劉貝貝 朱佳旻 薛 珂 楊志廣 李振東

（周口師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南 周口 466001）

0 引言

金屬點(diǎn)陣材料是一種具有有序孔結(jié)構(gòu)的多孔材料，與傳統(tǒng)的金屬泡沫和金屬蜂窩材料相比，金屬點(diǎn)陣材料具有更高的比強(qiáng)度、比剛度和單位質(zhì)量吸能性，尤其是當(dāng)相對(duì)密度較低時(shí)，金屬點(diǎn)陣材料具有尤為突出的質(zhì)量效率和性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)點(diǎn)陣中間連通的孔結(jié)構(gòu)為集成多功能提供了極大的空間，具有隔熱降噪、減震、屏蔽電磁輻射等多功能特性，很好地滿足了對(duì)結(jié)構(gòu)-功能一體化的需求，對(duì)航空航天、汽車及國民產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文總結(jié)了金屬點(diǎn)陣材料的制備方法及特點(diǎn)，分析了金屬點(diǎn)陣材料的性能應(yīng)用，同時(shí)探討了金屬點(diǎn)陣材料的發(fā)展方向。

1 金屬點(diǎn)陣材料的制備方法

金屬點(diǎn)陣材料的許多特性在很大程度上受到其制備方法的影響，為了得到規(guī)則有序的多孔結(jié)構(gòu)金屬點(diǎn)陣材料，人們開發(fā)了多種制備方法，主要有以下幾種。

1.1 熔模鑄造法

人們普遍認(rèn)為，為減少鑄造缺陷，對(duì)形狀復(fù)雜的構(gòu)件，主要采用陶瓷殼熔模鑄造。該方法是以可熔融或可揮發(fā)的石蠟或聚合物為模板，制備金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。首先采用聚合物制備出目標(biāo)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，然后在聚合物點(diǎn)陣上涂覆耐火材料（一般為陶瓷漿料），待耐火涂料干燥固化后，通過蒸發(fā)或融化等方式去除芯部聚合物，從而得到目標(biāo)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的型腔。該方法通常適用于低熔點(diǎn)、流動(dòng)性好的鑄造合金（如鋁合金），所制備的點(diǎn)陣材料具有尺寸精度高、表面光潔、形狀結(jié)構(gòu)多樣等優(yōu)勢(shì)。然而，在傳統(tǒng)的熔模鑄造過程中，模具制備成本高且耗時(shí)。特別是對(duì)于幾何形狀極其復(fù)雜的部件，模具制造相當(dāng)困難，同時(shí)針對(duì)非常小的直徑、高長寬比的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)存在難以填充液態(tài)金屬的問題，容易產(chǎn)生缺陷，造成鑄件性能不好。

1.2 沖壓成型法

沖壓成型法是通過制備金屬模板，選擇相應(yīng)尺寸的沖壓頭，利用沖壓頭將金屬板沖成含有六邊形或正方形的二維多孔平面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，將此二維多孔平面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)用V型模具壓制折疊成為四面體或四棱錐點(diǎn)陣芯體結(jié)構(gòu)，可作為夾層結(jié)構(gòu)的夾芯材料，將此點(diǎn)陣芯體與面板進(jìn)行通過焊接或者黏結(jié)技術(shù)形成夾層體系，即可制備出金屬點(diǎn)陣夾芯材料。該方法工藝簡單，金屬材料選擇廣泛，可以用來制備四面體和四棱錐點(diǎn)陣芯體，但也有一定的局限性，需要制造模具，成本較高，金屬板材浪費(fèi)嚴(yán)重，且要經(jīng)受劇烈彎曲變形，只適用于具有高延展性的材料。

1.3 金屬絲編織成型法

金屬絲編織成型法是使用金屬絲為原料來編織具有重復(fù)對(duì)稱幾何形狀的金屬多層結(jié)構(gòu)。金屬絲編織技術(shù)具有操作簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。由于點(diǎn)陣單胞是由一根或幾根金屬絲組成的，所以金屬絲的尺寸（特別是直徑）決定著金屬點(diǎn)陣的最終尺寸。因此，無法獲得具有復(fù)雜幾何形狀和小孔隙的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。另一方面，如果金屬絲的直徑非常細(xì)（低到幾微米），制備過程將變得極其困難。此外，由于金屬絲不能自黏結(jié)，需要后處理，降低了生產(chǎn)效率。最重要的是該方法制備的金屬點(diǎn)陣存在構(gòu)型單一、節(jié)點(diǎn)位置不牢固等缺陷，且該方法僅適用于可以拉絲的合金。

