多级蜂窝结构多尺度力学性能及优化机理研究

At present artificial engineering honeycomb structures mimic only the macroscopic geometry of natural porous biomaterials, but have not yet to achieve the micro-structural simulation of their counterparts. The properties of conventional man-made honeycomb structures are bounded by two inherent constraints: (1) the overall stiffness of a porous material is lower than that of the solid wall and (2) the coefficient of thermal expansion of a porous material is always equal to that of the wall material. To mimic the natural materials with the hierarchical and self-similar structure, the project will develop a theoretical model for predicting the effective elastoplastic mechanical behaviors of hierarchical metal foams with coating of the pore surfaces, which will be validated via experiment. Considering the structures under an extreme condition, therefore, based on the homogenization theory, we develop a multiscale model for characterizing the mechanical behaviors of hierarchical honeycomb structures by combining the periodical random Voronoi model, the self-similar theory and the strain gradient plasticity. The mechanical behaviors of the hierarchical honeycomb structures under complex loading conditions will be systematically investigated, and then the quantitative relations between the macro properties and the micro-structures will be established. Based on the structural topology optimization technology, we will optimize the hierarchical metal foam from the geometrical size and shape, and the distribution of the materials for achieving low density, high stiffness and tunable coefficient of thermal expansion. The project is also helpful for the design of the analogous hierarchical structures.

目前使用的蜂窝结构仅仅在宏观构型上模仿了天然多孔生物结构，还没有实现对生物微观结构的仿生。传统人造材料存在固有的不足：(1) 材料的整体等效刚度小于母体材料的刚度；(2) 等效热膨胀系数通常等于母体材料的热膨胀系数。模仿天然材料的多级层次和自相似结构，项目拟建立孔内壁涂层多级层次金属泡沫模型，预测其等效弹塑性力学性能，并进行试验验证。针对材料在极端环境下的使用，基于均匀化方法，结合周期随机Voronoi模型，自相似理论和塑性应变梯度理论，建立相应的多尺度力学模型，系统研究超轻多级层次泡沫金属在复杂荷载作用下各个层次上的响应行为，建立其宏观性能与微细观组织结构间的定量关系。以轻质高强和热膨胀系数可调为研究目标，采用结构拓扑优化技术，对多级层次结构金属泡沫进行尺寸、几何形状和材料分布等方面的多级优化设计。研究成果对类似多级层次结构的研究同样具有重要的参考价值。

多孔材料作为一种高比强度和高比刚度的新型材料，被广泛地应用到多个领域。多级蜂窝可以通过增加层级数和在孔壁修饰涂层来提高蜂窝结构的力学性能。研究多级蜂窝结构的材料与结构参数以及涂层与胞壁间界面的性能对其等效力学性能的影响机理，就显得特别重要。项目采用有限元方法、塑性应变梯度理论、考虑表面效应的连续介质理论和分子动力学方法，并结合均匀化理论建立了自相似多级铝蜂窝的代表体积单元（RVE），预测了级数和结构参数等因素对自相似多级蜂窝力学性能的影响。制备了氧化铝和碳化硅涂层铝蜂窝结构，并进行了相应的压缩性能测试。针对铝在拉伸和压缩载荷下的差异，项目采用分子动力学方法研究了双晶体铝中倾角对其力学性能和位错演化的影响机理。系统地研究了蜂窝铝基氧化铝涂层复合材料在热力载荷下界面和涂层的损伤和失效，重点分析了涂层厚度和预制涂层垂直裂纹密度对界面损伤失效的影响。提出了用来预测双向纤维增强复合材料等效弹性模量和抗拉强度的解析模型。采用内聚力方法研究了单向纤维增强和双向纤维增强复合材料的界面失效问题以及界面性能对复合材料等效力学行为的影响机理。采用分子动力学的方法获得了石墨烯涂层铝不同晶向和温度下的法向和切向牵引力-张开位移曲线，并获得了内聚力界面模型参数，并将得到的参数代入到有限元中进行了薄膜黏附力鼓包测试模拟，并与完全的分子动力学计算结果进行了对比。采用分子动力学和解析方法研究了单壁碳纳米管和双壁碳纳米管增强纳米多孔铝的力学性能。分析了Gibson和Ashby公式在预测无增强的纳米多孔铝的面内等效弹性模量和压缩强度的适用性，同时分别基于细观力学和Gibson和Ashby模型，提出了碳纳米管增强纳米多孔结构面内等效弹性模量和压缩强度的解析预测公式。研究成果对类似修饰涂层的多级层次结构的研究具有重要的参考价值。