熊 健，杜昀桐，楊 雯，吳倩倩，徐學(xué)軍，姚 東，韋興宇，陳宗兵

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱150080； 2. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司西安航天動(dòng)力研究所液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710100；3.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第四研究院第四十一研究所燃燒、流動(dòng)與熱結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引 言

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在對(duì)輕量化需求較高的眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用；從占據(jù)的市場(chǎng)份額來(lái)看，復(fù)合材料的應(yīng)用主要集中在航空航天、交通運(yùn)輸、建筑和運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域[1]。在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料已經(jīng)大量應(yīng)用在直升飛機(jī)、戰(zhàn)機(jī)、民航客機(jī)、火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件[2-6]，以空客A380和波音787飛機(jī)為例，復(fù)合材料用量已經(jīng)分別超過(guò)了25%和50%[7]。

夾芯結(jié)構(gòu)由上下厚度小、剛度大的面板和中間厚度大、重量輕的多孔芯子構(gòu)成。面板能夠承受彎曲載荷，芯子可支撐面板以及傳遞載荷。結(jié)合面板-芯子的剛度分配以及芯子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，相對(duì)實(shí)體板結(jié)構(gòu)，夾芯結(jié)構(gòu)是一種材料分布較為合理的輕量化結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料與夾芯結(jié)構(gòu)相結(jié)合為輕量化設(shè)計(jì)及應(yīng)用打開(kāi)了新的思路，全復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)成為研究熱點(diǎn)，新的結(jié)構(gòu)形式以及新的制備工藝層出不窮[8-11]。但仍然存在限制復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)大規(guī)模應(yīng)用的問(wèn)題：1) 夾芯結(jié)構(gòu)固有的面芯粘接強(qiáng)度低；2) 低相對(duì)密度下芯子的力學(xué)性能有待進(jìn)一步提高；3) 批量化制備需要進(jìn)一步發(fā)展,制備成本亟需降低[11]。

本文立足于團(tuán)隊(duì)近幾年有關(guān)夾芯結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展，分別概述了點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、褶皺夾芯結(jié)構(gòu)和蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在提高面芯粘接強(qiáng)度、增強(qiáng)芯子在低相對(duì)密度時(shí)的力學(xué)性能以及制備工藝批量化及低成本化方面的工作。

1 點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)

1.1 復(fù)合材料面芯增強(qiáng)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，聚合物泡沫、泡沫鋁、芳綸紙蜂窩、鋁蜂窩等夾芯結(jié)構(gòu)已在航空航天、車(chē)輛、建筑等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[12-14]。然而，隨著科技的進(jìn)步，人們?cè)诤娇蘸教炱?、?chē)輛、艦船、建筑等領(lǐng)域?qū)p量化結(jié)構(gòu)的需求也越來(lái)越迫切。發(fā)展以先進(jìn)復(fù)合材料為母體的輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)超輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化以增加有效載荷的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，對(duì)復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能開(kāi)展相關(guān)研究具有重要意義[15]。

點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的母體材料主要包含金屬材料和復(fù)合材料兩大類。相比于鋼、鋁等金屬材料，碳纖維復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，同時(shí)還兼具抗疲勞、抗沖擊、抗腐蝕、減震、低熱膨脹等顯著優(yōu)勢(shì)，能較好地滿足航天器結(jié)構(gòu)輕量化、承載及多功能等需求，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，科研工作者設(shè)計(jì)制備了多種構(gòu)型的復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，不僅包括壓縮[16-17]、剪切[18-19]、彎曲[20-22]、沖擊[23-24]和振動(dòng)[25-26]等力學(xué)性能，還包括點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能[27-29]、聲學(xué)性能[30-32]以及混雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的多功能性能[33]。對(duì)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的碳纖維復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)而言，面芯界面的結(jié)合強(qiáng)度普遍較低，極易出現(xiàn)面芯間界面剝離現(xiàn)象，面芯界面脫粘失效同材料/結(jié)構(gòu)的匹配與否以及制造成型等因素密切相關(guān)，面芯性能偏弱是制約復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的主要原因，亟需采用有效方法來(lái)解決這個(gè)瓶頸問(wèn)題。

Li等[34]提出了一種可以提高面芯粘接強(qiáng)度的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，將其稱之為節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)型復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。通過(guò)面芯間的鋁合金加強(qiáng)框，增大芯子與面板間的粘接面積，進(jìn)而提升面芯粘接強(qiáng)度。復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的剪切性能和單胞之間協(xié)同變形的能力，均可通過(guò)鋁合金加強(qiáng)框得到有效提升。此外，復(fù)合材料面板和加強(qiáng)框的組合類似于加強(qiáng)筋，可以提高面板和整體結(jié)構(gòu)的承載能力。

