黃安坤，溫耀杰，張百成，2，曲選輝，2

（1.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083；2.現(xiàn)代交通金屬材料與加工技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

點(diǎn)陣材料的概念最早是由Ashby 等[1]于2001 年提出，是一種多孔的、以相互連接的支柱、板或復(fù)雜曲面為基本單元并重復(fù)性規(guī)則排列的多功能材料，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能[2]。在20 世紀(jì)初有學(xué)者采用熔模鑄造[3]、熔融氣體注射[4]、金屬超塑性成形[5]、物理氣相沉積等方法制備金屬多孔結(jié)構(gòu)，但這些方法不僅材料價格昂貴且形狀、尺寸受限，如復(fù)雜周期性曲面和精密結(jié)構(gòu)均難以制備[6]，研究大多停留在數(shù)理模型的分析，極大地阻礙了高性能金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用。增材制造技術(shù)是一種以激光或電子束為熱源，將粉末狀或絲狀材料熔化、凝固進(jìn)而逐層堆疊成形的新型制造技術(shù)[7]?；凇半x散+堆積”原理，增材制造技術(shù)將三維結(jié)構(gòu)化整為零、逐層制備，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜周期性結(jié)構(gòu)的制備[8–9]，實(shí)現(xiàn)自由制造，解決了傳統(tǒng)的減材和等材工藝難以加工或無法加工的局限[10]，同時制造成本不隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而大幅度提高[11]。

通過增材制造打印金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，一方面實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的快速制備，極大地縮短了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)周期[12]；另一方面通過對金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化制備及整體性能的提升[13–14]。由此，增材制造技術(shù)制備的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在航空航天、能源、車輛工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢[15–16]。我國航天五院設(shè)計了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支架，在保持強(qiáng)度的前提下極大地減輕了零件重量，通過增材制造設(shè)備打印后，成功裝配到了千乘一號衛(wèi)星上，目前已成功入軌；通用電氣（GE）公司采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮畛浞椒?，對航空發(fā)動機(jī)的燃油噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得航空發(fā)動機(jī)的燃油噴嘴結(jié)構(gòu)減重25%；Cellcore 和SLM Solutions 公司合作，基于集成式點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計并制備出了火箭發(fā)動機(jī)，將生產(chǎn)周期從半年縮短為5 d，同時由于發(fā)動機(jī)內(nèi)部冷卻通道的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充，表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能[17]。綜上所述，增材制造的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)已是航空航天等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)[18–20]。

近年來，增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)主要以鐵基合金、鈦基合金、鋁基合金為主，研究人員對這些金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)、減振吸能、隔熱散熱等方面的性能進(jìn)行了大量研究。但目前尚未有針對增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)功能與力學(xué)性能變化機(jī)理的歸納性報道，本文系統(tǒng)總結(jié)了各類點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的物性變化機(jī)理，與其在航空航天、國防領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，對于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性以及功能性設(shè)計具有重要意義。

1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的分類

通過增材制造制備的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)與高性能材料的有機(jī)融合，促進(jìn)了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展。與此同時，隨著先進(jìn)設(shè)備的引入和商用軟件的應(yīng)用，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的形狀也越來越復(fù)雜化[6–7]。已研究的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)主要有4 類（圖1），包括傳統(tǒng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖1（a）～（d））[21–23]、極小曲面結(jié)構(gòu)（圖1（e））[24–26]、拓?fù)鋬?yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖1（f））[27]和生物結(jié)構(gòu)“嫁接”的云杉“嫁接”點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖1（g））[28]。

圖1 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic illustration of lattice structures

