盧春達(dá) 劉百川 馬文婷 梁鴻宇 馬芳武

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

縮略語

PLA PolyLactic Acid

VARTM Vacuum Assisted Resin Transfer Molding

CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics

PMI PolyMethacrylimide

GFRTP Glass Fiber Reinforced Thermoplastic

MSG Mechanics of Structure Genome

HTCHCS Hierarchical Thermoplastic Composite Honeycomb Cylindrical Structures

SEA Specific Energy Absorption

PKCSS PMI foam reinforced Kagome honeycomb Composite Sandwich Structure

0 引言

復(fù)合材料三明治夾芯結(jié)構(gòu)因具有高強(qiáng)度、輕量化、功能集成的特點(diǎn)，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用?？嚬静捎门菽X材作為夾芯制造了轎車頂蓋板，其剛度比原鋼件提升了6倍，而其質(zhì)量卻可以得到大幅下降[1]。此外，早在10年前，大眾汽車公司、寶馬汽車公司等大型汽車公司對(duì)一系列的吸能減振材料諸如泡沫鋁、塑料蜂窩等進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們相較于其它金屬具有更好的應(yīng)用性能，并用來制造側(cè)面與前部防撞吸能零部件[2]。此外，車輛地板可以利用三明治夾芯板制成，從而集成為電加熱地板；還可以制成側(cè)墻蒙皮，與側(cè)墻骨架粘結(jié)后共同擔(dān)負(fù)起車輛側(cè)墻的功能[3]。張偉等[4]提出了一種外殼采用夾芯結(jié)構(gòu)的電池箱方案，進(jìn)行了關(guān)于剛度、強(qiáng)度測(cè)試，證明該夾芯結(jié)構(gòu)有效提高了整個(gè)箱體防火、電磁屏蔽性能，同時(shí)達(dá)到了良好的輕量化效果。如圖1[5]所示，采用泡沫金屬填充的夾芯結(jié)構(gòu)，也可以應(yīng)用于車身覆蓋件以及結(jié)構(gòu)件中。

圖1 應(yīng)用泡沫金屬的轎車車身[5]

三明治夾芯結(jié)構(gòu)通常由面板、芯材、膠結(jié)層組成，常見的有蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。通常，夾芯結(jié)構(gòu)在減重的同時(shí)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗彎剛度與抗剪切強(qiáng)度均具有明顯的增強(qiáng)效果。此外，受膠結(jié)層的影響，芯材與面板之間存在相對(duì)穩(wěn)定的約束關(guān)系，變形模式平緩可控，使其兼具緩沖吸能功能[6-9]。由于良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，輕質(zhì)多孔材料作為夾芯材料的主要形式已得到廣泛應(yīng)用。其中，聚合物泡沫、泡沫鋁、鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)已在航空航天、車輛、建筑等領(lǐng)域中發(fā)揮了很大作用[10-11]。

發(fā)展以新型復(fù)合材料為原材料的輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)超輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)提供保障，從而有效提高承載能力，因此，對(duì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能以及多用途開展深入研究具有重要意義[12]?，F(xiàn)階段主要的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)制備技術(shù)包括熱壓成形技術(shù)[13-14]、真空輔助樹脂傳遞模塑技術(shù)[15-16]、3D打印成形技術(shù)[17-19]、裁剪-折疊制備技術(shù)[20]和嵌鎖組裝成形技術(shù)。這些工藝制備夾芯結(jié)構(gòu)，可使得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具備更多的性能優(yōu)勢(shì)，例如優(yōu)異的抗疲勞性能、耐腐蝕性能和熱學(xué)性能[21-24]得到了充分發(fā)揮。

通過嵌鎖組裝工藝制備的夾芯結(jié)構(gòu)展示了很好的性能。首先嵌鎖組裝工藝對(duì)材料的使用限制很小，既可以用于傳統(tǒng)的金屬和復(fù)合材料，又為新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的制備提供了解決方案。本文重點(diǎn)關(guān)注嵌鎖組裝工藝在常見夾芯結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 三明治夾芯結(jié)構(gòu)成形工藝

纖維復(fù)合材料性能絕大部分依賴于增強(qiáng)纖維種類和所選擇的基體材料，但是其成形工藝對(duì)于整體性能也具有較大影響。與航空航天等領(lǐng)域相比，汽車領(lǐng)域中復(fù)合材料零部件應(yīng)用范圍更大，對(duì)構(gòu)件的生產(chǎn)效率以及質(zhì)量要求更高。為了進(jìn)一步擴(kuò)大其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，新的成形方法也在不斷涌現(xiàn)。

1.1 3D打印工藝

3D打印技術(shù)種類現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到十多種，本質(zhì)上都是疊層制造。Sugiyama等[18]為了制備復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，采用3D打印技術(shù)研究了連續(xù)碳纖維鋪設(shè)，并對(duì)其在3點(diǎn)彎曲載荷下的靜力學(xué)性能進(jìn)行了探索。由于該技術(shù)本身的限制，要求在3D打印中，蜂窩結(jié)構(gòu)中的纖維方向必須相同，否則結(jié)構(gòu)在正常工作過程中，因纖維間無良好約束，而與基體發(fā)生脫離，使得纖維增強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)無法發(fā)揮。