圖1 節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程圖[34]Fig.1 Design of enhanced lattice structure[34]

Li等[34]通過(guò)材料力學(xué)理論設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)四種不同失效模式的剪切試件，剪切實(shí)驗(yàn)得到的失效模式與理論模型預(yù)測(cè)較為一致。相較于未加鋁合金加強(qiáng)框的剪切試件，使用鋁合金加強(qiáng)框進(jìn)行節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)后，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的面芯粘接能力大幅提高，剪切失效模式也從面芯脫粘轉(zhuǎn)變?yōu)樾咀訔U件壓潰。

然而，采用切割復(fù)合材料層合板制備點(diǎn)陣芯子桿件的方法仍然存在一定的局限性，當(dāng)金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)受外界載荷作用時(shí)，芯子桿件中只有一半纖維沿桿件方向鋪設(shè)，未能充分挖掘桿件中的纖維增強(qiáng)潛力。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[35-36]提出了整體加固的單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)制備方法，該工藝的芯子桿件中的纖維方向均是沿桿件受力方向，且桿件中纖維是連續(xù)的，可充分發(fā)揮纖維的承載作用，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。鋁合金加強(qiáng)框?qū)π咀訔U件節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行增強(qiáng)，可以有效提高面芯間粘接強(qiáng)度。剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，面芯增強(qiáng)措施有效阻止了面芯脫粘失效，使得剪切失效模式由面芯脫粘逐步向芯子桿件劈裂失效轉(zhuǎn)變。

整體加固單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與采用一次成型工藝、二次成型工藝、激光切割工藝制備的復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比(見(jiàn)表1)，其比剪切剛度和比剪切強(qiáng)度明顯偏高。結(jié)果表明，上下金屬連接片的引入增加了面芯間粘接面積，從而提高了結(jié)構(gòu)面芯間的粘接強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度。

表1 不同制備工藝下復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的剪切力學(xué)性能對(duì)比[35, 37-39]Table 1 Comparison of shear mechanical properties of composite lattice structures with different fabrication methods[35, 37-39]

1.2 多級(jí)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)

點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)承受面外壓縮載荷作用時(shí)，其芯子是主要受力部件，桿件屈曲和桿件壓潰失效是對(duì)應(yīng)的兩種主要失效模式。點(diǎn)陣芯子桿件發(fā)生壓潰失效時(shí)可以充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，但是相對(duì)密度較低時(shí)，芯子桿件通常發(fā)生屈曲失效，未能充分發(fā)揮桿件的承載潛力。圖2給出了夾芯結(jié)構(gòu)面外壓縮強(qiáng)度隨著芯子相對(duì)密度的變化關(guān)系[40-41]。其中，桿件屈曲對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)面外壓縮強(qiáng)度與其相對(duì)密度的指數(shù)冪成正比，該冪指數(shù)與結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型有關(guān)[42-43]。圖2表明，桿件屈曲失效的出現(xiàn)要先于桿件壓潰失效，導(dǎo)致在低相對(duì)密度下的結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度很低，這使得超輕點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)即使在芯子發(fā)生壓潰失效之前也極易出現(xiàn)破壞?？梢?jiàn)，桿件屈曲致使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅下降的弱點(diǎn)必須克服，從而設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的超輕結(jié)構(gòu)。理想的超輕夾芯結(jié)構(gòu)在面外壓縮載荷作用下僅發(fā)生桿件壓潰失效，且對(duì)應(yīng)夾芯結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度與單胞的相對(duì)密度呈線性關(guān)系。Wu等[40]提出將無(wú)量綱參數(shù)作為超輕結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義為結(jié)構(gòu)芯子從桿件屈曲失效向桿件壓潰失效轉(zhuǎn)變的臨界相對(duì)密度。通過(guò)超輕因子指導(dǎo)夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)面外壓縮力學(xué)性能的調(diào)控。超輕因子的減小意味著夾芯結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低的同時(shí)，桿件屈曲失效發(fā)生的可能性也隨之減小。

圖2 理想超輕夾芯結(jié)構(gòu)平壓強(qiáng)度與相對(duì)密度之間的關(guān)系[40]Fig.2 The relationship between the compressive strength and relative density of the ideal ultralight sandwich structure[40]