1.4 搭接拼裝法

搭接拼裝法是直接將金屬細(xì)管搭接拼裝成金字塔結(jié)構(gòu)，并通過焊接技術(shù)將金屬細(xì)管與金屬面板焊接在一起，形成金字塔點(diǎn)陣夾芯板結(jié)構(gòu)。與實(shí)心桿材相比，中空管材具有更大的截面慣性矩，因而制備出的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)擁有更高的比剛度和比強(qiáng)度。該方法可以取得更加優(yōu)異的力學(xué)性能，但該方法對(duì)焊接技術(shù)要求較高，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單一，單胞尺寸大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定欠佳。

1.5 擠壓線切割法

擠壓線切割法是由擠壓和電火花加工兩種方法組合的復(fù)合方法，擠壓線切割法將合金經(jīng)模具擠壓成芯和面板一體的夾芯金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過加熱軟化，擠壓成形設(shè)計(jì)好的模具，得到波紋夾芯結(jié)構(gòu)，沿?cái)D壓垂直方向上進(jìn)行穿孔、切割通過線切割切除多余的部分，制備出點(diǎn)陣夾芯板結(jié)構(gòu)材料。該方法免去了傳統(tǒng)方法制作點(diǎn)陣材料耗時(shí)長、后處理煩瑣、材料利用率低等不足，提高了效率，材料選擇廣泛，材料力學(xué)性能好，結(jié)構(gòu)整體性突出，但該方法需要設(shè)計(jì)專門模具，對(duì)模具材料及性能要求較高，成本較高，材料浪費(fèi)較大。

1.6 拉伸網(wǎng)折疊法

拉伸網(wǎng)折疊法是先將鋼板進(jìn)行切割，然后再進(jìn)行拉伸擴(kuò)張形成菱形、三角形或者圓形等形狀制備出拉伸網(wǎng)，將拉伸網(wǎng)碾軋平整之后進(jìn)行折疊處理形成點(diǎn)陣芯體，最后將芯體和面板焊接或者是黏結(jié)在一起，就制成了金屬點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。這種制備方法對(duì)材料的利用比較充分，自然成本相對(duì)也不高，但是它和沖壓成型法一樣僅僅適用于延展性高的材料，加工的過程也比較麻煩，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。

1.7 增材制造法制備點(diǎn)陣材料

增材制造技術(shù)通常被稱為3D打印，工藝采用逐層累加的制造方式，使其幾乎沒有材料浪費(fèi)。在進(jìn)行增材制造之前，將要制備部件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型按所需層厚進(jìn)行切片，這個(gè)復(fù)雜的三維部件就可以由一系列的二維切片組成。因此，增材制造可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造技術(shù)無法生產(chǎn)出的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，當(dāng)制備具有復(fù)雜幾何形狀的零件，特別是制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)時(shí)，具有更高的靈活性。然而，制備過程中需要額外的支撐物以避免骨架固化前坍塌，增加了后處理工藝的復(fù)雜性，增材制造在制備大尺寸點(diǎn)陣材料時(shí)也存在一定的限制。

1.8 其他制備技術(shù)

除上述制備方法外，還采用其他制備金屬點(diǎn)陣材料的技術(shù)，如化學(xué)鍍法、卡扣法、電沉積法等。然而，這些方法在精度可控性、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要進(jìn)一步裝配等方面往往存在不足?？偠灾?，所有傳統(tǒng)方法往往工藝流程較煩瑣且浪費(fèi)原材料，具有一定的局限性。因此，迫切需要能夠克服這些缺點(diǎn)的新技術(shù)。

2 金屬點(diǎn)陣材料的性能應(yīng)用

金屬點(diǎn)陣材料因其兼具結(jié)構(gòu)和功能特性而備受人們的關(guān)注。金屬點(diǎn)陣材料的應(yīng)用主要可分為兩類：結(jié)構(gòu)應(yīng)用和功能應(yīng)用。結(jié)構(gòu)應(yīng)用主要包括生物醫(yī)學(xué)植入物、承重部件或緩沖吸能部件，而功能應(yīng)用主要有熱交換器、催化劑載體和吸聲降噪等。

2.1 結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用

金屬點(diǎn)陣材料的密度大大低于傳統(tǒng)的固體材料，具有較高的孔隙率、較高的彈性和韌性、輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)結(jié)構(gòu)孔隙形狀和孔隙大小可按需設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)性，可調(diào)范圍大，已經(jīng)開始應(yīng)用于航天和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，也可以用于空間太陽能支撐板，以提高太陽能板的能量轉(zhuǎn)化效率。金屬點(diǎn)陣材料具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，因此主要應(yīng)用其力學(xué)性能。按應(yīng)用目的不同，又可分為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件和緩沖吸能部件兩大類。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需要較高的比剛度和強(qiáng)度，而能量吸收部件需要在相對(duì)較低的強(qiáng)度下發(fā)生較大的塑性變形，將沖擊能轉(zhuǎn)化為熱能，金屬點(diǎn)陣材料是用作撞擊防護(hù)的優(yōu)良材料。因此，針對(duì)不同的力學(xué)性能應(yīng)用，通常需采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基體材料和制備方法。