Quan等[25]通過自行研制的3D打印設(shè)備，鋪放了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，并對(duì)其在面內(nèi)壓縮載荷作用下的力學(xué)行為展開了研究。由加熱頭注入聚乳酸（PolyLactic Acid，PLA）基體，制備了內(nèi)凹六邊形復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)，但是在樣件中，纖維方向與蜂窩壁方向一致，且在轉(zhuǎn)角處纖維脫粘缺陷較明顯。目前，聚合物塑料、金屬夾芯結(jié)構(gòu)的制備也引入了3D打印技術(shù)，但面對(duì)復(fù)雜拓?fù)涞姆涓C結(jié)構(gòu)時(shí)，3D打印仍然存在很多技術(shù)障礙，而多用于制備熱塑性高分子材料結(jié)構(gòu)。

1.2 裁折成形工藝

Wei 等[7,26]通過裁折成形工藝制備復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。該工藝采用碳纖維增強(qiáng)塑料（Car?bon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）的預(yù)浸料作為基材，沿纖維方向進(jìn)行鋪疊，將層間氣孔排出后，把預(yù)浸料進(jìn)行低溫處理，使得預(yù)浸料中的樹脂基體預(yù)冷后凝固變硬，在這種條件下材料易于折疊變形，方便后續(xù)加工。

圖2 基于裁折成形工藝的全CFRP六邊形蜂窩芯夾芯板制作工藝[26]

在沿設(shè)計(jì)路徑對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行裁剪時(shí)，可以采用線切割或者水切割的方式進(jìn)行裁剪。對(duì)于金屬加工，線切割可以保證較高精度，但是切割速度較慢，效果不如水切割要好。水切割產(chǎn)生的切口更為平整，可以充分吸收由于切割產(chǎn)生的熱量。對(duì)于任何材料，水切割打孔、切割速度較快以及在加工尺寸的選擇上也較為靈活。利用壓輥使裁剪后的預(yù)浸料折疊，固化后即可得到蜂窩結(jié)構(gòu)。該成形工藝可實(shí)現(xiàn)連續(xù)長(zhǎng)纖維鋪層角度設(shè)計(jì)，避免了3D打印技術(shù)的成形缺陷，但是對(duì)制備復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。

1.3 熱壓模具成形工藝

面芯之間的連接強(qiáng)度總是夾芯結(jié)構(gòu)制備過程中首先應(yīng)該考慮的問題。Wang 等[27-28]采用熱壓模具成形工藝制備出可以一次成形的金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該方法雖然可以有效提高面芯間接觸節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，但是在熱壓過程中，存在著圓形桿徑向成形壓力不足的問題，因而夾芯桿在工作過程中存在缺陷，易發(fā)生劈裂；其次，在熱壓成形過程中的溫度、壓力控制要求會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，且控制參數(shù)很多，從而提高了工藝難度。模具的制備以及使用需要較為熟練的技巧，人為因素比較大，最后的成形效果比較難以控制。

圖3 模壓一次成形制備工藝[27]

為了克服一次成形工藝中的局限性，熊健等[29]相繼開發(fā)了組裝二次模壓成形和模壓-電火花（激光）切割成形[30]2種模壓二次成形工藝。圖4所示為組裝二次模壓成形工藝，該工藝可以保證纖維完全沿芯桿方向進(jìn)行鋪設(shè)，以發(fā)揮出夾芯最大承載能力，但制得的結(jié)構(gòu)面芯之間的粘接強(qiáng)度較低，總之依舊沒有較好解決粘結(jié)問題。圖5所示為模壓-電火花切割成形工藝，該工藝明顯地改善了夾芯結(jié)構(gòu)面芯脫粘情況，但以復(fù)合材料為母材的芯桿卻未能發(fā)揮出全部的承載性能。綜上所述，新開發(fā)的2種工藝在一定程度上使得制備的夾芯結(jié)構(gòu)性能得到了提升，但是缺陷依舊較為明顯。

圖4 組裝二次模壓成形[29]

Pehlivan 等[13]利用熱壓模具成形工藝制備出了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。首先制備出CFRP 波紋板，然后將2 個(gè)波紋板粘接堆疊形成一個(gè)蜂窩板，最后將蜂窩板粘接形成蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。這種改進(jìn)使得熱壓模具成形可以制備較為復(fù)雜的蜂窩結(jié)構(gòu)，但是在加載時(shí)粘結(jié)部分強(qiáng)度會(huì)受到影響。

1.4 真空輔助樹脂傳遞模塑工藝

Stocchi 等[31]采用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑（Vacu?um Assisted Resin Transfer Molding，VARTM）工藝制備了復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，保證了結(jié)構(gòu)中纖維連續(xù)性。但是對(duì)其進(jìn)行面外壓縮性能試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)該蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能未能達(dá)到預(yù)期效果，其原因是VARTM工藝導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣泡含量過多，造成了大量缺陷。Vitale 等[32]對(duì)VARTM 工藝制備蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使纖維和樹脂之間具有更為理想的結(jié)合性。為了減少制備過程中氣泡的產(chǎn)生，首先將纖維織物鋪放在模具上，用真空袋進(jìn)行密封，并注入樹脂。但VARTM工藝在制備蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，由于樹脂流動(dòng)性差、難以排除氣泡，該現(xiàn)象仍然是影響結(jié)構(gòu)性能的主要原因，其次是滿足該工藝制備的蜂窩拓?fù)錁?gòu)型較少。消除氣泡的解決方案可以采用高壓注入樹脂技術(shù)，使得在成形過程中有足夠的樹脂進(jìn)行補(bǔ)充，從而使得樹脂分布均勻。