多級(jí)夾芯結(jié)構(gòu)的面外壓縮性能顯著優(yōu)于一級(jí)夾芯結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[40,44-46]針對(duì)波紋板-金字塔和金字塔-金字塔多級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的面外壓縮性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。兩種多級(jí)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的單胞幾何尺寸設(shè)計(jì)如圖3所示。在小變形的前提下，根據(jù)位移協(xié)調(diào)條件和力的平衡方程對(duì)結(jié)構(gòu)單胞受力分析，得到了預(yù)報(bào)波紋板-金字塔和金字塔-金字塔多級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)多種失效模式的解析表達(dá)式，如表2所示。

表2 不同失效模式下波紋板-金字塔與金字塔-金字塔多級(jí)結(jié)構(gòu)的等效面外壓縮強(qiáng)度[40-44]Table 2 Equivalent compression strength of corrugated-pyramid and pyramid-pyramid hierarchical truss under different failure modes[40-44]

圖3 多級(jí)點(diǎn)陣的單胞及幾何尺寸示意圖[40,44]Fig.3 The unit cell and geometric dimension of corrugated-pyramidal[40,44]

為揭示失效模式和結(jié)構(gòu)幾何尺寸間的內(nèi)在聯(lián)系，依照波紋板-金字塔多級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度理論預(yù)報(bào)公式，繪制出失效機(jī)制圖。當(dāng)二級(jí)波紋板單胞數(shù)目n1小于18時(shí)，主要的失效模式有二級(jí)面板起皺、二級(jí)面板壓潰和二級(jí)波紋芯子屈曲，這些失效模式與二級(jí)波紋芯子單胞數(shù)目無(wú)關(guān)。但當(dāng)n1大于18時(shí)，一級(jí)點(diǎn)陣芯子的長(zhǎng)度變長(zhǎng)導(dǎo)致屈曲強(qiáng)度降低，失效機(jī)制出現(xiàn)一級(jí)結(jié)構(gòu)芯子屈曲失效。

文獻(xiàn)[40,46]將歸一化幾何參數(shù)rc/lc，lc/lf和tc/lc作為三維失效機(jī)制圖的三個(gè)坐標(biāo)軸繪制出了金字塔-金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的三維失效機(jī)制圖，其優(yōu)勢(shì)在于，能夠同時(shí)給出各視角的二維失效機(jī)制圖。當(dāng)參數(shù)tf/lc由0.01增至0.03時(shí)，二級(jí)和一級(jí)金字塔芯子分別對(duì)應(yīng)的歐拉屈曲失效面積增加，相應(yīng)的二級(jí)面板起皺失效的面積減小。當(dāng)參數(shù)tf/lc增加至0.04時(shí)，二級(jí)面板起皺失效模式消失，隨之二級(jí)面板壓潰失效模式出現(xiàn)。當(dāng)參數(shù)tf/lc增至0.1時(shí)，失效機(jī)制圖中幾種失效模式的面積基本保持不變。在二級(jí)尺度上，面板的起皺和壓潰失效被看作是兩種主要失效模式。僅在歸一化參數(shù)rc/lc很小時(shí)，才出現(xiàn)二級(jí)芯桿的屈曲失效。一級(jí)芯桿的屈曲失效同樣也只有在lc/l很小時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

圖4給出了波紋板-金字塔、金字塔-金字塔多級(jí)結(jié)構(gòu)的等效壓縮強(qiáng)度隨著單胞相對(duì)密度的變化曲線，同時(shí)也給出了具有等截面(矩形、圓形和三角形)泡沫夾芯金字塔多級(jí)結(jié)構(gòu)的壓縮性能。可以發(fā)現(xiàn)，金字塔-金字塔多級(jí)單胞的抗屈曲能力明顯優(yōu)于等截面多級(jí)結(jié)構(gòu)。此外，在同一相對(duì)密度下，金字塔多級(jí)結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的等效抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)槠鋬?nèi)部復(fù)雜的層級(jí)結(jié)構(gòu)可以更有效地在材料節(jié)點(diǎn)處分配外載。在超低密度下，金字塔-金字塔和波紋板-金字塔多級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)桿件屈曲與桿件壓潰失效的臨界點(diǎn)分別是0.00183和0.00443。相比波紋板-金字塔多級(jí)結(jié)構(gòu)，金字塔-金字塔多級(jí)結(jié)構(gòu)顯示出更顯著的抗屈曲能力，因?yàn)榻鹱炙嗉?jí)芯子的質(zhì)量比具有相似承載能力的波紋板-金字塔多級(jí)芯子更輕。