2.2 功能特性及應(yīng)用

2.2.1 熱學(xué)性能

金屬點(diǎn)陣材料獨(dú)特的有序結(jié)構(gòu)具有更高的間隙換熱系數(shù)，在強(qiáng)對(duì)流條件下使其具有更好的熱交換性。金屬點(diǎn)陣材料可用于高密度熱流散熱結(jié)構(gòu)，如果通過合理設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)傳熱和承載的雙重功能。此外，在孔隙中填充氧化鋁纖維等絕熱材料，還可以起到很好的隔熱作用，可用于航空航天、動(dòng)力工程等領(lǐng)域的板翅式換熱器。

2.2.2 電磁波屏蔽性能

電磁波可以說是無處不在的，可用于探測、定位、通信等，在生活中應(yīng)用極為廣泛。但電磁波在給人類帶來便利的同時(shí)，也帶來了電磁污染，威脅著人類健康，國防軍事中也需要對(duì)電磁波輻射泄漏進(jìn)行屏蔽。金屬點(diǎn)陣材料具有較大的孔隙率，電磁波在點(diǎn)陣材料的孔隙界面上會(huì)發(fā)生反射和散射，會(huì)產(chǎn)生很大耗損，使其具有獨(dú)特的電磁屏蔽特性。另外，通過對(duì)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)重組，在點(diǎn)陣孔隙中填充吸波材料，使吸波材料周期性排列在空間中，可進(jìn)一步提高金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的電磁波屏蔽性能。因此，金屬點(diǎn)陣材料在軍事隱身和電磁防護(hù)方面具有潛在應(yīng)用。

2.2.3 吸聲性能

金屬點(diǎn)陣材料固有的多孔及長程有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特征使其成為一種具有特殊聲學(xué)性能的結(jié)構(gòu)型材料，對(duì)入射聲能具有吸收作用，具有較強(qiáng)的減低噪聲性能。點(diǎn)陣材料吸聲性能與電磁波屏蔽機(jī)理相似，其較大的孔隙結(jié)構(gòu)可增加聲波在孔隙中傳播時(shí)的損耗，即聲能轉(zhuǎn)化為熱能，聲音被材料吸收，可有效降低各類噪聲，而且當(dāng)孔徑在0.1～0.5 mm之間時(shí)吸聲效果最佳，將多孔材料填入各種板狀材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)，可提高隔聲能力并減輕結(jié)構(gòu)重量，在航空航天、航海船舶以及陸上交通等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。點(diǎn)陣材料與傳統(tǒng)的纖維、泡沫材料等多孔吸聲材料相比，吸聲性能雖然還要有待提高，但點(diǎn)陣材料獨(dú)特的高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、抗老化、無毒等性能，使之作為吸聲材料具有更為獨(dú)特的應(yīng)用前景。

2.2.4 其他性能

金屬點(diǎn)陣材料除了上述性能應(yīng)用外，在形狀記憶領(lǐng)域、阻尼特性、催化劑載體、多功能集成、生物醫(yī)用和能源化學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語

金屬點(diǎn)陣材料是一類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性強(qiáng)、性能優(yōu)異的新型輕質(zhì)多孔材料，在眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。但絕大多數(shù)關(guān)于金屬點(diǎn)陣材料的制備與探索還處在實(shí)驗(yàn)室理論研究階段，距離市場化規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用還有一定距離，且仍然存在許多不足：（1）金屬點(diǎn)陣材料的制備方法已有多種，優(yōu)缺點(diǎn)共存，需要進(jìn)一步改進(jìn)制備方法，提高制備效率，降低能耗，節(jié)約成本，開發(fā)探索合理的適合工業(yè)推廣的制備工藝；（2）豐富金屬點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)的基本類型，通過計(jì)算模擬手段，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高多孔結(jié)構(gòu)制備精度，開發(fā)新型填充技術(shù)；（3）金屬點(diǎn)陣材料的獨(dú)特性能依然有待于開發(fā)與應(yīng)用，需要探索合理的生產(chǎn)工藝，開發(fā)金屬點(diǎn)陣材料新的功能，拓寬其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。隨著人們對(duì)金屬點(diǎn)陣材料研究的不斷深入以及制備工藝的不斷改進(jìn)，金屬點(diǎn)陣材料必將在各工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出更加廣泛的應(yīng)用前景。