实现比刚度 (强度) 、相对密度、各向异性率的独立设计, 满足钛合金骨移植替代物的实际应用需求(Mcgregor et al. 2021); (f) 通过在点阵结构节点处引入随机位移量生成随机点阵结构, 发现随着随机点阵结构的几何不规则度增加, 随机点阵结构的变形模式逐渐从拉伸主导型转变为弯曲主导型变形模式(Raghavendra et al. 2021)

3 点阵超结构力学性能调控

英国皇家工程院院士、固体力学顶级期刊JMPS 前主编Norman Fleck 院士指出: 具有个性化、可定制力学性能的轻质点阵结构设计理论对于满足复杂极端工业服役环境的轻质结构设计具有重要意义, 是未来点阵结构设计优化最重要发展方向之一. 开展个性化定制、力学响应规律可编程、功能可协同设计的复杂点阵结构力学设计方法研究, 对于提升复杂点阵结构极端复杂环境服役性能极为重要.

3.1 点阵超结构的强度和刚度调控

图16点阵超结构的强度、刚度设计

如图16 所示, 点阵结构强度和刚度调控主要包含如下典型策略: 点阵结构胞元类型创新(Evans et al. 2001); 点阵结构的节点组元尺寸局部增强(Qi et al. 2019b); 强夹杂点阵结构弥散到软基体点阵结构的增强效应(Pham et al. 2019); 点阵结构各向异性力学设计(Tamburrino 2018); 基于结构相变特征的点阵结构设计(Wagner et al. 2019); 通过降维制造工艺引导点阵结构(Liu W et al. 2019, 2020); 双相复合点阵结构(Yin S et al. 2021); 液体填充点阵结构(Liu Y &Wang L 2015); 基于中空杆件组元的点阵结构设计(Liu Y & Schaedler 2014, Xiao Z et al. 2014);基于拓扑优化方法的高强点阵结构设计(Duan S et al. 2020); 多层级点阵结构设计(Zheng X et al. 2016, Wu Q et al. 2019); 基于杆件组元弯曲刚度增强的点阵结构设计(Liu K et al. 2022); 基于局部屈曲波抑制的点阵结构设计(Wang Bo et al. 2014); 基于节点应力集中扩散设计的点阵结构(李增聪等 2021); 基于相界和晶界工程引导的点阵结构设计(Mousanezhad et al. 2016, Liu C et al. 2021); 基于尺寸效应的超晶格点阵结构(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021); 功能梯度点阵结构设计(Niknam & Akbarzadeh 2020)等.