圖4 不同構(gòu)型多級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等效面外壓縮強(qiáng)度比較[40]Fig.4 Comparison of equivalent compressive strength of hierarchical truss lattice sandwich structures with various configuration[40]

1.3 新型金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、低成本制備及力學(xué)性能研究

傳統(tǒng)金屬材料雖然在重量和力學(xué)性能方面不如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，但由于其制備工藝成本低和力學(xué)性能較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使其在工程中仍然占據(jù)較大比重。針對(duì)以金字塔拓?fù)錁?gòu)型為代表的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，克服其在低相對(duì)密度下容易發(fā)生芯子屈曲的問(wèn)題至關(guān)重要。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度既與拓?fù)錁?gòu)型、母材性能有關(guān)，又與制備工藝直接相關(guān)，優(yōu)異的制備工藝不僅能降低成本、提高制備效率，還能減少制備缺陷、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[47-48]。點(diǎn)陣芯子拓?fù)錁?gòu)型增強(qiáng)設(shè)計(jì)方法可以分為兩類：一是通過(guò)改變點(diǎn)陣芯子拓?fù)錁?gòu)型，進(jìn)而提升點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；二是基于現(xiàn)有芯子拓?fù)錁?gòu)型，用空管代替實(shí)心桿件，通過(guò)提高桿件截面慣性矩提高桿件抗屈曲能力，增強(qiáng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)芯子的力學(xué)性能[46]。下面針對(duì)這兩種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方法進(jìn)行綜述。

1.3.1新型沙漏金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)化機(jī)理及力學(xué)性能

針對(duì)目前金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)桿件易屈曲和面板易局部皺曲問(wèn)題，文獻(xiàn)[47-48]提出了桿件拆分-縮并的點(diǎn)陣芯子拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了單層沙漏和多層沙漏點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加桿件細(xì)長(zhǎng)比使得桿件抗屈曲能力提升、節(jié)點(diǎn)間距縮小進(jìn)而達(dá)到提升面板抗局部皺曲能力的目的。

針對(duì)單層沙漏點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和多層沙漏點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備，F(xiàn)eng等[48]已經(jīng)探索出電火花線切割-嵌鎖組裝-真空釬焊的全套制備工藝，成功制備了單層沙漏點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)和多層沙漏點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，研究表明，此套制備工藝流程簡(jiǎn)單、制備缺陷少、有工業(yè)批量化生產(chǎn)的潛力。

在面外壓縮、面內(nèi)剪切、三點(diǎn)彎曲和面內(nèi)壓縮載荷下，文獻(xiàn)[47-48]對(duì)單層不銹鋼沙漏點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)開(kāi)展系統(tǒng)的理論預(yù)報(bào)、制備工藝、力學(xué)性能表征與評(píng)價(jià)等方面的研究工作，揭示其失效機(jī)理與強(qiáng)化機(jī)制。研究結(jié)果表明：與金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比，相同相對(duì)密度條件下，沙漏點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)減小了桿件細(xì)長(zhǎng)比和縮短了芯子節(jié)點(diǎn)間距，從而提高了桿件抗屈曲能力和面板的抗局部皺曲能力，使沙漏點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在面外壓縮、面內(nèi)剪切、面內(nèi)壓縮和三點(diǎn)彎曲載荷下的強(qiáng)度均明顯優(yōu)于金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。Yang等[49]解決了鋁合金薄面板點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)制備的瓶頸問(wèn)題，提出了一種拓?fù)鋸?qiáng)化和材料強(qiáng)化相結(jié)合的方法制備鋁合金點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。焊后沙漏型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)達(dá)到峰值強(qiáng)度后還可以維持很長(zhǎng)一段應(yīng)變，因此適合于對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能穩(wěn)定性要求較高的領(lǐng)域；強(qiáng)化沙漏型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)達(dá)到峰值載荷后隨載荷增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈“斷崖式”下降，故其適用于對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高的領(lǐng)域。

1.3.2節(jié)點(diǎn)組裝空心管點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備及力學(xué)性能

與實(shí)心桿相比，空心管具有更高的截面慣性矩，在桿件發(fā)生屈曲條件下，由空心管組成的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)比實(shí)心桿組成的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的彈性強(qiáng)度。在保證芯子尺寸、芯子桿件長(zhǎng)細(xì)比一定的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)空心管的內(nèi)外徑尺寸可以獲得不同相對(duì)密度的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。Hu等[50]提出了結(jié)點(diǎn)嵌鎖法，成功制備出了具有單層面板和中空桁架芯子的全金屬夾芯結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論手段研究了當(dāng)前中空金字塔點(diǎn)陣的平壓和剪切行為，并對(duì)其比強(qiáng)度及比吸能特性進(jìn)行了評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是壓縮還是剪切加載，這種結(jié)點(diǎn)嵌鎖的金字塔型空管點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度和比吸能都顯著優(yōu)于其他典型周期拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。尤其在低相對(duì)密度區(qū)，這種優(yōu)勢(shì)更為明顯。

