0 引言

復(fù)合材料三明治夾芯結(jié)構(gòu)因具有高強度、輕量化、功能集成的特點，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計領(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。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一系列的吸能減振材料諸如泡沫鋁、塑料蜂窩等進行了對比評價試驗，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。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)后共同擔負起車輛側(cè)墻的功能。張偉等提出了一種外殼采用夾芯結(jié)構(gòu)的電池箱方案，進行了關(guān)于剛度、強度測試，證明該夾芯結(jié)構(gòu)有效提高了整個箱體防火、電磁屏蔽性能，同時達到了良好的輕量化效果。如圖1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。

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，對整體結(jié)構(gòu)的抗彎剛度與抗剪切強度均具有明顯的增強效果。此外，受膠結(jié)層的影響，芯材與面板之間存在相對穩(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。由于良好的力學性能和優(yōu)異的可設(shè)計性，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。

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)，為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)超輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計提供保障，從而有效提高承載能力，因此，對復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)力學性能以及多用途開展深入研究具有重要意義?，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)、真空輔助樹脂傳遞模塑技術(shù)、3D打印成形技術(shù)、裁剪-折疊制備技術(shù)和嵌鎖組裝成形技術(shù)。這些工藝制備夾芯結(jié)構(gòu)，可使得纖維增強復(fù)合材料具備更多的性能優(yōu)勢，例如優(yōu)異的抗疲勞性能、耐腐蝕性能和熱學性能得到了充分發(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纖維種類和所選擇的基體材料，但是其成形工藝對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，對構(gòu)件的生產(chǎn)效率以及質(zhì)量要求更高。為了進一步擴大其在汽車領(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]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)，并對其在3點彎曲載荷下的靜力學性能進行了探索。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，使得纖維增強的優(yōu)勢無法發(fā)揮。

Quan等通過自行研制的3D打印設(shè)備，鋪放了連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料，并對其在面內(nèi)壓縮載荷作用下的力學行為展開了研究。由加熱頭注入聚乳酸（Poly Lactic 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)，但面對復(fù)雜拓撲的蜂窩結(jié)構(gòu)時，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塑料（Car?bon Fiber Reinforced Plastics,CFRP）的預(yù)浸料作為基材，沿纖維方向進行鋪疊，將層間氣孔排出后，把預(yù)浸料進行低溫處理，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。

在沿設(shè)計路徑對預(yù)浸料進行裁剪時，可以采用線切割或者水切割的方式進行裁剪。對于金屬加工，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)。該成形工藝可實現(xiàn)連續(xù)長纖維鋪層角度設(shè)計，避免了3D打印技術(shù)的成形缺陷，但是對制備復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)，還需要進行一定的改進。

1.3 熱壓模具成形工藝

面芯之間的連接強度總是夾芯結(jié)構(gòu)制備過程中首先應(yīng)該考慮的問題。Wang等采用熱壓模具成形工藝制備出可以一次成形的金字塔點陣結(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)點的強度，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、壓力控制要求會對結(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。

為了克服一次成形工藝中的局限性，熊健等相繼開發(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。

Pehlivan等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個波紋板粘接堆疊形成一個蜂窩板，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)，但是在加載時粘結(jié)部分強度會受到影響。

1.4 真空輔助樹脂傳遞模塑工藝

Stocchi等]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。但是對其進行面外壓縮性能試驗后，發(fā)現(xiàn)該蜂窩結(jié)構(gòu)的力學性能未能達到預(yù)期效果，其原因是VARTM工藝導致結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣泡含量過多，造成了大量缺陷。Vitale等對VARTM工藝制備蜂窩結(jié)構(gòu)進行了優(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，用真空袋進行密封，并注入樹脂。但VARTM工藝在制備蜂窩結(jié)構(gòu)時，由于樹脂流動性差、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撲構(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行補充，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。對于夾芯結(jié)構(gòu)的力學性能研究多見于已有研究中，但是對結(jié)構(gòu)靜態(tài)力學性能研究較多，對實際應(yīng)用中的斜向靜態(tài)壓縮以及動態(tài)沖擊探索較少。復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)已經(jīng)作為熱防護結(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、儲能設(shè)備發(fā)熱及發(fā)動機等設(shè)備工作發(fā)熱導致的高溫環(huán)境考驗，為了發(fā)掘復(fù)合材料點陣夾芯結(jié)構(gòu)在航空等領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，實現(xiàn)熱控和承載一體化，研究熱力學性能的影響十分必要。在只考慮結(jié)構(gòu)靜力學性能與輕量化2方面要求時，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)。