研究人员开展了具有均匀杆件横截面尺寸和节点增强设计的拉伸主导型八角点阵结构和弯曲主导型十四面体点阵结构的比强度、比刚度和压缩吸能特性研究, 并采用渐进均匀化方法分析结构的等效弹性模量和各向异性特性, 发现节点增强可以显著提升点阵结构的比刚度、比强度和吸能能力, 并能够将具有均匀尺寸的均质点阵结构剪切带失效模式转换为逐层压溃渐进式失效模式(Qi et al. 2019b). 受多晶体微结构启发, 研究人员利用晶界硬化、析出相硬化和多相复合应变硬化等典型硬化机制, 采用3D 打印技术制备了包含孪晶界面的“超晶粒 (meta-grain) ”点阵超结构, 并开展原位压缩实验, 发现形成的失效剪切带在孪晶界两侧呈现对称分布特征, 晶界两侧晶粒取向改变可以有效控制失效剪切带的快速传播; 所制备的点阵超结构的屈服强度随着超晶粒尺寸的减少而显著增加; 通过硬点阵结构夹杂相的引入可以实现显著的应变硬化效应(Pham et al. 2019). 通过借鉴冶金学领域的多晶微结构设计理念, 受多晶体微结构界面限制滑移带传播距离并实现材料强化的物理机理启发, 研究人员开展点阵超结构的界面设计, 实现点阵结构屈曲力学行为的有效抑制, 通过多晶界面两侧不同晶粒类型和晶界两侧晶粒取向的改变, 可以抑制点阵结构局部剪切失效带的传播, 降低局部剪切带导致的整体结构失效可能性. 此外, 可以进一步利用尺寸效应提升点阵超结构的比强度和比刚度, 具有共格晶界的点阵超结构的屈服强度随着点阵结构晶粒密度增加 (晶粒尺寸减小) 而显著增强, 这说明共格晶界对于提升点阵超结构屈服强度极为重要(Liu C et al. 2021). 通过利用点阵结构的杆件组元屈曲失稳、相邻杆件组元自接触相互作用, 研究人员设计并提出具有功能调控的新型孪晶点阵结构, 可以改变点阵结构杆件组元的变形模式和传力路径, 实现点阵结构构型发生结构相变和压缩吸能性能调控(Vangelatos et al. 2020b). 自然界中的承载结构材料通常是以复合材料形态存在, 并通过精致的复合结构设计实现多功能一体化力学性能的协同优化. 受生物结构材料和工程合金结构材料中观察到的夹杂相硬化机制的启发, 研究人员将力学性能有明显的差异的软、硬点阵结构分别作为基体和增强相, 并通过合理软/硬点阵结构的拓扑排布设计, 可以实现刚度、强度、韧性和比吸能等力学性能指标的显著提升; 进一步利用软基体中硬夹杂的相界滑移能量耗散机制, 可以设计出具有最大相界滑移面积的双相复合点阵超结构, 这种夹杂增强型复合点阵结构表现出优异的比吸能指标, 是软基体点阵结构的2.5 倍(Yin S et al. 2021). 研究人员开展具有相对密度逐渐变化特征的功能梯度点阵结构设计, 相对密度沿着压缩载荷方向上具有梯度变化的点阵结构的承载能力会发生下降, 在垂直于载荷方向具有合理相对密度梯度特征的点阵结构的比刚度和能量吸收能力反而增加. 通过参数优化发现, 相同重量的梯度点阵结构的刚度和能量吸收能力可以比具有均匀尺寸特征的点阵结构高60%和110% (Niknam & Akbarzadeh 2020). 通过调节点阵结构的节点接触状态实现节点Maxwell 数调控, 研究人员设计出新型相变点阵结构, 可以实现拉伸主导型和弯曲主导型点阵结构之间的构型切换(Wagner et al. 2019). 研究人员提出一种面向集中力扩散的回转曲面加筋薄壁筒体的结构拓扑优化方法, 建立一种基于各向异性过滤技术的集中力扩散拓扑优化方法, 进一步开展基于网格变形技术的拓扑优化结果智能重构, 可高效准确地对回转曲面加筋拓扑优化结果进行模型自动重构. 所提出的优化方法可得到加筋构型清晰、满足回转曲面加筋结构制造工艺要求的优化结果, 且具有集中力扩散效率高、网格质量依赖性低、拓扑特征重构高效等优点, 可以显著提升基于加强筋特征的点阵格栅结构的比强度和比刚度, 提高薄壁筒体结构的承载能力(李增聪等 2021). 研究人员比较了具有随机几何特征的多孔泡沫材料和多种类型点阵结构材料的剪切刚度、剪切强度、压缩刚度和压缩强度, 发现点阵结构胞元类型对于提高比强度、比刚度设计非常重要, 不同类型的拉伸主导型点阵结构、格栅结构的比刚度和承载能力具有显著差异(Evans et al. 2001). 利用高精度、大尺寸增材制造技术, 研究人员采用纳米尺度镍磷材料成功制备出跨七个数量级 (从纳米到厘米) 尺度的三维点阵超材料. 结果表明, 所制备的大尺度点阵超材料的拉伸弹性应变可以超过20%, 这在其他成分相同的脆性材料体系中还未被发现. 此外, 与拉伸主导型八角点阵结构相比, 通过多层级的多尺度设计可以实现八角点阵结构的比强度提升数十倍(Zheng X et al. 2016). 通过调整点阵结构倾斜杆件和承载方向的夹角, 可以减小点阵结构胞元的宽度/高度尺寸比例, 使得倾斜杆件沿着载荷方向的载荷分量比例增加, 并通过结构各向异性设计实现特性方向的承载能力提升(Tamburrino 2018). 研究人员将嵌锁机械组装和3D 打印技术结合, 实现点阵结构力学性能提升, 即通过将三维点阵结构“降维”, 转化为二维杆件结构打印, 再采用嵌锁组装方法将二维杆件拼装成三维的点阵结构. 研究人员采用上述制备技术和熔融沉积成型(FDM)3D 打印技术制备BCC 构型点阵结构, 实现杆件结构中纤维最优分布, 相比于直接立体增材制造的点阵结构, 强度提升了37% ～ 65%. 该方法解决了3D 打印点阵结构中存在的各向异性问题, 实现了点阵结构力学性能的提升, 对应的压缩强度提升均在100%以上, 比吸能提升了72% ～ 186%. 由于打印过程无需支撑材料的辅助, 打印时间和打印耗材使用量均降低80%以上(Liu W et al. 2019, 2020). 研究人员开展了液体填充共连续玻璃聚合物复合材料点阵结构的准静态压缩力学性能研究, 液体填料的存在会使得连续复合材料点阵结构的刚度、屈服强度和能量吸收能力显著增强, 填充后的力学性能提升来自液体填料的附加承载能力和玻璃聚合物点阵结构的横向膨胀变形的协同效应. 液体填充后的共连续复合材料点阵结构的应力分布更均匀. 研究人员进一步建立基于幂指数函数的理论模型描述有效弹性模量、屈服强度和能量吸收与玻璃聚合物体积分数之间的关系(Liu Y et al. 2015). 功能化纳米多孔材料 (NMF) 液体具有高能量吸收效率, 在先进冲击防护装置和阻尼器件中具有很大的应用前景. 研究人员将功能化纳米多孔材料液体填充到微尺度点阵结构中, 并构建出具有优越能量吸收能力的冲击防护系统. 通过将功能化纳米多孔材料液体填充到中空杆件组元构筑的微尺度点阵结构中, 可有效抑制微点阵结构中空薄壁杆件组元的塑性屈曲, 从而可以将中空杆件构筑的中空微点阵结构的承载能力和能量吸收效率提高到两倍以上. 液体填充微点阵结构的能量吸收增强来自两部分: 功能化纳米多孔材料液体的体积塑性, 微点阵结构的塑性变形增强. 此外,微点阵材料的应变硬化效应可以进一步提高液体填充微点阵结构的能量吸收能力(Liu Y et al.2014). 研究人员开展了板状点阵结构的等效力学性能拓扑优化, 发现弹性各向同性板状点阵结构比具有相同密度的各向同性最小曲面点阵结构和常规杆状点阵结构具有更为显著的弹性力学性能优势. 各向同性板状点阵结构在相对密度为0.01 时的弹性模量比各向同性杆状点阵结构的弹性模量高出近两倍, 而其体积模量可以达到Hashin-Shtrikman 复合材料理论上限. 此外, 对于具有各向异性特性的板状点阵结构来说, 可以通过几何参数设计实现较大范围内的刚度调控.在0.01 相对密度下, 板状点阵结构承力最强方向的弹性模量可以达到Hashin-Shtrikman 复合材料理论上限的24%至140% (Duan et al. 2020). 研究人员基于面投影立体光刻微纳米增材制造技术, 开展氧化铝、金属镍基微纳米中空点阵结构的增材制造, 可以实现超常的比强度、比刚度力学性能, 可以比由实心杆件组元构成的点阵结构的比强度、比刚度高1 ～ 2 个数量级(Xiao Z et al. 2014). 研究人员提出多层级超轻多层级点阵结构三明治夹心板的设计, 其中高层级金字塔点阵胞元的杆件组元是由底层金字塔胞元沿着特定空间取向排布形成的, 通过理论模型给出金字塔-金字塔多层级点阵结构的三维失效机理图, 发现通过多层级结构设计可以提高低密度三明治夹层结构的承载能力和抗芯层屈曲性能, 显著提升常规金字塔点阵结构的比强度、比刚度和承载能力(Wu Q et al. 2019). 研究人员提出多层级增强大型三明治夹层复合壳体力学设计方法,可以实现在不增加结构重量前提下提升结构的缺陷不敏感力学性能. 多层级结构由主承力承载加强筋条和用于连接主承力承载筋条的次承力加强筋组成, 次承载加强筋一般分布在相邻的主要承载加强筋之间, 用于抑制局部屈曲波(Wang B et al. 2014). 研究人员开展了具有仿卷尺形状的非正交对称横截面的手性结构力学设计, 攻克传统矩形对称截面韧带的高弯曲刚度与抗横向屈曲性能之间的固有矛盾, 实现了高弯曲刚度与抗横向屈曲临界载荷的协同增强(Liu K et al.2022).