2 復(fù)合材料褶皺夾芯結(jié)構(gòu)

褶皺結(jié)構(gòu)由折紙結(jié)構(gòu)演化而來(lái)，人們最初將著名的Miura-ori結(jié)構(gòu)作為褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的芯子即V型褶皺[51-54]；由于其貫穿的胞元更有利于凝結(jié)水汽的排出，從而被認(rèn)為有潛力成為蜂窩結(jié)構(gòu)的替代品[55]。Du等[56]在V型褶皺的基礎(chǔ)上，提出了一種轉(zhuǎn)化規(guī)則，將其轉(zhuǎn)化成了曲面折紙褶皺結(jié)構(gòu)，使之更適合于長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備，并大大提高了褶皺芯子面外壓縮抗屈曲性能。

2.1 曲面折紙褶皺夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5給出了從V型褶皺到曲面折紙皺褶的變換過(guò)程：采用圓弧棱線代替V型褶皺的直棱線，圖5(e)和圖5(f)分別為V型褶皺和曲面折紙褶皺棱線的俯視圖；點(diǎn)D和點(diǎn)E分別為棱線AB和BC的中點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)D、點(diǎn)B和點(diǎn)E可以唯一確定一段圓弧DE，圓弧DA和圓弧EC可以分別通過(guò)圓弧DB和圓弧EB以點(diǎn)D和點(diǎn)E為中心旋轉(zhuǎn)180°得到。所有棱線都遵循該變化規(guī)則，就可以得到曲面折紙褶皺的一個(gè)單胞，沿平面兩個(gè)方向拓展該單胞，最終得到了曲面折紙褶皺。通過(guò)該變換規(guī)則得到的曲面折紙褶皺沒(méi)有增加任何幾何參數(shù)，曲面折紙褶皺獨(dú)立的幾何參數(shù)與V型褶皺獨(dú)立的幾何參數(shù)完全相同。但是通過(guò)該轉(zhuǎn)換規(guī)則得到曲面折紙褶皺需要滿足幾何限定條件π/4≤θ≤π/2。

圖5 V型褶皺到曲面折紙褶皺的變換過(guò)程[56]Fig.5 The transformation process of sandwich structures from chevron foldcore to curved-crease origami foldcore[56]

曲面化的設(shè)計(jì)消除了V型褶皺壁面棱角處幾何突變的問(wèn)題，減弱了V型褶皺棱角處應(yīng)力集中而導(dǎo)致的損傷萌生，有助于提高褶皺結(jié)構(gòu)在低相對(duì)密度下的抗屈曲能力，可以使得在制備過(guò)程中復(fù)合材料預(yù)浸料的鋪設(shè)能夠平緩過(guò)渡，盡量避免V型褶皺在制備過(guò)程中棱角處出現(xiàn)富脂貧脂以及纖維切斷的現(xiàn)象。

2.2 復(fù)合材料曲面折紙褶皺夾芯結(jié)構(gòu)制備

如圖6所示為碳纖維復(fù)合材料曲面折紙褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的模壓法制備流程和試件。杜昀桐等[56]設(shè)計(jì)了一套陽(yáng)模和陰模的模具，其中陰模做成一個(gè)整體，為了方便預(yù)浸料與模具較好的貼合，則將陽(yáng)模做成分離的。采用碳纖維編織復(fù)合材料進(jìn)行制備，將碳纖維預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)好的方式進(jìn)行鋪層，然后將刷過(guò)脫模劑的模具和預(yù)浸料進(jìn)行預(yù)熱，待預(yù)浸料軟化之后手動(dòng)將其鋪設(shè)到陰模上，并使得預(yù)浸料與陰模表面貼合良好，然后逐條將陽(yáng)?？鄣疥幠Ｉ?。將鋪設(shè)好的預(yù)浸料和模具置于熱壓罐內(nèi)，依據(jù)碳纖維預(yù)浸料的固化條件設(shè)置溫度壓力和時(shí)間。將脫模之后的芯子和面板粘接可以得到碳纖維復(fù)合材料曲面折紙褶皺夾芯結(jié)構(gòu)。