傳統(tǒng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖1（a）～（d））如體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）、菱形十二面體結(jié)構(gòu)（RD）均是彎曲主導(dǎo)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這些點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時，壓縮曲線存在一個較長的應(yīng)力平臺，且應(yīng)力平臺十分有利于結(jié)構(gòu)的能量吸收[21]，與單一均質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[22，29]或由不同類型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)組合排列獲得的結(jié)構(gòu)具有更高的性能[23，31]，如在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)頂面和底面各加一塊互相平行面板，設(shè)計成夾芯結(jié)構(gòu)如Kagome 結(jié)構(gòu)[22]，以提高結(jié)構(gòu)的抗彎曲和剪切性能。

極小曲面（圖1（e））結(jié)構(gòu)是通過隱函數(shù)[32]的數(shù)學(xué)表達(dá)式定義的，其結(jié)構(gòu)通過數(shù)學(xué)表達(dá)式控制，可通過修改表達(dá)式控制結(jié)構(gòu)的孔隙率大小。結(jié)構(gòu)不僅具有多孔結(jié)構(gòu)的特性，而且結(jié)構(gòu)表面的平均曲率為0，表面光滑無應(yīng)力集中，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和散熱功能[24，26]。

拓?fù)鋬?yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖1（f）[27]）是根據(jù)給定的工況、約束條件和性能指標(biāo)，通過拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計出最優(yōu)的基本單元，再將基本單元周期性平移獲得一定尺寸的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)[27]。理論上可以獲得任意優(yōu)異性能的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，但需要考慮增材制造成形準(zhǔn)則的限制[7]。生物結(jié)構(gòu)“嫁接”的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖1（g）[28]）是基于生物的某種性能，從生物中獲取靈感，將生物結(jié)構(gòu)“嫁接”于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計當(dāng)中，以期提高點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)性能[28，33]。

2 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征

金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、高比剛度。在低密度結(jié)構(gòu)中具有極大的力學(xué)性能優(yōu)勢。通過減少非關(guān)鍵區(qū)域中的材料以減輕結(jié)構(gòu)的重量，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)、超輕[34]結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時還具有常規(guī)材料無法實(shí)現(xiàn)的功能，如一種具有負(fù)或零泊松比的結(jié)構(gòu)，當(dāng)縱向拉伸時，結(jié)構(gòu)在橫向方向上發(fā)生膨脹，這種力學(xué)響應(yīng)行為對結(jié)構(gòu)的性能有著顯著的影響[35]。

Gibson[36]和Ashby[37]等揭示了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系，之后眾多學(xué)者也通過試驗(yàn)證明了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的彈性模量、屈服強(qiáng)度與體積分?jǐn)?shù)的正相關(guān)性。Zhang等[38]通過選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）制備了無宏觀缺陷的SS 316 L 極小曲面結(jié)構(gòu)和BCC 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明隨著結(jié)構(gòu)的相對密度ρ（或厚度t）的增加，應(yīng)力–應(yīng)變曲線上移，結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度、能量吸收能力逐漸增加（圖2（a）[38]），在10%左右的相對密度下，極小曲面P結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度是BCC 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的10 倍左右。針對極小曲面結(jié)構(gòu)、BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮變形情況，該團(tuán)隊開展了相關(guān)的數(shù)值仿真工作，仿真得到SS 316L點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，發(fā)現(xiàn)在不同的應(yīng)變下，極小曲面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布比BCC 結(jié)構(gòu)的均勻（圖2（b）[38]），這使得極小曲面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能顯著優(yōu)于BCC 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，與Maskery 等[39]的報道結(jié)果一致。

圖2 增材制造不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線及在不同應(yīng)變下的應(yīng)力分布[38]Fig.2 Compression stress–strain curves and stress distribution under different strains of different lattice structures in additive manufacturing[38]