3.2 点阵超结构的压缩吸能性能调控

如图17 所示, 点阵结构吸能性能调控策略主要包括: 基于剪切带抑制效应的点阵超结构(Liu X et al. 2021); 基于中空杆件构筑的点阵结构(Liu Y et al. 2014); 基于晶界、相界能量耗散效应的复合点阵结构(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021); 基于缺陷工程引导失效剪切带实现点阵超结构的吸能性能指标提升(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021, Lu Z et al. 2020, Bhuwal et al. 2021); 基于点阵结构沿着载荷方向的承载和吸能能力定向增强设计(Tamburrino 2018);具有结构相变效应的吸能性能可调控点阵结构(Vangelatos et al. 2020b, Wagner et al. 2019,Hector et al. 2019); 通过液体或气体填充点阵结构杆件组元实现吸能性能提升(Liu Y et al.2015); 树脂或泡沫作为基体材料填充到点阵结构骨架剩余空间形成的复合结构(Li X et al.2020); 异质结构胞元混合形成的双相点阵结构(Yin S et al. 2021); 点阵结构填充到薄壁筒体内实现吸能性能提升(Ha N S et al. 2021); 功能梯度点阵结构(Gorguluarslan et al. 2021, Qi et al.2019a, Xu F et al. 2018, Niknam & Akbarzadeh 2020); 多层级点阵结构(Chen Y et al. 2021, Ha N S et al. 2021); 具有节点增强和变截面杆件组元设计的增强型点阵结构(Qi et al. 2019b); 具有负泊松比特性的点阵结构(Zhang J et al. 2020a)等.

图17点阵超结构的冲击吸能设计

研究人员提出基于变截面杆件组元设计的点阵结构, 可以实现将点阵结构的传统对角线剪切带失效模式过渡为渐进式失效模式(Liu X et al. 2021). 受到合金材料变形过程中结构相变和空间对称性演化过程的启发, 研究人员开展基于结构镜像操作的新型点阵超结构力学设计, 通过利用点阵结构杆件组元屈曲变形过程中发生接触, 改变点阵结构杆件组元的变形模式、增强点阵结构的承载能力, 实现点阵结构比强度、比刚度和吸能能力的显著增强(Liu C et al. 2021). 研究人员提出通过杆件屈曲、自接触实现结构相变和功能调控的新型孪晶点阵结构设计方法, 可以实现点阵结构的压缩吸能性能调控(Vangelatos et al. 2020b). 研究人员通过在软基体点阵结构中引入增强型点阵结构夹杂相, 可以实现软基体点阵结构的强化和吸能性能提升; 并比较了冶金学中基于阻碍位错运动的夹杂物硬化机理与点阵结构材料中硬夹杂物的结构强化机理之间的相似性和差异性(Lu Z et al. 2020). 受合金材料的孔洞缺陷生长、贯穿失效过程实现合金韧性提升机理的启发, 研究人员通过在周期性点阵结构中引入不同大小、不同空间取向、不同拓扑分布特征的孔洞缺陷, 可以实现点阵超结构的裂纹扩展路径调控, 以及压缩过程中局部失效剪切带演化过程的调控(Bhuwal et al. 2021). 受生物结构材料和工程合金结构材料中观察到的夹杂相硬化机制的启发, 研究人员通过利用力学性能有明显的差异的软、硬点阵结构分别作为基体和增强相, 并通过合理软/硬点阵结构的拓扑排布设计, 通过充分利用软基体中硬夹杂点阵结构的相界滑移能量耗散机制, 这种夹杂增强型复合点阵结构表现出优异的比吸能指标, 是软基体点阵结构的约2.5 倍(Yin S et al. 2021). 利用基体填充增强效应, 研究人员提出的复合点阵结构可以显著增强点阵结构的压缩吸能特性, 并通过基体-杆件组元界面的相互作用改变杆件组元的失效模式, 实现填充式复合点阵结构的应变能分散, 进而提升复合点阵结构的整体力学性能(Li X et al. 2020). 研究人员提出通过调控节点接触状态实现节点Maxwell 数变化的新型相变点阵结构,可以通过接触状态的力学设计和调控实现拉伸主导型和弯曲主导型点阵结构的构型切换, 并调控其吸能特性(Wagner et al. 2019). 研究人员设计出具有节点旋转效应的矩形四韧带反手性结构和六韧带手性结构, 这些手性结构胞元在压缩过程中会发生整排点阵结构侧向失稳和胞元局部杆件组元屈曲失稳, 形成平行四边形构型的四韧带反手性点阵结构和三韧带手性点阵结构, 实现变刚度、多刚度力学行为, 并调控压缩过程中的吸能能力(Hector et al. 2019). 自然界中许多承力的生物结构材料都具有又强又韧的优异力学性能, 其优异性能并非源于组分材料, 而是得益于精妙的多层级结构. 多层级结构是生物材料中普遍存在的一种“设计策略”, 通过多个尺度的高度有序结构将有限的组分材料构筑成宏观材料, 实现各组分材料的协调与配合, 从而赋予生物材料以优异的力学性能. 研究人员从力学的角度剖析了生物材料的多层级结构特点, 总结出了自然界构造生物材料的“设计准则”, 并结合纤维增强复合材料、网络材料、力学超材料等典型人工材料阐述了多层级力学分析与设计方法在人工复合材料性能分析与设计中的应用. 点阵超材料的组装方式能够实现“1+1 ＞ 2”, 反之不当的组装方式会削弱胞元的超常性能. 目前最常见的组装方式是周期延拓, 在周期延拓的基础上可以引入梯度设计, 还可通过自相似结构实现多层级的组装. 此外, 最近提出的“单元-模块-阵列”的阵列式组装(Chen Y et al. 2021). 受竹子、藤类植物维管束多尺度异质结构多层级结构启发, 研究人员提出基于多尺度三层级薄壁格栅结构用于冲击吸能, 三层级蜂窝格栅薄壁结构的比吸能指标比常规薄壁结构高出178.4%. 并提出结构承载能力起伏 (ULC) 指标来评价吸能曲线的稳定性, 定义为实际压溃力与压溃平台应力的偏差消耗的能量与有效行程内薄壁结构真实能量吸收之间的比例. 与常规薄壁结构相比, 具有三层级的多层级结构承载能力起伏指标可以下降88.8%, 大幅提升压溃过程中的载荷平稳性(Ha N S et al. 2021). 研究人员提出三种具有应力约束的点阵结构尺寸优化方法, 与具有均匀尺寸的点阵结构相比, 通过尺寸优化可以实现功能梯度点阵结构的压缩吸能性能指标提升, 比如密实化应变、吸能效率等(Gorguluarslan et al. 2021). 研究人员开展了具有周期性排布和功能梯度特征的四韧带反手性结构胞元、四韧带混杂手性结构胞元的面内冲击吸能特性研究, 并发现: 由于四韧带混杂手性结构的局部韧带形成全波长的弯曲模式, 四韧带混杂手性结构胞元的平台应力显著高于四韧带反手性胞元; 具有合理功能梯度特征的手性结构设计可以显著提升周期性点阵结构的吸能能力, 且具有结构梯度特征的手性结构吸能能力随着冲击速度的增大呈现先下降后上升的特点(Qi et al. 2019a). 与传统的均匀结构相比, 具有功能梯度结构特性的先进轻质结构具有更好的压溃过程可控性, 并具有显著的能量吸收效率优势(Xu F et al. 2018). 轻量化多功能负泊松比点阵结构具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能, 负泊松比结构在压缩过程中, 质量会流向压缩载荷作用局部区域, 并提升载荷接触局部区域的吸能能力(Zhang J et al. 2020a).

