金属点阵结构的低成本制备及力学性能表征

Since metallic lattice truss structures (MLTS) have excellent mechanical properties and open interior space, they are considered as an ideal platform for multifunctional structures. Recently, metallic lattice materials have been rapidly developed and widely focused by scholars both at home and abroad. But the more complicated configuration and immature preparation process limit their application in engineering. Based on this, the present project will investigate several key problems on the design, preparation and characterization of metallic lattice truss structures, including the optimum design and preparation of MLTS, damage mechanism and failure behavior of MLTS, deformation, buckling behavior, dynamic response and heat transfer properties of MLTS, and performance evaluation of MLTS. The purpose of the present project is to fabricate the ultra-light structures with high specific strength, specific stiffness and heat conduction, solve the key techniques in the development of ultra-light structures, and promote the application of metallic lattice truss structures in engineering.

金属点阵材料具有优异的力学性能和开放的内部空间，被认为是多功能结构的理想平台。近年来，金属点阵材料发展迅速，受到了国内外学者的广泛关注，但相对复杂的构型和不够成熟的制备工艺限制了其在工程中的应用。基于此，本项目将开展金属点阵结构的设计、制备和表征方面的若干关键问题研究，包括金属点阵结构的优化设计和低成本制备工艺；金属点阵结构的损伤机理和失效破坏；金属点阵结构的变形行为、屈曲特性、动态响应特性及导热特性；金属点阵结构的性能评价等。其目的是制备出高比强、高比刚、导热性能优异的超轻结构，解决超轻结构研制中的若干关键技术，推动金属点阵结构在工程中的应用。

金属点阵材料具有优异的力学性能和开放的内部空间，被认为是多功能结构的理想平台。近年来，金属点阵材料发展迅速，受到了国内外学者的广泛关注，但推动点阵结构工程应用仍急需解决以下关键问题：1）发展低成本点阵结构制备技术； 2）设计新拓扑构型点阵芯子，进一步提高其平压和剪切性能； 3）研制力学性能和导热性能优异的点阵结构；4）发展抑振型多功能点阵结构；5）加强点阵结构抗爆炸冲击性能。. 基于以上需求，本项目首先提出了“杆件拆分-缩并法”的构型强化设计新理念，并应用嵌锁-组装-钎焊工艺设计和制备了新型沙漏点阵结构，发现沙漏点阵结构面外压缩强度、面内剪切强度、以及面内压缩和三点弯曲载荷下的破坏载荷均优于金字塔点阵结构。同时提出了结点嵌锁法并采用SLM法设计制备了两类金属中空点阵夹芯结构，研究了其在面外压缩、横向剪切及三点弯曲下的准静态力学行为，结果表明该类结构展现出显著优于主流多孔结构的比力学性能。其次，以飞行器典型部件-燃料储箱为研究对象、以加筋沙漏型点阵夹芯结构为承载结构进行多功能一体化设计、承载性能及热控性能研究，为可重复使用高马赫飞行器的轻量化设计提供了有益思路和支撑。再次，首次建立了抑振型多功能点阵结构的设计方法，使其不仅具有优异的承载能力，而且具有声子晶体结构的弹性波带隙，有望用作新一代深海潜航器的静音电机设计，实现隐身和提升续航。最后，建立了金属夹芯结构在爆炸载荷下的动态响应理论模型，该模型考虑了芯层压缩和结构弹塑性变形，为实际工况下应用于舰船等领域中金属夹芯结构的抗爆性能设计与优化提供理论指导。同时通过实验研究了新型沙漏金属点阵结构的抗水下爆炸冲击性能，发现其具有更强的抗杆件屈曲能力和抗面板撕裂能力，为爆炸冲击载荷下舰船防护结构设计提供了新思路。