1.5 嵌鎖組裝工藝

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，已經(jīng)有多種優(yōu)化構(gòu)型被提出，金字塔型、四面體型等夾芯結(jié)構(gòu)已經(jīng)有成熟的應(yīng)用。對(duì)于夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究多見于已有研究中，但是對(duì)結(jié)構(gòu)靜態(tài)力學(xué)性能研究較多，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的斜向靜態(tài)壓縮以及動(dòng)態(tài)沖擊探索較少。復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)已經(jīng)作為熱防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于航空器，可經(jīng)受自然環(huán)境中的溫度變化以及由于加熱、儲(chǔ)能設(shè)備發(fā)熱及發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備工作發(fā)熱導(dǎo)致的高溫環(huán)境考驗(yàn)，為了發(fā)掘復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)在航空等領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，實(shí)現(xiàn)熱控和承載一體化，研究熱力學(xué)性能的影響十分必要。在只考慮結(jié)構(gòu)靜力學(xué)性能與輕量化2方面要求時(shí)，CFRP夾芯結(jié)構(gòu)是較好的選擇，但是在結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞過程中，不確定性使其很難大批量生產(chǎn)。

對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，在采用復(fù)合材料作為夾芯結(jié)構(gòu)母材方面已經(jīng)產(chǎn)生了大量的研究成果，在制備工藝上總體可分為長(zhǎng)、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。對(duì)長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的研究只是停留在沿纖維方向的強(qiáng)度方面，而對(duì)短纖維復(fù)合材料的研究大多集中于碳纖維增強(qiáng)樹脂基方面。碳纖維價(jià)格會(huì)增加制備工藝成本和大規(guī)模應(yīng)用難度，而且所采用的部分制備工藝得到的力學(xué)測(cè)試結(jié)果也并沒有顯示大幅度提高力學(xué)性能。嵌鎖組裝工藝則在滿足所要求的力學(xué)性能前提下，極大降低了生產(chǎn)成本，使得該工藝可以進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用?？傮w上該工藝可以分為3個(gè)階段：

（1）利用復(fù)合材料成形工藝選取合適的纖維以及基體進(jìn)行芯子板（或嵌鎖條）制作；

（2）對(duì)成形后的芯子板采用普通數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切割；

（3）將切割后的樣件進(jìn)行嵌鎖與組裝。

Fan等[33]對(duì)二維點(diǎn)陣格柵夾芯結(jié)構(gòu)提出了嵌鎖組裝工藝并成功制備出了格柵結(jié)構(gòu)，工藝流程如下：

（1）制備用于嵌鎖的格柵肋條；

（2）在格柵肋條上開出嵌鎖槽；

（3）將2個(gè)格柵條通過嵌鎖槽咬合制備成格柵；

（4）將格柵與面板用樹脂膠粘接。

需要說明的是，由于采用的原材料以及面芯之間的連接方式不同，這使得常常因面芯間的強(qiáng)度不夠，當(dāng)剪切載荷作用在試件表面時(shí)，容易發(fā)生脫粘。Fan等[33]通過試驗(yàn)揭示了結(jié)構(gòu)破壞模式，結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)柵格和復(fù)合夾層板的破壞過程具有一定的延性。當(dāng)部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效時(shí)，載荷可以有效地轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)的其它部分。

Han等[34]首次使用嵌鎖組裝工藝制備出玻璃纖維復(fù)合材料四邊形格柵結(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示。采用手糊成形等方法制備出復(fù)合材料層合板，并將層合板切割成等寬度的條狀，并在層合板上切割出嵌鎖槽口，通過嵌鎖槽口咬合，最后用膠將咬合處粘接制成格柵結(jié)構(gòu)。隨著嵌鎖組裝工藝不斷完善，采用碳纖維復(fù)合材料板和金屬板制備格柵結(jié)構(gòu)的工作也相應(yīng)出現(xiàn)，正交碳纖維編織布制備成型的四邊形格柵結(jié)構(gòu)，如圖6b所示。

圖6 嵌鎖組裝工藝[34]

嵌鎖組裝工藝現(xiàn)已應(yīng)用在各類夾芯結(jié)構(gòu)中，從泡沫多孔金屬到蜂窩、格柵結(jié)構(gòu)，再到點(diǎn)陣以及力學(xué)超材料，尤其是隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的迅速發(fā)展，嵌鎖組裝工藝制備的新型夾芯結(jié)構(gòu)在輕量化方面的應(yīng)用具有廣闊前景。

2 嵌鎖組裝工藝在復(fù)合材料芯材制備中的意義

總體來看，為滿足汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)于復(fù)合材料構(gòu)件高性能、低成本生產(chǎn)要求，必須采用多元化的成形方法。目前，夾芯結(jié)構(gòu)的制備工藝較多，而且大多已經(jīng)較為成熟，但也都存在著一定的局限性。熱壓成形工藝獲得的夾芯結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量較差。真空輔助樹脂模塑傳遞技術(shù)在制備時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣泡含量過多，使得制造的夾芯結(jié)構(gòu)存在較大缺陷，而且在整個(gè)制備過程中，樹脂的流動(dòng)性差造成的氣泡難以消除，以至于僅少數(shù)無氣泡蜂窩拓?fù)錁?gòu)型結(jié)構(gòu)能夠通過該工藝制備。

為解決復(fù)合材料三明治芯材交叉點(diǎn)的連接問題，2003年Han 等[34]首次提出嵌鎖組裝工藝，使得以復(fù)合材料為原材料制備的夾芯結(jié)構(gòu)更容易達(dá)到預(yù)期性能。

