近年來(lái)，人造多孔金屬材料種類不斷增多，在航空航天、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，以航空領(lǐng)域?yàn)槔?，很多結(jié)構(gòu)件要求具備特殊力學(xué)性能的同時(shí)還要滿足吸收沖擊能量、提供散熱等功能，多孔鋁等材料已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如點(diǎn)陣夾芯板結(jié)構(gòu)已經(jīng)作為緩沖吸能部件應(yīng)用于航天飛行器上。

目前，點(diǎn)陣材料的制備方式有激光3D打印、編織和鑄造等方法。其中，激光3D打印結(jié)果對(duì)激光打印參數(shù)依賴性較高，易出現(xiàn)打印缺陷，鑄造法工藝成熟、操作簡(jiǎn)單。

為了更好闡明彎曲主導(dǎo)性的金字塔型點(diǎn)陣金屬的應(yīng)力應(yīng)變行為及其吸能特征對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)依賴關(guān)系，從而為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)使其滿足實(shí)際應(yīng)用的需求提供參考，《熔模鑄造點(diǎn)陣Al的力學(xué)行為及吸能特性》一文的研究團(tuán)隊(duì)以工業(yè)純Al為基體，采用3D打印技術(shù)和熔模鑄造相結(jié)合的方法制備出不同長(zhǎng)徑比和夾角的金字塔型點(diǎn)陣Al（具體流程見(jiàn)圖1），并對(duì)其壓縮行為及吸能特性進(jìn)行了考察，相較于現(xiàn)在流行的3D打印方式制備多孔金屬，該方法制備的試樣缺陷更少，成本更低，制備方法更簡(jiǎn)便。

多孔金屬材料分為開(kāi)孔材料和閉孔材料兩種類型。

開(kāi)孔材料孔洞之間具有連通性，同時(shí)兼具吸聲、散熱、過(guò)濾等功能，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。開(kāi)孔金屬材料中兩個(gè)較為重要的分支為泡沫金屬和三維點(diǎn)陣金屬。在受力變形時(shí)，前者的變形機(jī)制是彎曲主導(dǎo)型，當(dāng)交接點(diǎn)處桿單元個(gè)數(shù)是12時(shí)，后者的變形機(jī)制是拉伸主導(dǎo)性，相較而言，點(diǎn)陣金屬具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能，如當(dāng)材料相對(duì)密度為10%時(shí)，點(diǎn)陣金屬的強(qiáng)度是泡沫金屬的3倍。但是從拉伸主導(dǎo)型點(diǎn)陣金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及變形特征可以看出，當(dāng)達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，桿件發(fā)生屈服，而出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，該特征不利于其在吸能方面的應(yīng)用。由于彎曲主導(dǎo)性的金字塔型點(diǎn)陣金屬的具有規(guī)則性排列的孔結(jié)構(gòu)，并且壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線上也沒(méi)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。所以研究彎曲主導(dǎo)性的三維點(diǎn)陣金屬材料具有重要的意義。

圖1 鑄造法制備點(diǎn)陣鋁試驗(yàn)流程示意

?1 試驗(yàn)過(guò)程

金字塔型點(diǎn)陣單胞是四棱錐頂對(duì)頂構(gòu)成，使用CATIA V5R20軟件設(shè)計(jì)出三維圖，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖2a和表1。金字塔型點(diǎn)陣材料的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：桿件長(zhǎng)度L、桿件的徑D、桿單元與單胞底面的夾角ω。作為多孔材料中的一種，相對(duì)密度是影響點(diǎn)陣材料力學(xué)性能的重要因素，其數(shù)值為ρ0 /ρs，其中，ρ0為制備得到的點(diǎn)陣材料的表觀密度；ρs為純鋁的密度。

以光敏樹(shù)脂為原料，采用光固化3D打印技術(shù)制備出點(diǎn)陣模型，然后以該模型為犧牲模，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%的工業(yè)純鋁為基體，通過(guò)熔模鑄造工藝制備出點(diǎn)陣Al。