通過對材料的合理布局，可以實(shí)現(xiàn)材料的按需分配，同時還可提高結(jié)構(gòu)性能[40]。Zhang 等[27]基于參數(shù)水平集和數(shù)值均勻化，以最大剛度為目標(biāo)，通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計出了體積分?jǐn)?shù)為30%的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖3（a）[27]）。該團(tuán)隊通過SLM 技術(shù)制備出了不同尺寸大小且無明顯缺陷的拓?fù)鋬?yōu)化Ti6Al4V 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)評估結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。圖3（b）[27]展示了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線及變形過程，其表現(xiàn)的變形行為與SS 316L 極小曲面結(jié)構(gòu)的變形行為（圖2（a）[38]）是不同的，拓?fù)鋬?yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線呈現(xiàn)先下降后上升再下降的波峰波谷式變化，結(jié)構(gòu)的破壞形式為逐層壓潰，但隨著基本單元數(shù)量的增加，其破壞形式逐漸變?yōu)?5°剪切斷裂。從不同應(yīng)變下應(yīng)力的分布情況（圖3（c）[27]）可知，由于在加載過程中大多數(shù)應(yīng)力集中在加載方向，導(dǎo)致平行于壓縮方向的支柱最先發(fā)生斷裂，研究結(jié)果表明，拓?fù)鋬?yōu)化Ti6Al4V 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的模量為4.5 GPa，屈服強(qiáng)度為164.8 MPa，能量吸收能力為41.6 MJ/m3。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮過程 [27]Fig.3 Design and Compressive process of topology optimization lattice structure[27]

甲蟲擁有動物界最堅韌的天然外骨[41]，其前翼具有保證身體穩(wěn)定性和提高飛行能力的雙重功能，具有重量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。Du 等[42]將甲蟲前翼的微觀結(jié)構(gòu)“嫁接”于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計之中，設(shè)計出仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖4（a））。該團(tuán)隊通過SLM 技術(shù)制備99.9%致密度以上的基于甲蟲“嫁接”的AlSi10Mg 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)測定金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。圖4（b）[42]中展示了不同工藝參數(shù)下的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線，在激光掃描速度v為3500 mm/s 時，隨著激光功率P的改變（350～450 W），結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在不同數(shù)量的微孔，導(dǎo)致不同工藝參數(shù)下制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度存在差距。金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮變形行為主要分為3 個階段[43]：彈性變形階段、非均勻塑性變形階段、致密化/壓潰階段。在彈性變形階段，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力–應(yīng)變是呈現(xiàn)彈性變化的。一旦結(jié)構(gòu)的變形達(dá)到彈性極限，結(jié)構(gòu)開始發(fā)生非均勻塑性變形，同時開始屈服。在塑性變形結(jié)束后，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線出現(xiàn)顯著的應(yīng)力下降過程，從應(yīng)力–應(yīng)變的分布情況可知（圖4（c）[42]），在水平橫桿的交點(diǎn)處最早出現(xiàn)了應(yīng)力集中，此處最先發(fā)生斷裂，在進(jìn)一步變形過程中，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中位置發(fā)生了轉(zhuǎn)移，這是導(dǎo)致金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)顯著下降的原因。研究結(jié)果表明，基于甲蟲前翼“嫁接”的AlSi10Mg 合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)最大承載為2.95 kN，能量吸收為3.45 J。

圖4 基于甲蟲前翼“嫁接”的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和不同工藝下制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線[42]Fig.4 Lattice structure based on beetle front wing and compression stress–strain curves of lattice structures under various processing conditions[42]

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，研究人員實(shí)現(xiàn)了多材料一體化零件的制備[44–46]，為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)帶來了新的研究方向。采用多金屬材料制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不僅滿足同一部件中具有不同機(jī)械性能的不同零件的要求，而且可以通過在目標(biāo)區(qū)域應(yīng)用合適的材料來增強(qiáng)零件性能[47]。Zhang 等[48]通過SLM 技術(shù)制備了不同孔隙率的CuSn 和18Ni300 的雙金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖5（a）），進(jìn)行壓縮試驗(yàn)測定雙金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。由于兩種材料性能相差較大，壓縮開始時，CuSn 端的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)先發(fā)生彈性變形和不均勻塑性變形，隨著壓縮的繼續(xù)，18Ni300 端的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形和不均勻塑性變形，因此，雙金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線出現(xiàn)兩次彈性階段、兩次非均勻塑性變形階段（圖5（b）～（c）），研究結(jié)果表明，53%孔隙率的CuSn 和18Ni300 的雙金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)彈性模量為21.5 GPa，最大屈服強(qiáng)度為201.8 MPa，能量吸收能力為20.4 MJ/m3。