近年來，隨著新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究和應(yīng)用，通過嵌鎖組裝工藝得到更輕、性能更好的夾芯結(jié)構(gòu)的研究越來越多。在安全性方面，纖維復(fù)合材料的破壞需經(jīng)歷一系列復(fù)雜過程，負(fù)載過大使得纖維發(fā)生斷裂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致載荷經(jīng)由基體傳遞到其它完好的纖維上去，這種過程大大降低了發(fā)生突發(fā)性破壞的概率，使得結(jié)構(gòu)整體在發(fā)生徹底失效前可以被檢測(cè)到，從而采取有效措施進(jìn)行預(yù)防。

同時(shí)，對(duì)常見蜂窩結(jié)構(gòu)夾芯材料制備，主要采用3D 打印工藝與嵌鎖組裝工藝，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)后者更具優(yōu)勢(shì)，其原因是：

（1）3D打印工藝制備出的蜂窩結(jié)構(gòu)中纖維均沿同一方向，對(duì)于需要進(jìn)行不同鋪層角度設(shè)置的復(fù)合材料板而言，無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在外力加載過程中，連續(xù)纖維之間無法形成較好的約束，且基體易開裂，纖維增強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)并沒有充分體現(xiàn)；

（2）3D 打印工藝制備的結(jié)構(gòu)蜂窩壁之間，纖維多存在交叉，而蜂窩壁交叉處由于尖銳轉(zhuǎn)角存在應(yīng)力集中問題，成為結(jié)構(gòu)最先受到破壞的地方，嵌鎖組裝工藝可在一定程度上改善這一問題；

（3）3D 打印工藝對(duì)連續(xù)纖維材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備時(shí)，對(duì)其壁厚有較為嚴(yán)格的限制，壁厚要大于某一額定值，而采用后者進(jìn)行制備則不會(huì)存在這種局限性。

此外，王世勛等[35]對(duì)CFRP 金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)沖擊性能進(jìn)行了研究，并對(duì)比分析了不銹鋼、鋁合金與CFRP點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的能量吸收率。研究發(fā)現(xiàn)，單從材料方面而言，CFRP 點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的能量吸收率，依次在沖擊速度為900 m/s、1 200 m/s 時(shí)，開始超越不銹鋼點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)以及鋁合金點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，這充分體現(xiàn)出復(fù)合材料制備的夾芯結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊下優(yōu)異的力學(xué)性能。

3 嵌鎖組裝工藝在不同復(fù)合材料芯材結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

常見的夾芯結(jié)構(gòu)均可通過嵌鎖進(jìn)行制備，對(duì)于連續(xù)纖維復(fù)合材料，該工藝可以在一定程度上滿足結(jié)構(gòu)交叉處纖維的連續(xù)性，從而彌補(bǔ)其它工藝不足，提高結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

3.1 蜂窩結(jié)構(gòu)

Russell等[36]采用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，針對(duì)碳纖維鋪層角度的影響，對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)面外平壓性能和面內(nèi)剪切性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，嵌鎖組裝工藝可應(yīng)用于拓?fù)錁?gòu)型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，相較于其它工藝，可有效避免在成形過程中引入缺陷。此外，還通過有限元模擬以量化缺陷對(duì)復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)抗壓性能的影響，測(cè)量和分析預(yù)測(cè)結(jié)果表明，蜂窩等復(fù)合多孔材料在強(qiáng)度和密度特性之間存在特殊關(guān)系，為輕質(zhì)、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新機(jī)遇。

周昊等[37-38]基于ABAQUS 有限元軟件，通過數(shù)值模擬，研究了不同相對(duì)密度方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的獨(dú)立式CFRP夾芯板在水爆炸作用下的動(dòng)力響應(yīng)。再與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮響應(yīng)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本構(gòu)模型之后，通過分析夾芯板變形過程、芯部壓縮和動(dòng)量傳遞特性，揭示了不同芯部相對(duì)密度夾芯板的芯部壓縮和動(dòng)量傳遞規(guī)律，表明了復(fù)合材料夾芯板比層合板具有更好的抗水沖擊性能。同時(shí)這也為復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的多場(chǎng)所應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。楊志韜等[39-40]根據(jù)多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，在單向CFRP之間添加PMI，制備了多層復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)，對(duì)其平面外壓縮性能和3點(diǎn)彎曲性能進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證。通過理論研究預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)失效模式，并繪制了失效模式機(jī)理圖，最后通過3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)結(jié)果。

王志鵬等[41]采用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，并對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)整體的面外平壓性能和3 點(diǎn)彎曲性能做出進(jìn)一步研究，如圖7 所示。與以往研究相比，基于試驗(yàn)結(jié)果分析了CFRP 方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的破壞模式、損傷機(jī)理以及吸能特性，同時(shí)也考慮了3點(diǎn)彎曲載荷作用下面板質(zhì)量非對(duì)稱性和試樣槽口方向?qū)FRP蜂窩夾芯梁破壞模式和失效載荷的影響，這一研究結(jié)果將為CFRP 方形蜂窩結(jié)構(gòu)在防護(hù)以及吸能系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供參考。由于槽口位置存在原始缺陷和應(yīng)力集中，加載過程中首先從槽口附近產(chǎn)生肋板斷裂，隨后引起未開槽部分漸進(jìn)破壞。當(dāng)應(yīng)變等于0.5 時(shí)，夾芯結(jié)構(gòu)上面板開始與肋板未開槽部分接觸，結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載，這一結(jié)果說明嵌鎖組裝工藝制備的CFRP方形蜂窩結(jié)構(gòu)達(dá)到極限載荷后仍具有較強(qiáng)承載能力。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于質(zhì)量相同的CFRP 方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，配置較厚的上面板可以提高夾芯梁承載能力和初始失效載荷。由嵌鎖組裝工藝制備的CFRP 方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，其彎曲性能和破壞模式與試樣的槽口朝向相關(guān)，長(zhǎng)肋板槽口向上時(shí)夾芯梁的承載能力更高。