3.3 点阵超结构疲劳力学性能调控

如图18 所示, 点阵结构疲劳性能调控策略主要包括: 功能梯度点阵结构设计(Long et al.2021, Lei Y et al. 2021); 点阵结构杆件组元几何特征优化(Mercer et al. 2015); 点阵胞元类型创新(Zargarian et al. 2016, Yavari et al. 2015); 点阵结构节点增强设计(Dallago et al. 2021, Savio et al. 2019); 点阵结构杆件组元空间取向调控(Chen P et al. 2020, Zhao S et al. 2016); 具有手性变形特征的点阵结构设计( Branko et al. 2022); 负泊松比点阵结构(Branko et al. 2022, Kolken et al. 2022); 基于板杆组元混杂形成的复合点阵结构(Torres et al. 2019); 基于尺寸效应的点阵结构(Polley et al. 2022); 具有多稳态特征的点阵结构杆件组元设计(Khare et al. 2018); 点阵结构拓扑优化(Zhang S et al. 2019, Chen Z et al. 2020, Gu X et al. 2020)等.

图18点阵超结构的疲劳设计

与均匀尺寸点阵结构相比, 结构梯度方向平行于载荷方向的点阵结构的失效模式主要表现为逐层塌陷, 并具有更优的力学性能和能量吸收能力; 具有结构梯度方向垂直于载荷方向的点阵结构表现出类似于均匀尺寸点阵结构的剪切带失效模式和局部脆性塌陷. 具有结构梯度方向垂直于载荷方向的功能梯度钛合金点阵结构的疲劳失效模式和均匀尺寸点阵结构十分类似, 并发生剪切带失效模式和局部脆性塌陷. 其疲劳机理是循环棘轮与疲劳损伤的协同. 此外, 增材制造功能梯度点阵结构的疲劳寿命受梯度方向和表面处理工艺的影响, 通过喷砂除去表面上未熔化的颗粒, 可以有效改善点阵结构的疲劳力学性能, 减少疲劳裂纹的形成. 对于梯度方向垂直于载荷方向的功能梯度点阵结构来讲, 其疲劳性能较好(Mercer et al. 2015). 功能梯度最小曲面点阵结构在沿着梯度方向的循环疲劳载荷作用下, 对应的杆件组元断裂面表现为三种典型断裂模式和混合断裂模式. 功能梯度最小曲面点阵结构的疲劳寿命是具有相同相对密度的均匀尺寸最小曲面点阵结构的1.21～1.67 倍(Mercer et al. 2015). 研究人员开展了异质材料构成的低热膨胀复合点阵结构的疲劳力学性能研究, 通过基体材料的疲劳寿命实验数据来模拟点阵结构的疲劳力学行为, 采用修正模型预测点阵结构的局部应力, 并将局部应力输入到多轴疲劳性能模型中来预测点阵结构的疲劳力学性能(Groth et al. 2021). 研究人员针对选区激光熔化钛合金增材制造的钻石型、菱形十二面体和截角截半立方八面体点阵结构的高周疲劳力学性能开展实验和模拟研究, 发现点阵结构的疲劳强度和点阵结构的模量成线性比例关系. 当三种类型的点阵结构胞元的相对密度为0.2 时, 截角截半立方八面体点阵结构的疲劳强度最大, 而菱形十二面体点阵结构的疲劳强度最小. 这是由于在相同相对密度下, 截角截半立方八面体点阵结构的杆件组元的r/L最大, 具有最大的弯曲惯性矩, 因而杆件组元横截面上的最大应力水平最低; 类似地, 菱形十二面体点阵结构的杆件组元的r/L最小, 具有最小的弯曲惯性矩, 因而杆件组元横截面上的最大应力水平最高. 当然, 杆件组元的空间取向差异、受力模式也显著影响杆件组元的弯矩和内部弯曲应力, 但杆件组元的横截面尺寸因素对内部应力的影响占据主导地位. 此外, 所有类型的点阵结构均呈现对角线剪切带失效模式(Zargarian et al. 2016). 研究人员开展激光选区熔融立方体、菱形十二面体和截角截半立方八面体点阵结构的高周疲劳力学性能实验研究, 发现立方体点阵结构具有最高的疲劳寿命, 甚至可以在80%的屈服应力水平上承受106次疲劳循环加载后依然保持结构完整性. 在同样疲劳应力载荷水平下, 截角截半立方八面体点阵结构的疲劳寿命高于钻石型点阵结构, 且均高于菱形十二面体点阵结构. 三类点阵结构的S-N 曲线均表现出指数式特征(Yavari et al. 2015). 研究人员采用激光粉床熔化成形增材制造工艺制备四种钛合金点阵结构(打印方向差异、节点设计差异) , 并评估增材制造工艺导致的几何不确定性 (表面微观凹坑和横截面尺寸和形状偏差、节点几何形状和打印方向) 对其宏观疲劳力学性能的影响, 为了减小点阵结构实验样品的应力分布不均匀性, 特意采用了具有哑铃状的样品夹持端设计, 发现通过在点阵结构的节点连接处采用光滑倒角过渡设计, 可以显著提升增材制造点阵结构的疲劳力学性能(Dallago et al. 2021). 研究人员设计出具有不同几何特征的节点增强型点阵结构的单轴拉伸力学实验样品, 并采用选择性激光熔覆 (SLS) 技术制备, 主要包括: 具有方形杆件组元和均匀截面特征的点阵结构、具有方形杆件组元截面并在节点处具有圆形倒角半径的点阵结构、具有圆形杆件组元和均匀截面特征的点阵结构、具有圆形杆件组元截面并在节点处具有圆形倒角半径的点阵结构, 以及通过杆件组元子域分割Catmull-Clark 算法3 次迭代后生成的具有圆形杆件组元截面和渐变杆件尺寸的点阵结构. 进一步研究了5 类点阵结构的疲劳力学性能, 发现节点处增强设计可以提升点阵结构的刚度, 通过杆件组元子域分割Catmull-Clark 算法3 次迭代后生成的具有圆形杆件组元截面和渐变杆件尺寸的点阵结构具有最好的刚度和疲劳力学性能, 具有圆形杆件组元截面的点阵结构的疲劳力学性能优于具有方形杆件组元截面的点阵结构的疲劳力学性能. 为了定量评价不同类型的节点增强设计对于疲劳力学性能提升的效果, 研究人员提出疲劳强度应力集中因子的评价方法, 可以表达为疲劳强度应力水平和准静态拉伸Mises 应力的比率, 数值模拟结果表明随着节点倒角圆弧半径的增加, 疲劳强度应力集中因子下降(Savio et al. 2019).