圖5 不同孔隙率的CuSn 和18Ni300 的雙金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線及壓縮過程[48]Fig.5 CuSn/18Ni300 bimetallic lattice structures with different porosity, compression stress–strain curve and compression process[48]

多種材料金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的性能還處于研究當(dāng)中，其最大難度在于如何實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、準(zhǔn)確地鋪放多種材料，以及解決多種材料之間連接問題。Zhang 等[48]采用多次重熔的方法，使兩種材料以對接的形式連接，但多次重熔易使晶粒過大進(jìn)而影響界面的力學(xué)性能。梯度材料是一種解決多種材料之間相互平滑連接的創(chuàng)新材料，將梯度材料與金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)超輕和超強(qiáng)的耦合，同時還能實(shí)現(xiàn)散熱、吸聲、電磁屏蔽等功能。

泊松比定義為材料或結(jié)構(gòu)在彈性加載方向的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變比值的負(fù)數(shù)，可以反映材料變形的彈性常數(shù)，常規(guī)結(jié)構(gòu)的泊松比值一般大于0。當(dāng)縱向拉伸時，常規(guī)結(jié)構(gòu)在橫向方向上發(fā)生收縮，而負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在橫向方向上發(fā)生膨脹[49]。因此，與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如高比剛度[50]、高能量吸收能力[51]、剪切模量可以遠(yuǎn)超其體積模量[52]。使得負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大工程應(yīng)用潛力的物理性能，同時引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。自Kolpakov[53]提出了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法以來，學(xué)者們設(shè)計了許多二維（圖6（a）～（d）[54]）和三維（圖6（e）[54]）的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，其中包括內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)、剛性旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)、手性結(jié)構(gòu)。

圖6 負(fù)泊松比結(jié)構(gòu) [54]Fig.6 Negative Poisson’s ratio[54]

六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的抗彎曲變形能力差使得結(jié)構(gòu)制備存在困難。為了增強(qiáng)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的變形能力，Masters 等[55]將六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)中的對角線的兩個角向內(nèi)凹陷，設(shè)計成內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)，即負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)。為了比較內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)與六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，Liu 等[56]建立了數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)下，內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的能量吸收能力優(yōu)于六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，其得益于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的變形方式。Xiong 等[57]對內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)凹角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過SLM 技術(shù)制備了AlSi10Mg內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊通過壓縮試驗(yàn)對內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行表征，將試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)增大內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的圓角半徑會降低結(jié)構(gòu)的泊松比，并且使應(yīng)力集中區(qū)域從尖角部分轉(zhuǎn)移到圓角邊緣部分。但實(shí)際制造的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在氣孔，表面存在附著的粉末顆粒，這些缺陷會改變結(jié)構(gòu)的斷裂位置進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果[58]，使得試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在偏差。Arjunan 等[59]通過SLM 工藝制備了不同厚度的AlSi10Mg 內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)探究了內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)壁厚和內(nèi)凹角參數(shù)對抗壓穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為通過增加壁厚或內(nèi)凹角可以適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)彈性模量。Li等[60–61]建立了全尺寸的非線性有限元分析模型，研究了單軸、雙軸壓縮，以及不同環(huán)境溫度下內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的熱變形情況，研究結(jié)果表明，內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)可以顯著提高夾層結(jié)構(gòu)的抗壓和抗熱屈曲性能，并且梯度結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、載荷情況均會嚴(yán)重影響內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)的變形行為。

