汽车轻量化碰撞安全材料：不一样的钛合金点阵结构!

对于工程实际而言，一种优秀的结构，需要强度，韧性，耐久性，静力学，动力学性能以及制造费用的完美平衡。点阵结构无疑正是这样一种满足需要的多功能结构，它通过大量周期性复制单个胞元进行生产制造，它的强度，韧性等力学性能可通过点阵的相对密度，胞元的形状、尺寸、材料，以及加载速率多种途径调节，甚至可以根据需要实现功能定制。

最近，UniversityofSheffield的ZuhalOzdemir等人(ZuhalOzdemir.Energyabsorptioninlatticestructuresindynamics:Experiments.IntJImpactEng2016;89:49-61.)设计了3种不同形状的点阵结构，探索了详细的制备过程，并首次通过实验得到了其静力学和动力学特性。

这3种结构的示意图如下所示，分别为立方形，钻石形及内陷形。

尽管看起来简单，制备工艺却相当复杂。该结构以钛合金为基质材料，采用EBM（电子束融刻）技术，加工精度可达45-110微米，甚至无需预热。加工完成后的结构如下图所示，尺寸均为25×25mm，相对密度分别为0.139，0.137，0.166。

下图所示则是这种结构单个最小胞元的外观图和横截面图。

材料制备完成，接下来要做的就是静力学实验了。实验采用25×25×5mm的试样尺寸，以0.2mm/min的速度进行轴向压缩。压溃的变形过程如下图所示，可以看出钻石形的点阵结构从最薄弱的底部开始破坏，而内陷形的点阵结构破坏形式则为底部和顶部同时发生。

同时，静力实验还得到了压溃过程中的应力-应变曲线，如下图所示。立方形的结构在压缩过程中，经过弹性变形阶段就发生了脆性破坏；钻石形结构和内陷形结构则比较相似，均经过了弹性和塑性变形两个阶段，最后达到致密阶段。

对于点阵结构的动态力学性能，文中则采用了HPB（霍普金森压杆）实验进行测试，如下图所示，分别是试样与冲击弹头分离和粘合后的HPB实验，冲击头还分别选取了两种不同的材料：钢和尼龙66，对应的冲击速度分别在7.3-8.9m/s和175-191m/s之间。

实验结果发现，对于单层的内陷形点阵结构，远端面（黑线）和冲击面（灰线）两种冲击方式结果相差不大，而冲击弹头不同时，钢弹头（左图）的冲击峰值为250MPa左右，低于尼龙66冲击弹头（右图）的300MPa。

在此基础上，又进行了5层点阵结构的HPB冲击实验。5层的钻石形点阵结构实验结果如下图所示，两种冲击方式和冲击弹头的不同选择，都会对试样的应力-应变曲线造成一定的影响。

而5层的内陷形点阵结构实验结果如下图所示，冲击面方式比远端面冲击导致更高的应力，尼龙66弹头比刚弹头能承受更高的应力。

总的来说，点阵结构在低速和高速下表现出了明显的率相关性，在承受不同材料的冲击时力学性能也不相同，并且表现出和蜂窝结构、金属泡沫相似的性能，这些实验的研究对于未来防护结构的设计、应用提供了很好的指导！