研究人员针对四种点阵结构 (SC, BCC, FCC, SC-BCC) 开展准静态力学性能和疲劳力学行为实验研究, 发现所有点阵结构的抗疲劳性能随着相对密度的增加而提高. 在所有点阵结构中, SC 点阵结构具有最高的疲劳强度, 而BCC 点阵结构表现出最差的抗疲劳性能. 点阵结构胞元类型对疲劳力学性能的影响和弹性力学性能的影响规律类似. 相对密度对FCC 和BCC 点阵结构胞元的归一化S-N 曲线仍然十分敏感(Chen P et al. 2020). 研究人员利用Ti-6Al-4V 合金电子束熔化(EBM) 增材制造工艺制备立方体, G7 和菱形十二面体点阵结构的疲劳力学性能实验样品, 发现三种点阵结构的基本疲劳失效物理机理是点阵结构杆件组元的循环棘轮和疲劳裂纹生长的交互作用, 并与点阵结构胞元的杆件组元的表面性能、缺陷、屈曲和弯曲的累积塑性变形密切相关.其中, 循环棘轮效应是点阵结构压缩疲劳失效的主要机制. 尽管增材制造点阵结构杆件组元中存在粗糙表面和孔隙缺陷, 仍然可以通过点阵结构设计增加杆件组元的屈曲变形模式比例, 使点阵结构在循环变形过程中的循环棘轮速率显著降低、抗压疲劳强度得到提升. 通过增加点阵结构的弯曲变形主导模式比例, 点阵结构杆件组元中的疲劳裂纹增长对点阵结构的疲劳损伤贡献显著增强, 点阵结构杆件组元的粗糙表面和孔隙显著降低了点阵结构的疲劳强度. 点阵结构胞元的杆件组元上疲劳裂纹萌生和扩展是影响点阵结构疲劳强度的另一个重要因素. 随着点阵结构杆件的弯曲变形增大, 杆件组元弯曲变形引起的局部拉应力较高, 疲劳裂纹容易从粗糙表面和内部缺陷位置萌生和扩散, 这可能会显著降低点阵结构的疲劳寿命. 对于具有杆件组元表面粗糙度的G7 和菱形十二面体点阵结构来说, 杆件组元的循环棘轮和疲劳裂纹增长与点阵结构杆件组元的疲劳强度密切相关, 并加速点阵结构的疲劳损伤累积, 与基于液态制备工艺制备的具有更光滑结构表面的泡沫铝相比, 相同比密度的增材制造点阵结构的疲劳强度比较低. 因此, 降低点阵结构杆件组元的循环棘轮速率和延缓疲劳裂纹生长是提高点阵结构疲劳强度的两种主要方法.很难通过调整增材制造工艺参数改善杆件组元的表面粗糙度并降低孔隙率的思路来降低点阵结构胞元杆件组元的疲劳裂纹扩展速率. 提高增材制造钛合金点阵结构的疲劳强度的一种可能有效方法是降低压缩疲劳循环过程中的循环棘轮速率. 可能的疲劳性能提升方法如下: 首先, 采用新胞元、新构型点阵结构设计, 通过点阵结构构型设计增加屈曲变形模式的杆件组元比例, 即使点阵结构杆件组元表面具有粗糙度, 依然可以显著提高点阵结构的疲劳强度; 其次, 通过热处理工艺进行微结构调控, Ti-6Al-4V 点阵结构杆件组元中硬脆性α′-马氏体对点阵结构的抗疲劳性能有不利影响, 通过热处理工艺进行微观组织结构调控可以提高点阵结构杆件组元的力学性能,显著改善电子束熔化增材制造Ti6Al4V 点阵结构的疲劳性能. 最后, 设计具有功能梯度结构特征的点阵结构, 梯度点阵结构的变形行为是每个点阵结构胞元的应变-应力响应的加权平均值. 由于循环棘轮速率与点阵结构杆件组元的变形模式密切相关, 梯度点阵结构设计可能是实现综合力学性能优化的有效方法, 比如高疲劳强度, 高能量吸收和低模量等多功能力学性能一体化(Zhao S et al. 2016). 研究人员研究了铝合金AA 5083-H111 制成的手性和内凹负泊松比蜂窝结构的疲劳力学行为, 通过在不同幅度应变水平下的位移控制模式下进行实验研究, 进一步基于包含Morrow 均匀应力校正的Coffin-Manson 模型, 并采用应变寿命分析方法模拟点阵结构的疲劳寿命. 在几乎相同的相对密度下, 内凹蜂窝样品的刚度比手性负泊松比结构高出十倍以上. 在相同的平均应变循环幅度下, 手性结构比内凹蜂窝结构的疲劳寿命明显增加. 在相同疲劳寿命下,刚度更好的内凹蜂窝结构比手性结构具有更高的疲劳应力水平. 在单次载荷循环耗散能量相同的情况下, 手性结构比内凹蜂窝结构具有更长的疲劳寿命. 对于手性结构, 最终疲劳失效断裂面垂直于拉伸载荷方向; 内凹蜂窝结构的断裂面取向则是在垂直于拉伸载荷方向基础上偏离20fl左右(Branko et al. 2022). 借助数字图像相关 (DIC) 和X 射线CT 三维数值重构技术, 研究人员开展内凹蜂窝结构的疲劳力学行为实验研究, 结果表明, 在内凹蜂窝的内凹节点和沿试样外缘的垂直杆件中出现局部结构性能弱化, 这与DIC 和micro-CT 实验数据中的最大主应变集中和断裂萌生位置吻合, 通常裂缝极易从点阵结构组元的内部孔洞空间或其他容易形成I 型裂纹的部位萌生(Kolken et al. 2022). 通过仿照骨质疏松密质骨、松质骨的微结构特征, 研究人员设计出具有板-杆异质结构组元混杂形成的点阵结构, 发现这种点阵结构具有优异的抗疲劳力学性能(Torres et al. 2019). 研究人员针对最小曲面 (gyroid) 点阵结构的疲劳力学性能开展实验研究,结果表明, 在相同相对密度条件下, 点阵结构胞元的尺寸越小, 其疲劳极限应力水平越高. 在相同点阵结构胞元尺寸条件下, 相对密度越高, 其疲劳极限应力水平越高(Polley et al. 2022). 研究人员开展具有结构优化效果的内凹负泊松比点阵结构的疲劳力学性能研究, 发现通过几何参数优化可以降低应力集中, 并提升点阵结构的抗疲劳力学性能(Khare et al. 2018). 通常, 应力引导的结构拓扑优化是基于比例加载实现的, 轻质结构疲劳性能驱动的结构拓扑优化的载荷非比例特征会导致拓扑优化计算成本显著增加, 因为必须对要计算疲劳损伤的每个点执行应力反向加载. 研究人员提出将疲劳加载历史分割为离散比例加载的叠加, 可以将疲劳驱动的结构优化问题退化为基于应力比例加载的拓扑优化问题(Zhang S et al. 2019). 研究人员开展基于非比例加载的疲劳性能引导的拓扑优化, 通过引入惩罚应力方法能够避免局部优化, 通过进一步结合疲劳损伤惩罚因子, 可以实现整体结构疲劳性能的最优化(Chen Z et al. 2020).