對國內(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、短纖維增強復(fù)合材料。對長纖維復(fù)合材料的研究只是停留在沿纖維方向的強度方面，而對短纖維復(fù)合材料的研究大多集中于碳纖維增強樹脂基方面。碳纖維價格會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測試結(jié)果也并沒有顯示大幅度提高力學性能。嵌鎖組裝工藝則在滿足所要求的力學性能前提下，極大降低了生產(chǎn)成本，使得該工藝可以進行大規(guī)模應(yīng)用?？傮w上該工藝可以分為3個階段：

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

（2）對成形后的芯子板采用普通數(shù)控機床進行切割；

（3）將切割后的樣件進行嵌鎖與組裝。

Fan等對二維點陣格柵夾芯結(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度不夠，當剪切載荷作用在試件表面時，容易發(fā)生脫粘。Fan等通過試驗揭示了結(jié)構(gòu)破壞模式，結(jié)果表明，碳纖維增強柵格和復(fù)合夾層板的破壞過程具有一定的延性。當部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效時，載荷可以有效地轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)的其它部分。

Han等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。

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)，再到點陣以及力學超材料，尤其是隨著纖維增強復(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，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，而且在整個制備過程中，樹脂的流動性差造成的氣泡難以消除，以至于僅少數(shù)無氣泡蜂窩拓撲構(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的連接問題，2003年Han等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)更容易達到預(yù)期性能。

近年來，隨著新型纖維增強復(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，負載過大使得纖維發(fā)生斷裂時，會導致載荷經(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到，從而采取有效措施進行預(yù)防。

同時，對常見蜂窩結(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，對其力學性能進行比較，發(fā)現(xiàn)后者更具優(yōu)勢，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，對于需要進行不同鋪層角度設(shè)置的復(fù)合材料板而言，無法實現(xiàn)這一目標，這也導致結(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，纖維增強的優(yōu)勢并沒有充分體現(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打印工藝對連續(xù)纖維材料結(jié)構(gòu)進行制備時，對其壁厚有較為嚴格的限制，壁厚要大于某一額定值，而采用后者進行制備則不會存在這種局限性。

此外，王世勛等對CFRP金字塔點陣結(jié)構(gòu)的動態(tài)沖擊性能進行了研究，并對比分析了不銹鋼、鋁合金與CFRP點陣夾芯結(jié)構(gòu)的能量吸收率。研究發(fā)現(xiàn)，單從材料方面而言，CFRP點陣夾芯結(jié)構(gòu)的能量吸收率，依次在沖擊速度為900m/s、1200m/s時，開始超越不銹鋼點陣夾芯結(jié)構(gòu)以及鋁合金點陣夾芯結(jié)構(gòu)，這充分體現(xiàn)出復(fù)合材料制備的夾芯結(jié)構(gòu)在高速沖擊下優(yōu)異的力學性能。

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)均可通過嵌鎖進行制備，對于連續(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，從而彌補其它工藝不足，提高結(jié)構(gòu)力學性能。

3.1 蜂窩結(jié)構(gòu)

Russell等采用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，針對碳纖維鋪層角度的影響，對蜂窩結(jié)構(gòu)面外平壓性能和面內(nèi)剪切性能進行了分析。結(jié)果表明，嵌鎖組裝工藝可應(yīng)用于拓撲構(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復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)抗壓性能的影響，測量和分析預(yù)測結(jié)果表明，蜂窩等復(fù)合多孔材料在強度和密度特性之間存在特殊關(guān)系，為輕質(zhì)、高強度結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新機遇。