圖7 嵌鎖式碳纖維/樹脂基復(fù)合材料（CFRP）方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)制備過程[41]

傳統(tǒng)的六角形蜂窩，由于蜂窩壁朝向相同的加載平面而導(dǎo)致其內(nèi)平面內(nèi)拉伸強(qiáng)度低，而方形蜂窩則克服了這一缺點(diǎn)。Vitale 等[42]利用嵌鎖組裝工藝從具有不同幾何形狀的平面復(fù)合材料板中獲得4種不同的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯，如圖8所示。在評(píng)估了每個(gè)芯材的壓縮響應(yīng)后，建立了解析和數(shù)值模型。結(jié)果顯示，嵌鎖工藝為試圖擴(kuò)展蜂窩芯的強(qiáng)度和密度提供了設(shè)計(jì)第一步，而研究中制造的空心芯也可進(jìn)行多功能應(yīng)用（例如嵌入電子器件和泡沫的可能性）。此外，陣列數(shù)高的方形蜂窩芯具有更高強(qiáng)度的粘結(jié)表面，更不易發(fā)生脫粘現(xiàn)象。

圖8 不同幾何形狀的平面復(fù)合材料板[42]

Vitale 等[43]測(cè)試了其剪切性能。從得到的方形蜂窩剪切應(yīng)變應(yīng)力響應(yīng)（圖9）以及不同理論方法的峰值剪應(yīng)力（圖10）中發(fā)現(xiàn)，在由非單片部件組成的結(jié)構(gòu)中，薄片數(shù)量是一個(gè)很重要的問題，不僅要考慮剪切荷載情況，而且要考慮彎曲反應(yīng)。Vitale等[43]提出的夾芯結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)揮出預(yù)測(cè)的抗剪強(qiáng)度全部潛力，但是從制造方法引入的較少缺陷和試驗(yàn)設(shè)置加載時(shí)的錯(cuò)位來得到的最大理論剪切載荷方面來看，提出的這些夾芯結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖9 方形蜂窩的剪切應(yīng)變應(yīng)力響應(yīng)[43]

圖10 不同理論方法峰值剪應(yīng)力[43]

近年來其它學(xué)者的研究結(jié)果表明，方形蜂窩結(jié)構(gòu)的平壓性能以及剪切彎曲性能均要比六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)較好。此外還可以通過在復(fù)合材料夾芯板上切割出不同幾何形狀以獲得超輕蜂窩結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)展豐富蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密度。

3.2 金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

適當(dāng)?shù)闹苽涔に囋诮档统杀?，提高制備效率的同時(shí)，還能減少制備缺陷，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[44-45]。

Finnegan等[46]為了制備出復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，采用了嵌鎖組裝工藝，如圖11所示。首先采用水切割法加工復(fù)合材料層合板，將得到的嵌鎖條進(jìn)行組裝后，在面板上切割出凹槽將夾芯與面板組裝在一起，并用樹脂進(jìn)行粘接。建立了復(fù)合材料芯體的歐拉屈曲、脫層破壞和支板微屈曲破壞模型，實(shí)測(cè)結(jié)果與基于歐拉屈曲和桿件脫層破壞的預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好，表明具有錐體微結(jié)構(gòu)的復(fù)合多孔材料在強(qiáng)度和材料性能方面存在差距。

圖11 金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制備工藝[46]

張國(guó)旗等[47]采用線切割嵌鎖組裝工藝制備了金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。將金屬板材加工成波紋條后，把波紋條組裝為夾芯，最后用膠膜將夾芯與面板粘接，完成結(jié)構(gòu)制備。

上述2種制備方法都采用了嵌鎖組裝工藝制備夾芯結(jié)構(gòu)。不同的是，F(xiàn)innegan 采用的方式導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面板力學(xué)性能明顯降低，同時(shí)流程繁瑣，使得總體工藝更為復(fù)雜；張國(guó)旗等[47]采用的工藝簡(jiǎn)單，制備效率較高，但是面板與芯子之間的連接強(qiáng)度存在著不足，當(dāng)進(jìn)行壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生面芯脫膠的情況。

Cote等[48]對(duì)該結(jié)構(gòu)在面內(nèi)載荷作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。試驗(yàn)與理論預(yù)測(cè)結(jié)果在多數(shù)失效模式下是一致的，推導(dǎo)得出了這些點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支撐柱的抗彎強(qiáng)度以及破壞模式。此外Cote 等[49]又對(duì)夾芯梁進(jìn)行了疲勞測(cè)試，獲得了這2種情況下點(diǎn)陣夾芯梁的強(qiáng)度值。鑒于金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的橫向各向同性，Cote 等[49]認(rèn)為在雙軸面內(nèi)載荷顯著的情況下，這種結(jié)構(gòu)將會(huì)更加具有吸引力。

CFRP 與具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的夾層板進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)，為超輕結(jié)構(gòu)提供了新機(jī)遇。George等[50]采用嵌鎖組裝工藝方法，以碳纖維增強(qiáng)聚合物層合板為材料，制備了相對(duì)密度在1%～10%范圍內(nèi)的金字塔桁架夾層芯。該項(xiàng)試驗(yàn)證明了具有金字塔微結(jié)構(gòu)的復(fù)合蜂窩材料填補(bǔ)了強(qiáng)度與密度材料性能空間空白，并優(yōu)于蜂窩設(shè)計(jì)。因此，對(duì)于一系列需要開孔結(jié)構(gòu)的多功能應(yīng)用（例如，冷卻液可以通過夾層核心)，CFRP 金字塔夾心結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)有吸引力的替代蜂巢選擇。