圖6 復(fù)合材料曲面折紙皺褶夾芯結(jié)構(gòu)制備工藝[56]Fig.6 Fabrication of composite foldcore based on curved-crease origami[56]

2.3 曲面折紙褶皺夾芯結(jié)構(gòu)有限元模擬和實(shí)驗(yàn)表征

Du等[56]對(duì)復(fù)合材料曲面折紙褶皺和V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元模擬，對(duì)比了多組不同幾何尺寸下兩者的力學(xué)性能，在曲面折紙皺褶和V型褶皺均發(fā)生屈曲失效的情況下，曲面折紙褶皺普遍要比V型褶皺屈曲載荷高，證明了曲面折紙褶皺的抗屈曲性能優(yōu)于V型褶皺。

對(duì)不同密度下的復(fù)合材料曲面折紙皺褶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了面外壓縮實(shí)驗(yàn)，揭示了其在壓縮載荷作用下的變形行為以及失效機(jī)理[56]。當(dāng)相對(duì)密度為2.79%時(shí)，復(fù)合材料曲面折紙皺褶結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲，與傳統(tǒng)V型褶皺結(jié)構(gòu)性能對(duì)比情況如圖7所示。從應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)和壓縮變形過(guò)程來(lái)講，曲面折紙褶皺結(jié)構(gòu)與V型褶皺結(jié)構(gòu)較為相似，但是曲面折紙褶皺結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于V型褶皺，進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)的角度證明了對(duì)褶皺結(jié)構(gòu)進(jìn)行曲面化處理能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗屈曲性能。

圖7 曲面折紙皺褶和V型褶皺面外壓縮行為對(duì)比[56](CH：V型褶皺;CU：曲面折紙皺褶)Fig.7 Comparison of out-of-plane compressive behavior between curved-crease origami foldcore and chevron foldcore[56] (CH: chevron foldcore; CU: curved-crease origami foldcore)

2.4 與其他夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對(duì)比

Du等[56]匯總了碳纖維復(fù)合材料曲面折紙褶皺夾芯結(jié)構(gòu)和其他夾芯結(jié)構(gòu)的面外壓縮性能數(shù)據(jù)，以Ashby材料選擇圖的形式作了對(duì)比，直觀地給出了材料密度與力學(xué)性能的關(guān)系，碳纖維復(fù)合材料曲面折紙褶皺夾芯結(jié)構(gòu)可以與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)等很多其他多孔結(jié)構(gòu)性能相當(dāng)。由于碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，該曲面折紙褶皺結(jié)構(gòu)的面外壓縮性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于母材為鋁合金、聚合物或芳綸紙的褶皺結(jié)構(gòu)[56]。

3 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)

蜂窩芯子的靈感來(lái)源于密封的蜂巢結(jié)構(gòu)，由其形成的夾芯結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、高比剛度、優(yōu)異的抗彎性能和抗沖擊性能，是最早被人們發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用的夾芯結(jié)構(gòu)，目前已被大量地應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、建筑以及航空航天等領(lǐng)域[57]。目前，鋁合金蜂窩、芳綸紙蜂窩由于其便捷有效的制備工藝而得到大量的應(yīng)用，除此之外，采用高溫合金、不銹鋼、聚合物等材料制備蜂窩結(jié)構(gòu)也具有較為成熟的制備工藝[58]。隨著各個(gè)領(lǐng)域?qū)p質(zhì)高強(qiáng)的要求越來(lái)越高，全復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的制備和性能研究也逐漸引起了人們的重視，目前針對(duì)復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的制備工藝綜述如下。

3.1 復(fù)合材料3D打印技術(shù)

Compton等[59]首次通過(guò)混雜了短纖維的樹(shù)脂打印出了復(fù)合材料蜂窩多孔結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于樹(shù)脂中混入幾十微米長(zhǎng)度的C/SiC纖維，可以成型多種構(gòu)型的復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)。但是，該結(jié)構(gòu)的面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)表明，超短纖維增強(qiáng)的蜂窩結(jié)構(gòu)較無(wú)纖維增強(qiáng)的蜂窩結(jié)構(gòu)并沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)：為防止纖維堆積堵3D打印機(jī)噴嘴，纖維都是采用長(zhǎng)度為20 μm以內(nèi)的C/SiC纖維，然而過(guò)短的纖維在結(jié)構(gòu)基體發(fā)生開(kāi)裂時(shí)并不能對(duì)基體有充分的約束作用，因此沒(méi)能發(fā)揮纖維的增強(qiáng)能力。