周昊等基于ABAQUS有限元軟件，通過數(shù)值模擬，研究了不同相對密度方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的獨立式CFRP夾芯板在水爆炸作用下的動力響應(yīng)。再與準靜態(tài)壓縮響應(yīng)進行比較，驗證了本構(gòu)模型之后，通過分析夾芯板變形過程、芯部壓縮和動量傳遞特性，揭示了不同芯部相對密度夾芯板的芯部壓縮和動量傳遞規(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。同時這也為復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的多場所應(yīng)用提供了經(jīng)驗。楊志韜等根據(jù)多層結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，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)，對其平面外壓縮性能和3點彎曲性能進行了理論預(yù)測和試驗驗證。通過理論研究預(yù)測了結(jié)構(gòu)失效模式，并繪制了失效模式機理圖，最后通過3點彎曲試驗驗證了理論預(yù)測結(jié)果。

王志鵬等采用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，并對夾芯結(jié)構(gòu)整體的面外平壓性能和3點彎曲性能做出進一步研究，如圖7所示。與以往研究相比，基于試驗結(jié)果分析了CFRP方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在準靜態(tài)載荷下的破壞模式、損傷機理以及吸能特性，同時也考慮了3點彎曲載荷作用下面板質(zhì)量非對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破壞。當應(yīng)變等于0.5時，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)達到極限載荷后仍具有較強承載能力。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對于質(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)，長肋板槽口向上時夾芯梁的承載能力更高。

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致其內(nèi)平面內(nèi)拉伸強度低，而方形蜂窩則克服了這一缺點。Vitale等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復(fù)合材料夾芯，如圖8所示。在評估了每個芯材的壓縮響應(yīng)后，建立了解析和數(shù)值模型。結(jié)果顯示，嵌鎖工藝為試圖擴展蜂窩芯的強度和密度提供了設(shè)計第一步，而研究中制造的空心芯也可進行多功能應(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度的粘結(jié)表面，更不易發(fā)生脫粘現(xiàn)象。

Vitale等測試了其剪切性能。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等提出的夾芯結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)揮出預(yù)測的抗剪強度全部潛力，但是從制造方法引入的較少缺陷和試驗設(shè)置加載時的錯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。

近年來其它學者的研究結(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)，從而擴展豐富蜂窩結(jié)構(gòu)強度和密度。

3.2 金字塔點陣結(jié)構(gòu)

適當?shù)闹苽涔に囋诮档统杀荆岣咧苽湫实耐瑫r，還能減少制備缺陷，提高結(jié)構(gòu)強度。

Finnegan等為了制備出復(fù)合材料金字塔點陣結(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，實測結(jié)果與基于歐拉屈曲和桿件脫層破壞的預(yù)測結(jié)果吻合較好，表明具有錐體微結(jié)構(gòu)的復(fù)合多孔材料在強度和材料性能方面存在差距。

張國旗等采用線切割嵌鎖組裝工藝制備了金字塔點陣結(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采用的方式導致結(jié)構(gòu)面板力學性能明顯降低，同時流程繁瑣，使得總體工藝更為復(fù)雜；張國旗等采用的工藝簡單，制備效率較高，但是面板與芯子之間的連接強度存在著不足，當進行壓縮時會產(chǎn)生面芯脫膠的情況。

Cote等對該結(jié)構(gòu)在面內(nèi)載荷作用下的力學行為進行了試驗研究和理論分析。試驗與理論預(yù)測結(jié)果在多數(shù)失效模式下是一致的，推導得出了這些點陣結(jié)構(gòu)支撐柱的抗彎強度以及破壞模式。此外Cote等又對夾芯梁進行了疲勞測試，獲得了這2種情況下點陣夾芯梁的強度值。鑒于金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)的橫向各向同性，Cote等認為在雙軸面內(nèi)載荷顯著的情況下，這種結(jié)構(gòu)將會更加具有吸引力。

CFRP與具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的夾層板進行結(jié)合設(shè)計，為超輕結(jié)構(gòu)提供了新機遇。George等采用嵌鎖組裝工藝方法，以碳纖維增強聚合物層合板為材料，制備了相對密度在1%~10%范圍內(nèi)的金字塔桁架夾層芯。該項試驗證明了具有金字塔微結(jié)構(gòu)的復(fù)合蜂窩材料填補了強度與密度材料性能空間空白，并優(yōu)于蜂窩設(shè)計。因此，對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)提供了一個有吸引力的替代蜂巢選擇。