吳倩倩[51]通過嵌鎖組裝工藝方法制備出了單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，改善了結(jié)構(gòu)夾芯桿件承載效率、面芯界面粘接強(qiáng)度較低的情況。通過在面板上切割嵌鎖槽，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固，與其他切割工藝相比，避免了桿件在制備過程中引起的缺陷，提升了結(jié)構(gòu)承載性能。

Wu 等[52]采用熱壓成形和嵌鎖組裝工藝制備了節(jié)點(diǎn)加固格芯以及單向纖維加固的復(fù)合材料夾芯板。如圖12 所示，由于所有連續(xù)纖維都排列在桿的方向上，可以充分發(fā)揮纖維的內(nèi)在強(qiáng)度。因此，格芯具有最大的承載能力。復(fù)合網(wǎng)架核心（頂部和底部鋁連接件加固）具有抗壓、抗剪協(xié)同變形能力。通過壓縮和剪切試驗(yàn)研究了新型復(fù)合金字塔晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和破壞機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)有的復(fù)合金字塔晶格結(jié)構(gòu)相比，該復(fù)合金字塔晶格結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，該加固方法能夠有效地抵抗剪切載荷下脫粘破壞。由于底部和頂部的嵌鎖連接，使得夾芯到面板的結(jié)合失效為局部失效。在目前的研究中，與其它相對(duì)密度相同的碳纖維復(fù)合晶格結(jié)構(gòu)相比，碳纖維復(fù)合晶格桁架結(jié)構(gòu)的抗壓和抗剪強(qiáng)度得到了提高。

圖12 熱壓成形-嵌鎖組裝工藝[52]

李曉東[53-54]以增強(qiáng)面芯間的粘接強(qiáng)度、提高結(jié)構(gòu)的剪切性能為目標(biāo)，采用水切割技術(shù)和嵌鎖組裝工藝設(shè)計(jì)并制備出節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)碳纖維和環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)（圖13）。此外，利用理論和試驗(yàn)研究了結(jié)構(gòu)平面外壓縮剛度和強(qiáng)度，并得到了真空熱循環(huán)下結(jié)構(gòu)的剪切剛度和強(qiáng)度理論方程，并對(duì)不同相對(duì)密度的桿件進(jìn)行了平壓以及剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在面內(nèi)壓縮載荷作用下，相對(duì)密度較低時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生桿件屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象；相對(duì)密度較高時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生桿件壓潰破壞現(xiàn)象；在剪切載荷作用下，相對(duì)密度低時(shí)，導(dǎo)致夾芯桿件發(fā)生屈曲失穩(wěn)以及壓潰破壞；相對(duì)密度較高時(shí)，則會(huì)使得復(fù)合材料面板發(fā)生分層失效。與其它制備方法所得到的夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，在進(jìn)行平壓性能和剪切性能下，發(fā)現(xiàn)其整體力學(xué)性能得到提高。夾芯破壞主要是由于延長(zhǎng)熱循環(huán)時(shí)間后碳纖維和環(huán)氧樹脂之間界面基體脫粘產(chǎn)生的壓碎和局部屈曲過程。但是在該研究中發(fā)現(xiàn)，隨著真空熱循環(huán)時(shí)間增加，結(jié)構(gòu)抗壓和剪切性能得到改善，說明在某一時(shí)間限制下，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行某一溫度下加熱后可以使得結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到較好提升。

圖13 水切割-嵌鎖組裝工藝[53]

Hu 等[55]采用節(jié)點(diǎn)嵌鎖工藝創(chuàng)建了一種新型全金屬金字塔管晶格夾層結(jié)構(gòu)。首先采用激光切割技術(shù)獲得具有X形通槽的面板和實(shí)心面板，采用線切割技術(shù)獲得多個(gè)平面連接板，用于組裝三維X 形連接板，然后將用線切割技術(shù)切割中間部分開槽的傾斜管插入加工面板的X行槽中（圖14）。

圖14 金字塔晶格結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)嵌鎖組裝[55]

在進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了顯著的非線性應(yīng)變硬化，直至壓縮應(yīng)力峰值，與核心支撐出現(xiàn)塑性屈曲一致。持續(xù)加載導(dǎo)致核心軟化相對(duì)溫和，直到屈曲后階段應(yīng)力水平最低，隨后由于夾芯致密化，承載能力迅速增加。該嵌鎖金字塔焊接管晶格表現(xiàn)出顯著的整體力學(xué)性能，特別是在比強(qiáng)度和比能量吸收方面性能優(yōu)越。嵌鎖金字塔焊管晶格芯的比強(qiáng)度和比能量吸收顯著優(yōu)于其它主流周期胞體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如不同拓?fù)湫问降膶?shí)心或空心桁架晶格、棱柱形核和蜂窩。同時(shí)，Hu等[55]的研究成果對(duì)填補(bǔ)焊管桁架晶格在某些材料性能空白具有指導(dǎo)意義。

3.3 負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)

三維有序負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)已成為負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但是由于該結(jié)構(gòu)通常構(gòu)型十分復(fù)雜，除了選擇增材制造技術(shù)之外，其它制備工藝相對(duì)較少。有學(xué)者通過有限元方法分析后，認(rèn)為內(nèi)部若包含呈現(xiàn)星型的橫截面或者具有內(nèi)凹角的結(jié)構(gòu)單元時(shí)，即可產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)。