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的制備，Sugiyama等[60]在鋪設(shè)連續(xù)碳纖維的同時(shí)注入熱塑性高分子基體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的制備。通過(guò)該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種構(gòu)型的復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的制備，但是由于工藝限制，其蜂窩芯子胞壁內(nèi)部的纖維方向均相同。Sugiyama等[60]通過(guò)鋪設(shè)連續(xù)碳纖維打印了多種構(gòu)型的復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，并對(duì)其在三點(diǎn)彎曲載荷作用下的力學(xué)性能展開(kāi)了研究。由于技術(shù)的限制，蜂窩壁中的纖維方向均相同，胞壁結(jié)構(gòu)在承載過(guò)程中，長(zhǎng)纖維缺乏彼此之間良好的約束作用，纖維間的基體發(fā)生開(kāi)裂，使得纖維增強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

3.2 RTM技術(shù)

Stocchi等[61]將黃麻纖維織物鋪設(shè)在設(shè)計(jì)好的鏤空蜂窩狀模具內(nèi)，通過(guò)注入乙烯基脂基體后固化成型為復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。該方法實(shí)現(xiàn)了蜂窩內(nèi)部纖維的連續(xù)，并且通過(guò)正交編織約束的纖維束對(duì)蜂窩壁內(nèi)進(jìn)行增強(qiáng)。但是通過(guò)面外壓縮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較弱，這是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易對(duì)蜂窩壁進(jìn)行加壓，內(nèi)部存在大量氣孔，使得結(jié)構(gòu)存在較多的缺陷。Vitale等[62]采用真空輔助RTM成型的方法進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)在模具上鋪設(shè)纖維織物，將模具封入真空袋內(nèi)并真空注塑聚酯樹(shù)脂，使得纖維與樹(shù)脂充分結(jié)合，從而減少了氣泡的生成。開(kāi)展了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，研究了芯子剪切破壞、芯子壓潰、面板皺曲、面板屈服以及面芯脫粘這五種失效模式。

3.3 復(fù)合材料裁折成型技術(shù)

為了解決3D打印技術(shù)中連續(xù)長(zhǎng)纖維難以交叉增強(qiáng)以及樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)中無(wú)法排除流動(dòng)樹(shù)脂中全部氣孔等難題，Wei等[63]提出了一種適用于制備復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的裁折法。采用半固化復(fù)合材料預(yù)浸料作為基材，通過(guò)沿預(yù)定路徑對(duì)片材進(jìn)行剪裁、折疊并固化，得到復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖8(a)所示。首先，將預(yù)浸料按照纖維方向進(jìn)行鋪疊，排除層間氣孔后將預(yù)浸料置于低溫環(huán)境下，預(yù)浸料中的環(huán)氧樹(shù)脂基體預(yù)冷凝固變硬，使得材料易于折疊變形。隨后采用數(shù)控切割機(jī)沿設(shè)計(jì)路徑對(duì)預(yù)浸料片材進(jìn)行裁切，通過(guò)輥壓等機(jī)械手段對(duì)其進(jìn)行一次折疊，形成波紋狀結(jié)構(gòu)。沿切痕方向前后折疊波紋狀預(yù)浸料使其閉合成蜂窩狀。

為了保證預(yù)浸料在高溫高壓的固化條件下結(jié)構(gòu)形狀不發(fā)生改變，復(fù)合材料裁折成型技術(shù)采用聚四氟乙烯制備成相應(yīng)形狀的模具，填充進(jìn)蜂窩結(jié)構(gòu)中。材料在真空熱壓罐中固化成型后取出脫模，待表面處理后與面板粘合在一起，做成全復(fù)合材料的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。圖8(b)展示了一塊300 mm×300 mm的全復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。該方法具有可設(shè)計(jì)性好、材料局限性小以及簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的批量化、自動(dòng)化潛力。

圖8 復(fù)合材料蜂窩設(shè)計(jì)及裁折法制備工藝[63]Fig.8 Design of composite honeycomb and tailor-folding fabrication method[63]

為了揭示該結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，Wei等[63]通過(guò)理論模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)以及板殼理論相結(jié)合，擴(kuò)展了復(fù)合材料蜂窩在面外平壓及剪切載荷下的等效剛度和等效強(qiáng)度，并建立了在兩種載荷作用下的失效機(jī)制圖，以此來(lái)研究結(jié)構(gòu)幾何尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)失效模式的影響。通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論及失效機(jī)制圖的可靠性。