吳倩倩通過嵌鎖組裝工藝方法制備出了單向纖維增強復(fù)合材料金字塔點陣結(jié)構(gòu)，改善了結(jié)構(gòu)夾芯桿件承載效率、面芯界面粘接強度較低的情況。通過在面板上切割嵌鎖槽，對整體結(jié)構(gòu)進行了加固，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等采用熱壓成形和嵌鎖組裝工藝制備了節(jié)點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研究了新型復(fù)合金字塔晶格結(jié)構(gòu)的力學性能和破壞機理。試驗結(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，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)的抗壓和抗剪強度得到了提高。

李曉東以增強面芯間的粘接強度、提高結(jié)構(gòu)的剪切性能為目標，采用水切割技術(shù)和嵌鎖組裝工藝設(shè)計并制備出節(jié)點增強碳纖維和環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料金字塔點陣夾芯結(jié)構(gòu)（圖13）。此外，利用理論和試驗研究了結(jié)構(gòu)平面外壓縮剛度和強度，并得到了真空熱循環(huán)下結(jié)構(gòu)的剪切剛度和強度理論方程，并對不同相對密度的桿件進行了平壓以及剪切試驗。試驗結(jié)果顯示，在面內(nèi)壓縮載荷作用下，相對密度較低時，結(jié)構(gòu)發(fā)生桿件屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象；相對密度較高時，結(jié)構(gòu)發(fā)生桿件壓潰破壞現(xiàn)象；在剪切載荷作用下，相對密度低時，導致夾芯桿件發(fā)生屈曲失穩(wěn)以及壓潰破壞；相對密度較高時，則會使得復(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)進行對比，在進行平壓性能和剪切性能下，發(fā)現(xiàn)其整體力學性能得到提高。夾芯破壞主要是由于延長熱循環(huán)時間后碳纖維和環(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)時間增加，結(jié)構(gòu)抗壓和剪切性能得到改善，說明在某一時間限制下，對整體結(jié)構(gòu)進行某一溫度下加熱后可以使得結(jié)構(gòu)的力學性能得到較好提升。

Hu等采用節(jié)點嵌鎖工藝創(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形通槽的面板和實心面板，采用線切割技術(shù)獲得多個平面連接板，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）。

在進行壓縮試驗時，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)加載導致核心軟化相對溫和，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)出顯著的整體力學性能，特別是在比強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度和比能量吸收顯著優(yōu)于其它主流周期胞體拓撲結(jié)構(gòu)，如不同拓撲形式的實心或空心桁架晶格、棱柱形核和蜂窩。同時，Hu等[55]的研究成果對填補焊管桁架晶格在某些材料性能空白具有指導意義。

3.3 負泊松比結(jié)構(gòu)

三維有序負泊松比結(jié)構(gòu)已成為負泊松比結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點，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，其它制備工藝相對較少。有學者通過有限元方法分析后，認為內(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，即可產(chǎn)生負泊松比效應(yīng)。

王信濤用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP三維內(nèi)凹負泊松比結(jié)構(gòu)（圖15），并通過軸向壓縮試驗，驗證了CFRP三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的負泊松比性質(zhì)。結(jié)果表明，復(fù)合材料三維內(nèi)凹負泊松比結(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)還與母材的力學性質(zhì)相關(guān)。復(fù)合材料三維內(nèi)凹負泊松比結(jié)構(gòu)的比剛度在內(nèi)凹角較大時與金屬結(jié)構(gòu)的比剛度相當，在內(nèi)凹角較小時則優(yōu)于金屬結(jié)構(gòu)。

Du等采用嵌鎖組裝工藝，設(shè)計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。采用準靜態(tài)軸壓試驗，研究了復(fù)合材料的力學響應(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HTCHCS變形進行了試驗研究，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，肋部交錯的疊層呈現(xiàn)負泊松比變形。雖然其它工藝也可以制造拓撲復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)，但是制造過程相對較長，成本相對較高。此外，目前對于纖維增強熱塑性復(fù)合材料分層柱狀夾芯結(jié)構(gòu)的研究較少，采用簡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。