3.4 点阵超结构断裂韧性调控

如图19 所示, 点阵结构断裂性能调控策略主要包括: 设计新型无节点的点阵结构(Moestopo et al. 2020); 具有高熵合金纳米薄膜涂覆的新型聚合物复合点阵结构(Zhang X et al. 2018,Surjadi et al. 2021); 基于多晶点阵结构界面工程的新型多晶点阵超结构设计, 并利用界面-滑移带相互作用实现裂纹偏折(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021); 异质点阵结构复合形成双相复合点阵结构, 利用刚柔相济思想增强裂纹扩展过程中的能耗和阻力(Zian J et al. 2019, Jia Z et al. 2020); 通过将硬质点 阵结构夹杂相引入到软点阵结构集体中形成夹杂增强复合点阵结构(Pham et al. 2019, Liu C et al. 2021); 基于自组织制造工艺制备最小曲面点阵结构(Portela et al.2020, Conway et al. 2021); 通过孔洞弱缺陷的拓扑分布设计引导裂纹扩展路径(Bhuwal et al.2021, Manno et al. 2019); 通过制造工艺调控材料力学性能, 并引导点阵超结构中的裂纹路径(Yu K et al. 2021, Gao Z et al. 2020); 利用韧、脆双材料沿着不同空间取向构筑, 形成双材料复合点阵结构(Tankasala & Fleck 2019); 通过将裂纹附近局部直线杆件改造成弯曲杆件提升裂纹尖端的局部变形能力, 利用结构组元改性实现钝化(Li K et al. 2020); 基于液态金属填充中空杆件组元的点阵结构(Zhang W et al. 2020); 具有多层级结构特征的点阵结构设计(Wang B et al.2019); 功能梯度点阵结构(Lei Y et al. 2021); 通过异质点阵结构拓扑路径引导裂纹扩展轨迹(Groth et al. 2021)等.