針對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲載荷作用下的失效機(jī)理，Wei等[64]考慮了芯子壓潰(Core indentation)、剪切屈曲(Shear buckling)、剪切斷裂(Shear fracture)、面芯脫粘(Debonding)、格間屈曲(Intracellular dimpling)以及面板斷裂(Face fracture)六種失效模式，建立相應(yīng)的力學(xué)失效模型，如表3所示，并建立了三維失效機(jī)制圖，如圖9所示，多層次多角度較全面地揭示了幾何尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)失效模式的影響。通過(guò)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論模型以及三維失效機(jī)制圖的準(zhǔn)確性和可靠性。

表3 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲載荷下的力學(xué)性能理論模型[64]Table 3 Theoretical models of mechanical properties of composite honeycomb sandwich beams under three point bending loads[64]

圖9 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲載荷下的三維失效機(jī)制圖以及失效實(shí)物[64]Fig.9 Three-dimensional failure mechanism maps and failure modes of composite honeycomb sandwich structure under three point bending load[64]

4 結(jié)論與展望

本文綜述了以碳纖維復(fù)合材料為主的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、褶皺夾芯結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)、制備工藝和力學(xué)性能研究方面的最新進(jìn)展。對(duì)于點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，主要總結(jié)了在提高面芯粘接能力、增強(qiáng)芯子在低相對(duì)密度下的抗屈曲性能、低成本制備方面的研究工作；對(duì)于褶皺夾芯結(jié)構(gòu)，著重介紹了提高褶皺芯子抗屈曲特性的曲面化設(shè)計(jì)思想，以及長(zhǎng)纖維復(fù)合材料褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的制備和面外壓縮性能表征工作；對(duì)于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，主要介紹了剪裁法制備全復(fù)合材料蜂窩的新技術(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該制備工藝的可靠性。本文介紹的研究工作主要是針對(duì)現(xiàn)有夾芯結(jié)構(gòu)的瓶頸問(wèn)題，進(jìn)一步推進(jìn)了新型輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。在實(shí)際服役過(guò)程中，輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)往往還會(huì)涉及失效基礎(chǔ)理論、批量化制備工藝、多場(chǎng)耦合損傷演化以及承載性能考核等核心技術(shù)。

作者在調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究成果之后，結(jié)合自己的認(rèn)識(shí)與研究基礎(chǔ)展望了輕質(zhì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向：

1) 復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)、高比剛、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，且應(yīng)用基礎(chǔ)較好，但基體樹(shù)脂的服役溫度不超過(guò)200 ℃，一定程度上限制了其在工程中的應(yīng)用，亟需探索更高溫度的熱固性或熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料，開(kāi)展點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以及多層級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究、多功能應(yīng)用研究，在突破耐高溫樹(shù)脂配方研制以及樹(shù)脂/纖維浸潤(rùn)性等基礎(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)上，解決好大尺寸構(gòu)件、多批次工藝散差控制、高效低成本連續(xù)成型等相關(guān)問(wèn)題，由此涉及到的疲勞、振動(dòng)、阻尼、熱-力等問(wèn)題的研究也需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

2) 目前關(guān)于褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的研究主要是平板型、小尺寸樣件，優(yōu)異的力學(xué)性能使其在航空航天等結(jié)構(gòu)部件具有較大應(yīng)用前景，亟需開(kāi)展符合工程應(yīng)用的米級(jí)大尺寸試樣件制備工作，針對(duì)褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、疲勞、沖擊及模態(tài)等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行表征工作。此外，褶皺夾芯結(jié)構(gòu)可以考慮向多級(jí)、微尺度、多功能方向發(fā)展，與此同時(shí)伴隨著制備工藝、理論研究、實(shí)驗(yàn)表征等的不斷完善。

3) 復(fù)合材料裁折成型技術(shù)解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)面芯之間粘接面積小、粘接強(qiáng)度弱的瓶頸問(wèn)題，有效提升了其力學(xué)性能，增加了蜂窩結(jié)構(gòu)在先進(jìn)航天器結(jié)構(gòu)部件上的應(yīng)用潛力。接下來(lái)，通過(guò)調(diào)研、結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試樣件，使得長(zhǎng)纖維復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)通過(guò)具體的工程指標(biāo)得以體現(xiàn)，推進(jìn)該蜂窩結(jié)構(gòu)在先進(jìn)航天器輕量化、多功能一體化方面的應(yīng)用進(jìn)程。而此過(guò)程中涉及到的靜態(tài)力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、熱-力耦合性能等方面的科學(xué)問(wèn)題有待進(jìn)一步挖掘。