王信濤[56]用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP三維內(nèi)凹負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)（圖15），并通過軸向壓縮試驗(yàn)，驗(yàn)證了CFRP 三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比性質(zhì)。結(jié)果表明，復(fù)合材料三維內(nèi)凹負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的泊松比值與其內(nèi)凹角的大小成拋物線性關(guān)系，且負(fù)泊松比效應(yīng)較金屬更明顯。若母材為各向異性材料，其相關(guān)性質(zhì)不但與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)相關(guān)還與母材的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)。復(fù)合材料三維內(nèi)凹負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的比剛度在內(nèi)凹角較大時(shí)與金屬結(jié)構(gòu)的比剛度相當(dāng)，在內(nèi)凹角較小時(shí)則優(yōu)于金屬結(jié)構(gòu)。

圖15 復(fù)合材料三維雙箭頭負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)制備過程[56]

Du等[57]采用嵌鎖組裝工藝，設(shè)計(jì)并制備了一種具有可回收性的層次化熱塑性復(fù)合蜂窩狀圓柱結(jié)構(gòu)（Hierarchical Thermoplastic Composite Honeycomb Cy?lindrical Structures，HTCHCS），如圖16 所示。采用準(zhǔn)靜態(tài)軸壓試驗(yàn)，研究了復(fù)合材料的力學(xué)響應(yīng)和能量吸收特性。通過優(yōu)化軸向肋板布置方式，可將結(jié)構(gòu)破碎力效率由0.4 提升到0.7。對(duì)HTCHCS 變形進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了典型的變形模式（圖17）。不同于肋部規(guī)則的疊層塌縮，肋部交錯(cuò)的疊層呈現(xiàn)負(fù)泊松比變形。雖然其它工藝也可以制造拓?fù)鋸?fù)雜的層次結(jié)構(gòu)，但是制造過程相對(duì)較長(zhǎng)，成本相對(duì)較高。此外，目前對(duì)于纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料分層柱狀?yuàn)A芯結(jié)構(gòu)的研究較少，采用簡(jiǎn)單高效的嵌鎖組裝工藝，為以后新型層次化熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用提供了可能。

圖16 HTCHCS結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化[57]

圖17 軸向壓縮響應(yīng)[57]

Guo 等[58]采用纖維纏繞嵌鎖方法，設(shè)計(jì)并制造了一種由連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合材料面板和分層蜂窩芯組成的分層熱塑性復(fù)合材料蜂窩夾層圓柱形結(jié)構(gòu)。通過軸壓試驗(yàn)對(duì)其承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，揭示其破壞模式。結(jié)果表明：局部屈曲和面壓潰是夾芯圓柱結(jié)構(gòu)的主要破壞形式；夾層柱狀結(jié)構(gòu)的比能吸收（Specific Energy Absorption, SEA）和極限承載能力分別是分級(jí)柱狀結(jié)構(gòu)的5.45 倍和15.24 倍。此外，分層熱塑性復(fù)合材料蜂窩夾層柱狀結(jié)構(gòu)的承載效率最高可達(dá)0.75和0.76，優(yōu)于參考的其它熱固性復(fù)合材料柱狀結(jié)構(gòu)?？紤]到其低成本的優(yōu)點(diǎn)，玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(Glass Fiber Reinforced Thermoplastic,GFRTP)復(fù)合材料表皮和分層蜂窩芯筒型夾層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

3.4 零泊松比結(jié)構(gòu)

正泊松比結(jié)構(gòu)變形后會(huì)形成馬鞍形，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)則會(huì)存在拉漲現(xiàn)象，而零泊松比夾芯結(jié)構(gòu)卻不會(huì)出現(xiàn)上述情況，這吸引了學(xué)者們對(duì)零泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)行為進(jìn)行分析研究。高飛[59]提出一種零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)（圖18），采用一種新的多尺度分析方法（Me?chanics of Structure Genome，MSG）[60]，分別采用嵌鎖組裝工藝和3D打印工藝對(duì)其進(jìn)行制備，并對(duì)比分析了2種工藝對(duì)該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在相同條件下，由嵌鎖組裝工藝制備的零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要更優(yōu)異。由前者制備的試件比強(qiáng)度值比后者制備出的試件增強(qiáng)了53.5%，與材料為ABS-M30的3D打印試件相比增加了111.5%。后者無法保證結(jié)構(gòu)交叉處纖維的連續(xù)性，使得結(jié)構(gòu)存在薄弱部分，而前者可彌補(bǔ)這種缺陷并提升結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，從而較好地展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)。

圖18 零泊松比結(jié)構(gòu)嵌鎖方法制備工藝[59]

Yang 等[61]為了實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱的雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，提出了一種基于多材料嵌鎖裝配方法和壓縮扣折段的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略。多穩(wěn)定力學(xué)超材料具有穩(wěn)健的形狀可重構(gòu)性和零泊松比，具有較大的可恢復(fù)性變形。這種結(jié)構(gòu)在理論和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，可以實(shí)現(xiàn)一維到三維多穩(wěn)定材料的正、零、負(fù)泊松比或者各向同性或各向異性熱膨脹，為基于嵌鎖組裝工藝的多功能超材料的潛在應(yīng)用提供了參考。