目前，國內(nèi)外對金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究已經(jīng)比較深入，其研究內(nèi)容主要可歸為兩大類：多功能金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)和獨(dú)特、優(yōu)異性能的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)。在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、孔隙率的設(shè)計與性能研究方面，研究人員做了大量的試驗(yàn)研究，但基于不同材料設(shè)計的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的性能研究報道較少。如果能將不同材料的性能融入金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計之中，可以充分發(fā)揮增材制造的技術(shù)優(yōu)勢，同時能夠?qū)崿F(xiàn)多功能金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)一體化的開發(fā)與應(yīng)用。

3 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)特征

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)意味著暴露的面積更多，因此點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可與外界進(jìn)行更多的熱交換。金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的多孔特性，可顯著提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)制對流，提高結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)以促進(jìn)結(jié)構(gòu)與外界的熱量傳遞，非常適用于散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計。Mancisidor 等[62]應(yīng)用Kagome 和簡單立方金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計出了斯特林發(fā)動機(jī)回?zé)崞?。Kang 等[63]基于傳統(tǒng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計的模具，實(shí)現(xiàn)了模具結(jié)構(gòu)的輕量化，同時縮短了模具的冷卻時間。當(dāng)前，對金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的散熱性能研究主要可分為兩大類：優(yōu)異散熱性能的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計和金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)集成式一體化設(shè)計，前者側(cè)重于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸等結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究，后者偏向于應(yīng)用，更加注重實(shí)際結(jié)構(gòu)的散熱性能。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有表面積大、成核密度多、臨界熱流密度高等優(yōu)點(diǎn)，是池沸騰傳熱的新型結(jié)構(gòu)。Ho 等[64]通過SLM 技 術(shù) 制 備 了AlSi10Mg Rhombi–Octet 點(diǎn) 陣 結(jié)構(gòu)（圖7（a）），對比了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與金屬多孔泡沫結(jié)構(gòu)的散熱性能，發(fā)現(xiàn)Rhombi–Octet 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)高于金屬多孔泡沫結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊以水冷式冷板結(jié)構(gòu)為研究對象[65]，對點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過SLM 工藝制備了AlSi10Mg Rhombi–Octet 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)散熱水冷式冷板結(jié)構(gòu)，進(jìn)行試驗(yàn)研究冷板結(jié)構(gòu)的散熱性能，研究結(jié)果表明，隨著點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充率的增加，結(jié)構(gòu)的散熱性能會越優(yōu)異。Wong 等[66]通過SLM 技術(shù)制備了AlSi10Mg Rhombi–Octet 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，進(jìn)行試驗(yàn)研究對比了不同尺寸金屬Rhombi–Octet 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的池沸騰傳熱性能。相比于其他尺寸的基本單元，單元尺寸為3 mm、高度5 mm 的金屬Rhombi–Octet 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有最高的換熱系數(shù)。Ho 等[67]將不同尺寸的AlSi10Mg 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，通過SLM 工藝制備了4 種散熱器結(jié)構(gòu)（圖7（b）），并測定了不同結(jié)構(gòu)的有效導(dǎo)熱系數(shù)（圖7（c）），發(fā)現(xiàn)基本單元為5 mm 的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)最高。Ho 等[68]通過SLM 工藝制備了兩種商用Rhombi–Octet 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的散熱器。該團(tuán)隊進(jìn)行試驗(yàn)測定散熱器結(jié)構(gòu)的散熱性能，發(fā)現(xiàn)Rhombi–Octet金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的換熱效率顯著高于商業(yè)金屬泡沫和傳統(tǒng)銷翅片散熱器的換熱效率。

圖7 基于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計的散熱器結(jié)構(gòu)Fig.7 Heat sinks based on lattice structures