图19点阵超结构的断裂性能设计

通过螺旋编织形成无固定节点的点阵结构, 对应的交错杆件节点通过相对滑移、接触实现载荷与应变能的传递, 可以降低节点应力集中、提升裂纹尖端的断裂韧性(Moestopo et al.2020). 传统的基于杆、板、壳、膜结构组元的周期性点阵结构胞元具有高度几何对称性和内部空间流通性, 但制造工艺缺陷引起的结构非对称性会导致实际制备的点阵结构的功能发生显著劣化. 研究人员利用多孔材料的多尺度自组织结构制造技术, 制备出具有结构非对称、双曲率平滑表面的壳膜点阵结构, 可以实现轻质高强、高冲击吸能效率和内部高效流动性的多功能一体化, 有效克服制造工艺局限和高可靠性、多功能性之间的矛盾, 实现点阵结构的力学性能缺陷不敏感, 克服高刚度与高回弹、可恢复性能之间的固有矛盾. 此外, 这种通过自组织制造工艺制备的点阵结构具有良好的可定制、可编程各向异性力学性能(Portela et al. 2020). 剪切带的形成及其快速扩展是单一取向周期性点阵结构失效的主要原因, 而多晶点阵结构的界面可阻碍剪切带的快速传播并能够改变其传播方向, 从而可有效地阻止结构的整体失效. 研究人员通过模拟多晶材料的多尺度微结构设计, 设计出具有多晶粒状点阵超结构, 相邻晶粒内部具有不同的空间取向和点阵结构胞元类型, 可以实现更好的裂纹扩展抑制能力(Pham et al. 2019). 研究人员以多晶合金材料微结构为灵感, 设计出多取向宏观点阵结构材料, 通过增加单位体积内点阵胞元个数以及调节杆件组元在界面上的连接方式, 可以制备出具有高强度、高耐压的宏观多晶点阵金属材料.增加界面面积能有效提高材料的强度与抗压能力, 可以将剪切带均匀地分散并避免因局部应力集中而引发的结构失效, 实现剪切带的分散分布和扩展路径复杂化, 并抑制剪切带的快速扩展、提升点阵材料的韧性, 类似于金属材料中的细晶强化机理(Liu C et al. 2021). 类似于合金材料的孔洞生长、贯穿失效过程, 在周期性点阵结构中引入不同大小、不同空间取向、不同拓扑分布特征的孔洞缺陷, 可以实现点阵超结构裂纹扩展路径调控, 以及压缩过程中局部失效带演化调控(Bhuwal et al. 2021). 研究人员提出了基于韧性杆件和脆性杆件沿着不同空间取向混杂构筑的异质点阵结构胞元, 可以大幅提升脆性点阵结构的断裂韧性和缺陷不敏感特性(Tankasala &Fleck 2019). 研究人员采用先进的微纳米尺度增材制造技术制备出由高弹性聚合物材料基体构筑的纳米尺度点阵结构, 并通过磁控溅射工艺实现纳米尺寸厚度的高熵合金涂敷, 获得纳米尺度双材料杆件组元构筑的异质材料复合点阵结构, 可以实现强度和韧性的协同优化(Zhang X et al.2018). 通过将金属点阵结构裂纹附近的直线型杆件组元改成波浪形杆件, 可以显著提升裂纹尖端局部变形能力、显著降低裂纹尖端附近的应力集中度并阻碍裂纹扩展, 大幅提升点阵结构的断裂韧性和结构缺陷不敏感度(Li K et al. 2020). 通过模仿生物材料的微观结构, 可以设计并制造出具有更强韧力学性能的仿生复合材料. 研究人员开展4 类典型生物材料微观结构启发的软/硬双相复合点阵结构的断裂力学性能研究, 包括: 砖-泥复合结构、交叉层错排布的层状复合结构、具有同心不同半径层状复合六角形蜂窝结构和旋转排布层状复合结构. 实验结果表明, 旋转排布层状复合结构呈现”J”形状的R 曲线, 可以提供更高的临界能量释放速率并具有更长的裂纹扩展路径, 阻止裂纹扩展能力更强. 上述4 种异质仿生结构设计主要通过如下两类机理实现复合材料的韧性提升: 通过软硬复合相结构交错排布产生刚度变化, 可以减缓裂纹扩展并防止裂纹直接穿透;引导裂纹沿着弱界面通过渐进损伤模式扩展, 可以提升复合材料的韧性, 并具有更好的抗裂纹扩展能力(Zian J et al. 2019). 轻量化多功能点阵结构的三个新兴研究方向可以归纳为: 设计具有极端和超常规力学性能的点阵超结构, 其力学性能很难通过块体材料实现; 设计具有定制化、可编程力学性能的点阵超结构, 可以在不同的服役环境下、不同载荷路径或控制模式下具有不同的力学响应特征; 设计具有多功能的点阵超结构, 包括具有热、机械、光学、压电和负折射率特性的多场耦合服役环境下的物理、化学、生物环境交互型点阵超结构. 这些新兴方向表明点阵超结构的研究逐渐从传统承载功能向智能、自适应和多功能集成等方向过渡(Jia Z et al. 2020).现有的裂纹路径主流设计方法均需要改变材料的局部点阵结构几何参数或者胞元构型特征, 会引起相对密度的不一致和异质结构设计的复杂性. 有鉴于此, 研究人员提出了一种利用数字光处理 (DLP) 技术的光学编程方法, 可以在不改变材料和结构设计前提下, 通过在光敏树脂3D 打印固化过程中调节裂纹路径上的激光能量、速度等打印参数, 实现裂纹路径局部区域材料固化后的力学性能改变, 实现同质材料、单一点阵结构胞元类型周期性点阵结构的裂纹路径设计(Gao Z et al. 2020). 研究人员提出通过多层级蜂窝结构设计提升断裂力学性能的研究思路, 其中基体材料为具有随机蜂窝几何特征的蜂窝材料, 发现这种多层级蜂窝结构的断裂韧性具有较为强烈的尺寸效应, 多层级结构蜂窝的断裂韧性是常规蜂窝结构的2 倍(Wang B et al. 2019). 金属微点阵力学超材料具有超轻、高比强度等力学性能优势, 但韧性较差, 在服役过程中容易发生脆性断裂失效. 研究人员采用超高精度光固化3D 打印技术制备中空的聚合物微点阵结构, 并采用真空液体填充技术在聚合物薄壳中注入液态金属镓 (Ga) , 成功制备液态金属-聚合物微点阵力学超材料, 具有良好的韧性和自我修复功能. 相比于实心或空心聚合物点阵结构, 液态金属-聚合物点阵力学超材料在压缩过程中没有发生脆性断裂失效, 液态Ga 的存在可以阻碍裂纹在中空聚合物杆件组元中扩展, 使得中空点阵结构在出现裂纹后依然可以承受载荷, 甚至发生部分结构组元断裂的液态金属基微点阵结构超材料依然能够基本恢复原始形状, 并且能够保持一定的承载能力(≥ 50%初始强度) (Zhang W et al. 2020). 研究人员分析并对比具有功能梯度结构特征、均匀尺寸特征的最小曲面点阵结构的疲劳力学性能, 发现功能梯度最小曲面点阵结构的主要承载杆件组元具有较低的应力水平、较大的宏观横截面面积和更小的塑性变形区域, 可以降低裂纹尖端附近的应力集中度, 降低裂纹扩展速率并实现更强的抗疲劳裂纹扩展性能. 即使在杆件组元内部出现穿透性裂纹条件下, 依然具备长期承载能力(Lei Y et al. 2021). 研究人员提出具有随机结构特征点阵结构的5 类设计方法, 可以实现压缩吸能、断裂韧性的可调控, 可以显著提升压缩吸能性能指标和断裂韧性, 包括具有各向同性随机性分布结构特征、各向异同性随机性分布的结构特征、具有功能梯度特性的随机性分布结构特征、具有异质结构胞元分层特征的随机性分布结构特征、具有随机表面粗糙度的点阵结构(Groth et al. 2021). 研究人员采用单边裂纹三点弯、四点弯实验研究了最小曲面点阵结构的断裂韧性, 并通过在相邻分层胞元之间添加加强薄板, 可以实现裂纹在加强板界面分叉、改变裂纹传播路径, 进而增强最小曲面点阵结构的断裂韧性(Conway et al. 2021). 受植物光合作用的启发, 通过引入光合作用产生的葡萄糖的下游反应机制, 研究人员开展基于光合作用辅助增材制造的材料强化工艺, 为了设计一个能够与光合作用产生的葡萄糖进行交联反应的聚合物网络, 研究人员开发了一种具有丙烯酸酯和异氰酸酯基团(NCO) 的聚合物树脂, 然后将树脂与菠菜叶中提取的叶绿体混合. 丙烯酸酯基团可以用于基于光聚合的3D 打印, 经过3D 打印后的NCO 基团变成了聚合物基体中的游离侧基团. 在光照下可以与光合作用产生的葡萄糖分子上的羟基 (OH) 发生反应, 形成氨基甲酸酯 (-NH-CO-O-), 导致额外的交联反应. 经过两个小时光照可以将原始材料的弹性模量、抗拉强度和断裂韧性提高300%～620%. 可以进一步利用不同模式光束调节3D 打印结构不同区域的局部刚度, 通过光合作用增强实现材料刚度提升, 这一特质与自然界中植物枝干在重物压力下变得越来越强壮非常类似. 基于此工艺, 可以实现点阵结构内部裂纹扩展路径的设计和引导, 显著提升点阵结构的断裂韧性(Yu K et al. 2021). 与传统金属/合金相比, 高熵合金微点阵结构表现出更为优异的比强度和可调控力学性能. 然而, 尽管高熵合金微点阵结构具有较高的强度, 但在较低的压缩应变下(约7%)出现杆件组元脆性断裂. 金属/合金复合微点阵结构可以在保持较低重量的同时提高材料刚度和强度. 然而, 在较低的应变下(10%以下), 较软的聚合物芯与表面硬质金属薄膜之间的模量失配和低附着力往往会导致薄膜/基体分离和杆件断裂. 研究人员利用金属材料的微纳米尺度效应, 证明通过优化微点阵结构CoCrNiFe 高熵合金薄膜厚度可显著抑制膜基分离, 并延缓杆件组元断裂, 同时实现比强度提升50%. 断裂的支杆的截面形态也显示出脆性断口和膜基分离,通过优化膜厚可以完全抑制膜基分离并大幅延缓点阵结构杆件组元的断裂(Surjadi et al. 2021).