4 夾芯結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)雖然在多個(gè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，但該結(jié)構(gòu)存在著主要缺陷：端面與芯材之間容易脫粘，邊緣薄弱，大大降低了剛度和強(qiáng)度。為了解決這個(gè)問題，Song等[61]嘗試高強(qiáng)度、高模量的聚甲基丙烯酰亞胺（PolyMethacrylimide, PMI）泡沫填充到復(fù)合嵌鎖卡格姆（Kagome）蜂窩結(jié)構(gòu)（PMI foam rein?forced Kagome honeycomb Composite Sandwich Struc?ture，PKCSS）中，形成一種新型的夾層結(jié)構(gòu)（圖19）。填充PMI泡沫材料的整體強(qiáng)度、剛度和吸能性能均有較大提高，但質(zhì)量增加幅度較小，增加了嵌鎖卡格姆蜂窩結(jié)構(gòu)脆弱邊緣的局限性，但結(jié)構(gòu)的抗脫粘能力得到了顯著增強(qiáng)。

圖19 PKCSS加工流程[61]

在結(jié)構(gòu)空隙中插入不同的材料來構(gòu)造混合夾芯層，可以進(jìn)一步改善剛度、強(qiáng)度以及抗沖擊性能。Yang 等[62]討論了金屬或聚合物泡沫填充夾芯結(jié)構(gòu)以及金屬-波紋型芯。

填充夾芯結(jié)構(gòu)提高了夾芯層抗壓強(qiáng)度和能量吸收能力，而金屬-波紋型芯通過在面板和波紋板上引入亞毫米穿孔，成為一種新型多功能結(jié)構(gòu)，具有非凡的低頻吸聲、優(yōu)異的強(qiáng)度和抗沖擊性能以及更強(qiáng)的能量吸收功能。

金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)存在桿易屈曲和面板易局部皺曲的問題，文獻(xiàn)[44]和[45]設(shè)計(jì)了2 種沙漏夾芯結(jié)構(gòu)，分別為單層和多層，并通過改變桿件細(xì)長(zhǎng)比、節(jié)點(diǎn)間距進(jìn)而解決上述問題。針對(duì)該結(jié)構(gòu)制備，F(xiàn)eng等[45]已經(jīng)探索出了包括嵌鎖組裝工藝在內(nèi)的整套工藝路線。綜合分析，此套制備工藝流程簡(jiǎn)單、制備出的結(jié)構(gòu)件缺陷少、有工業(yè)批量化生產(chǎn)的潛力。從理論和試驗(yàn)上研究了沙漏格子夾芯結(jié)構(gòu)面外和面內(nèi)壓縮性能，并將測(cè)量結(jié)果與分析預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，低相對(duì)密度沙漏夾芯的面外壓縮峰值強(qiáng)度高于金字塔夾芯強(qiáng)度。此外，沙漏夾層結(jié)構(gòu)的面內(nèi)峰值壓縮荷載優(yōu)于金字塔夾層結(jié)構(gòu)。因此，在高比強(qiáng)度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中，沙漏夾芯結(jié)構(gòu)是一種很有前途的候選結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

無論是傳統(tǒng)燃油車還是新能源汽車，汽車輕量化與安全都是一個(gè)重要的研究課題。采用嵌鎖組裝工藝制備的三明治夾芯結(jié)構(gòu)在汽車輕量化、汽車被動(dòng)安全方面具有優(yōu)異的綜合性能，在汽車設(shè)計(jì)中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

從力學(xué)性能和質(zhì)量利用效率方面出發(fā)，CFRP 作為一種先進(jìn)復(fù)合材料，其制備的蜂窩結(jié)構(gòu)將從母材方面進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。但是目前的研究多集中在以下2方面：

（1）蜂窩結(jié)構(gòu)成形工藝的研究主要集中于常規(guī)蜂窩上，而對(duì)于其它類型夾芯結(jié)構(gòu)以及具有較為復(fù)雜拓?fù)錁?gòu)型夾芯結(jié)構(gòu)的成形工藝研究較少。

（2）目前多采用3D打印工藝制備各種蜂窩結(jié)構(gòu)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析研究，而利用嵌鎖組裝工藝作為制備方法，以多種復(fù)合材料為母材的蜂窩結(jié)構(gòu)，及其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能相關(guān)研究則偏少。

在調(diào)研目前國(guó)內(nèi)外研究成果之后，結(jié)合當(dāng)前對(duì)這一研究的認(rèn)識(shí)與研究基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)，夾芯結(jié)構(gòu)研究仍存在以下局限性，因此該種結(jié)構(gòu)需要得到進(jìn)一步研究和發(fā)展：

（1）CFRP 蜂窩結(jié)構(gòu)中嵌鎖位置和蜂窩相交處是蜂窩結(jié)構(gòu)易發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域，失效模式主要為基體開裂，解決好由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的失效問題才能更好提升整體性能。

（2）基體樹脂的正常工作溫度一般存在較低的上限，亟需探索更高溫度的熱固性或熱塑性樹脂基作為增強(qiáng)材料的基體，由此涉及到的疲勞等課題的研究也需要進(jìn)一步深入進(jìn)行。

（3）對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)，目前多考慮其力學(xué)性能，使得汽車應(yīng)用中功能較為單一，因此多功能性是未來發(fā)展方向。在車輛設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行充分考慮，特別是火災(zāi)，因此需要將熱管理、噪音和雷達(dá)波吸收功能特點(diǎn)，靈活應(yīng)用在不同的車輛設(shè)計(jì)中。

（4）夾層結(jié)構(gòu)可以采用熱保護(hù)層，但由于外界因素存在，使得不容易檢測(cè)到內(nèi)部損傷，而內(nèi)部損傷會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能造成很大影響，未來應(yīng)該對(duì)內(nèi)部損傷檢測(cè)采取更為有效的方法，以避免發(fā)生較為嚴(yán)重的后果。此外，夾層結(jié)構(gòu)在環(huán)境暴露和過度機(jī)械載荷作用下的殘余性能也值得深入研究。