極小曲面結(jié)構(gòu)內(nèi)孔互相貫穿，可顯著改善熱流的傳遞，增加熱量在傳遞過程的熱損耗[69]。Li 等[24]基于Gyroid 和Schwarz–D 結(jié)構(gòu)設(shè)計出新型換熱器結(jié)構(gòu)，通過計算流體動力學(xué)獲得換熱器工作時的雷諾數(shù)，研究對比了不同換熱器的散熱性能，研究結(jié)果表明，與印刷電路板換熱器相比，采用Gyroid 和Schwarz–D 結(jié)構(gòu)設(shè)計出的新型換熱器傳熱系數(shù)更高。目前，基于極小曲面結(jié)構(gòu)的散熱器結(jié)構(gòu)還未見大量報道，原因是由于極小曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且內(nèi)孔部分黏附粉末難以去除。

結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計有助于提高結(jié)構(gòu)的散熱性能，同時仿真分析軟件的普及，為結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計提供了平臺。設(shè)計者通過軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出便于制備且性能優(yōu)異的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。Chantzis等[70]以熱沖壓模具為研究對象，提出一種集成式拓?fù)鋬?yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法（圖8），通過SLM 工藝制備了99%以上致密度的SS 316L 熱沖壓模具結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊對AA7075 鋁合金坯料進(jìn)行了熱沖壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過基于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計的熱沖壓模具比原有熱沖壓模具的冷卻時間減少12%以上。

圖8 熱沖壓模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計[70]Fig.8 Design of hot stamping dies structure[70]

在自然界中，許多生物表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能，尤其是生活在南極和北極地區(qū)的生物。挪威云杉是一種云杉植物，可在北極生活。挪威云杉特殊的中空和梯度結(jié)構(gòu)有助于提高其抗寒能力。此外，中空結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)性能[71]。Lin 等[72]基于挪威云杉特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計出了4 種不同形狀梯度的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖9（a）和（b）），通過SLM 技術(shù)制備了致密、無裂紋的Ti6Al4V 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊測定了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，并定量地分析了不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的隔熱效果（圖9（c）[72]），發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)的引入并不能保證熱防護(hù)性能的提高。

圖9 基于“云杉莖”設(shè)計的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) [72]Fig.9 Lattice structure based on spruce stem design [72]

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的散熱、隔熱性能不僅與結(jié)構(gòu)相關(guān)，與材料的選擇也有關(guān)系，如Jafari 等[73]認(rèn)為設(shè)計出復(fù)合材料的兩相散熱器結(jié)構(gòu)能夠改善結(jié)構(gòu)的散熱性能?；诙鄬訌?fù)合材料的熱響應(yīng)行為，通過優(yōu)化材料的布置來控制熱流的傳播，利于控制和引導(dǎo)熱能[74]，進(jìn)一步調(diào)控結(jié)構(gòu)的熱損耗[75]，從而設(shè)計出新一代的熱結(jié)構(gòu)器件。

4 金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的功能特性研究

通過對金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使得材料具有優(yōu)異的吸聲性能，原因是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙可提供更大的聲能衰減系數(shù)，使聲波消散得更快，從而實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身。美國杜克大學(xué)經(jīng)過了大量的數(shù)值仿真工作，設(shè)計出三維聲學(xué)隱形斗篷。該裝置能使物體周圍的聲波平滑地彎曲，填充到物體之后的陰影空間，從而造成聲波始終在周圍空氣中以直線傳播的錯覺。Rice 等[76]采用數(shù)值方法優(yōu)化設(shè)計開爾文結(jié)構(gòu)（圖10（a）），實(shí)現(xiàn)增材制造金屬開爾文結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊測定了結(jié)構(gòu)的聲波吸收系數(shù)，并將試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比（圖10（b）[76]）。由于結(jié)構(gòu)的表面粗糙度過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的實(shí)際聲波吸收系數(shù)偏高。Cai 等[77]建立了數(shù)值模型，探究了不同尺寸的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)對聲學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著連接結(jié)構(gòu)的長寬比的增加，聲波在水中的散射變得越來越強(qiáng)烈。Yu 等[78]認(rèn)為可通過磁場控制活磁性金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的形狀（圖10（c）），進(jìn)而控制聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳遞過程。該團(tuán)隊通過增材制造技術(shù)制備了Octet 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，該點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可隨著磁場的增加，高度逐漸降低，撤去磁場后，結(jié)構(gòu)可基本恢復(fù)原始高度。