4 总结与展望

如图20 所示, 本文从多晶体多尺度微结构特征出发, 分类介绍不同类型点阵结构的新构型、新胞元设计方法, 阐明如何通过点阵结构的力学设计实现强度、刚度、冲击吸能等多功能力学性能调控, 并揭示点阵结构在外部载荷作用下的力学行为和变形失效机理.

图20晶体多尺度微结构特征启发的点阵结构设计、力学性能调控及物理机理

根据晶体多尺度微结构特征, 可以把点阵结构分为: 七大晶系和十四种Bravais 晶格启发的周期性点阵结构、节点/对角线增强点阵结构、多晶体微结构启发的异质点阵结构、孪晶微结构启发的孪晶点阵结构、双相合金微结构启发的异质复合点阵结构、合金功能梯度微结构启发的功能梯度点阵结构、晶体缺陷启发的点阵结构的节点和杆件组元改性设计、具有非周期随机尺寸特征的点阵结构, 以及新型相变点阵结构等. 在多晶微结构启发的点阵结构设计基础上, 进一步开展新型轻质多功能点阵超结构的多功能力学性能调控、点阵结构变形规律和失效机理分析, 总结出轻质多功能点阵超结构的强度、刚度、冲击吸能、疲劳性能和断裂韧性等典型力学性能调控策略, 为轻质多功能点阵结构的工程应用提供理论指导和技术支持.

致谢

国家自然科学基金(11972081; 12072241)的资助.