Guo等采用纖維纏繞嵌鎖方法，設(shè)計并制造了一種由連續(xù)玻璃纖維增強熱塑性塑料復(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)。通過軸壓試驗對其承載能力進行評價，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（SpecificEnergyAbsorption,SEA）和極限承載能力分別是分級柱狀結(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，玻璃纖維增強熱塑性塑料(GlassFiberReinforcedThermoplastic,GFRTP)復(fù)合材料表皮和分層蜂窩芯筒型夾層設(shè)計結(jié)構(gòu)，為夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了一種新的設(shè)計思路。

3.4 零泊松比結(jié)構(gòu)

正泊松比結(jié)構(gòu)變形后會形成馬鞍形，負泊松比結(jié)構(gòu)則會存在拉漲現(xiàn)象，而零泊松比夾芯結(jié)構(gòu)卻不會出現(xiàn)上述情況，這吸引了學者們對零泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學行為進行分析研究。高飛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?chanicsof Structure Genome，MSG）[60]，分別采用嵌鎖組裝工藝和3D打印工藝對其進行制備，并對比分析了2種工藝對該結(jié)構(gòu)力學性能的影響。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)的力學性能要更優(yōu)異。由前者制備的試件比強度值比后者制備出的試件增強了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，而前者可彌補這種缺陷并提升結(jié)構(gòu)力學性能，從而較好地展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)優(yōu)點。

Yang等為了實現(xiàn)完全對稱的雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)機構(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)機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計策略。多穩(wěn)定力學超材料具有穩(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)值計算結(jié)果表明，可以實現(xiàn)一維到三維多穩(wěn)定材料的正、零、負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)改進措施

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)雖然在多個領(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度。為了解決這個問題，Song等嘗試高強度、高模量的聚甲基丙烯酰亞胺（Poly Methacry limide,PMI）泡沫填充到復(fù)合嵌鎖卡格姆（Kagome）蜂窩結(jié)構(gòu)（PMIfoamrein?forced Kagomehoneycomb 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。

在結(jié)構(gòu)空隙中插入不同的材料來構(gòu)造混合夾芯層，可以進一步改善剛度、強度以及抗沖擊性能。Yang等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)異的強度和抗沖擊性能以及更強的能量吸收功能。

金字塔點陣結(jié)構(gòu)存在桿易屈曲和面板易局部皺曲的問題，文獻[44]和[45]設(shè)計了2種沙漏夾芯結(jié)構(gòu)，分別為單層和多層，并通過改變桿件細長比、節(jié)點間距進而解決上述問題。針對該結(jié)構(gòu)制備，F(xiàn)eng等已經(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，并將測量結(jié)果與分析預(yù)測進行了比較。結(jié)果表明，低相對密度沙漏夾芯的面外壓縮峰值強度高于金字塔夾芯強度。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、汽車被動安全方面具有優(yōu)異的綜合性能，在汽車設(shè)計中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

從力學性能和質(zhì)量利用效率方面出發(fā)，CFRP作為一種先進復(fù)合材料，其制備的蜂窩結(jié)構(gòu)將從母材方面進一步提升結(jié)構(gòu)力學性能。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，而對于其它類型夾芯結(jié)構(gòu)以及具有較為復(fù)雜拓撲構(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)，并對其結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學性能進行分析研究，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)，及其動態(tài)力學性能相關(guān)研究則偏少。

在調(diào)研目前國內(nèi)外研究成果之后，結(jié)合當前對這一研究的認識與研究基礎(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材料的基體，由此涉及到的疲勞等課題的研究也需要進一步深入進行。

（3）對于夾層結(jié)構(gòu)，目前多考慮其力學性能，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)計時，應(yīng)該對環(huán)境因素進行充分考慮，特別是火災(zāi)，因此需要將熱管理、噪音和雷達波吸收功能特點，靈活應(yīng)用在不同的車輛設(shè)計中。

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

作者：盧春達，劉百川，馬文婷，梁鴻宇，馬芳武

來源：《汽車文摘》

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