圖10 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能和磁性能Fig.10 Acoustic and magnetic performance of lattice structure

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料不僅重量輕，而且擁有大量的表面積，可顯著促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。Pauly 等[79]首次報道了通過SLM 制備Fe 基非晶合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。Zhang 等[80]采用SLM 工藝，成功制備了Zr 基非晶合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，與實(shí)心、中空結(jié)構(gòu)的Zr 基非晶合金相比，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的Zr基非晶合金對甲基橙的降解表現(xiàn)出更優(yōu)異的催化性能。

5 結(jié)論

材料的多樣化、結(jié)構(gòu)輕量化和多功能一體化是未來制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是一個全新的輕量化、多功能化的設(shè)計載體，它與宏觀工程桁架結(jié)構(gòu)不同，毫米級或微米級尺寸使得結(jié)構(gòu)的性能不局限于材料自身的屬性，通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得其在輕量化、減振吸能、散熱隔熱、聲學(xué)降噪方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而傳統(tǒng)制造方法無法直接制備復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重制約了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用，增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備，使得超輕、超強(qiáng)韌、超高能量吸收、超高散熱、聲學(xué)隱身等高性能的結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，因而具有極為廣闊的應(yīng)用前景。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，增材制造的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在航空航天等領(lǐng)域已得到部分應(yīng)用，但是增材制造的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)還有許多問題亟待解決。

（1）材料體系。經(jīng)過研究人員多年的努力，可用于增材制造的金屬材料已逐漸開始完善，而其中可用于制備金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的材料仍十分有限。缺乏增材制造相關(guān)的材料體系使得金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的潛力還未充分挖掘，因此對于加速推動增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高性能應(yīng)用，完善增材制造的材料體系至關(guān)重要。

（2）結(jié)構(gòu)與工藝。隨著仿真軟件及幾何軟件的引入，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計變得異常靈活，理論上可以設(shè)計出任意形狀的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)的最小尺寸、最小厚度受制造精度的影響，每層存在熔池級尺寸的誤差，由于增材制造是層層累加的制造模式，每層的制造誤差會形成積累效應(yīng)，導(dǎo)致成品件的誤差在0.1 mm 左右，甚至更大的誤差，同時結(jié)構(gòu)表面粉末的去除、支撐結(jié)構(gòu)的去除、表面粗糙度的改善仍是令人棘手的問題?？s小金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的精密制造誤差可極大地促進(jìn)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。

（3）性能評價。金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)部分性能的研發(fā)還處于起始階段，如對于聲學(xué)、磁學(xué)性能的研發(fā)未見大量報道，且當(dāng)前對于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)性能的評定標(biāo)準(zhǔn)尚未明確。由于金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的尺寸為毫米級或微米級，遠(yuǎn)小于工程結(jié)構(gòu)的相應(yīng)尺寸，因此金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)和材料雙重特點(diǎn)。在考慮不同材料自身屬性的情況下，建立金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的性能數(shù)據(jù)庫，評估不同形狀的金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的性能，可加快金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)高性能的應(yīng)用。

（4）應(yīng)用前景。輕量化制造是航空航天、能源、車輛工程等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)，是通過改變金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)孔隙率獲得航空航天等領(lǐng)域中關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度與重量的最優(yōu)選擇。對于復(fù)雜金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充的散熱器結(jié)構(gòu)，通過增材制造技術(shù)可高精度制備，并且大大縮短交貨周期。對戰(zhàn)斗機(jī)等國防、軍事設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使聲波消散得更快，從而實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身。