該方法主要流程如下：把光敏樹(shù)脂點(diǎn)陣材料置于鑄鐵模具中，然后將一定配比的石膏漿料澆入點(diǎn)陣材料的孔隙內(nèi)，再經(jīng)過(guò)自然干燥、低溫烘干、高溫焙燒等過(guò)程，使光敏樹(shù)脂材料燒除、石膏固化，得到具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)型腔的石膏型。最后使用空壓機(jī)以一定的壓力將高溫鋁液壓入石膏型，自然降溫后，鋁液凝固后便得到點(diǎn)陣Al胚料，用高壓水槍沖洗石膏型，并用線切割技術(shù)切取X/Y/Z方向單胞個(gè)數(shù)分別為7/7/4的壓縮試樣，見(jiàn)圖2c。利用Instron 3369型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，壓縮方向是Z軸方向，壓縮速率為2 mm/min。

圖2 金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及點(diǎn)陣Al

（a）金字塔型單胞結(jié)構(gòu)參數(shù)；

（b）整體結(jié)構(gòu)圖；

（c）點(diǎn)陣Al

?2 結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)陣Al的壓縮應(yīng)力應(yīng)變行為

圖3、圖4是點(diǎn)陣Al的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，與拉伸主導(dǎo)性點(diǎn)陣材料不同的是，應(yīng)力應(yīng)變曲線在線彈性區(qū)過(guò)后沒(méi)有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，而是與一般彎曲主導(dǎo)性多孔材料相似，具有典型的3個(gè)區(qū)域，即線彈性區(qū)、應(yīng)力平臺(tái)區(qū)和致密化區(qū)。

在線彈性區(qū)，點(diǎn)陣材料桿單元僅發(fā)生彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，其線性值雖然沒(méi)有拉伸主導(dǎo)型點(diǎn)陣材料大，但是具有比開(kāi)孔泡沫鋁更強(qiáng)的線性關(guān)系，這種現(xiàn)象可能是由于其和開(kāi)孔泡沫鋁一樣是彎曲主導(dǎo)型多孔材料，但是又具有拉伸主導(dǎo)下點(diǎn)陣材料的規(guī)則性排列的結(jié)構(gòu)。

開(kāi)孔泡沫鋁的不規(guī)則排列使其在較低的應(yīng)力時(shí)，部分單胞就會(huì)發(fā)生局部屈曲。在線彈性區(qū)與應(yīng)力平臺(tái)區(qū)之間呈圓滑過(guò)渡，應(yīng)力平臺(tái)區(qū)內(nèi)應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣€(wěn)中有升，升高的幅度值會(huì)隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)而發(fā)生變化。

圖3 夾角為60°時(shí)長(zhǎng)徑比對(duì)試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

由圖3可見(jiàn)，夾角為60°時(shí)，長(zhǎng)徑比增大，相對(duì)密度減小，平臺(tái)區(qū)應(yīng)力上升的幅度值在減小，流動(dòng)應(yīng)力下降。這種現(xiàn)象是由于相對(duì)密度越小，其孔隙率越高，在壓縮的過(guò)程中局部桿件不容易發(fā)生提前接觸導(dǎo)致的。對(duì)于金字塔型點(diǎn)陣材料，當(dāng)夾角和長(zhǎng)徑比相同時(shí)，其流動(dòng)應(yīng)力基本不變。本研究中，長(zhǎng)徑比增加是保持桿徑不變，而增大桿長(zhǎng)。當(dāng)夾角不變時(shí)，長(zhǎng)徑比增加就相當(dāng)于桿長(zhǎng)不變而使其桿徑變粗，從而使得在相同的應(yīng)變時(shí)，試樣能夠承受更大的力，因此長(zhǎng)徑比越小流動(dòng)應(yīng)力也就越大。值得關(guān)注的是，流動(dòng)應(yīng)力與長(zhǎng)徑比并非嚴(yán)格的反比例關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?/span>0.3時(shí)，長(zhǎng)徑比由4.1降至3.5，流動(dòng)應(yīng)力由6.2 MPa上升至15 MPa。另外，流動(dòng)應(yīng)力值與相對(duì)密度也并非線性關(guān)系，當(dāng)相對(duì)密度由0.33增加至0.51時(shí)，其流動(dòng)應(yīng)力值由6.2 MPa上升至23.6 MPa。此現(xiàn)象說(shuō)明長(zhǎng)徑比對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響要大于對(duì)相對(duì)密度的影響，所以可以在相對(duì)密度變化不大的情況，適當(dāng)減小長(zhǎng)徑比來(lái)獲得更大的流動(dòng)應(yīng)力值。

圖4 長(zhǎng)徑比為3.5時(shí)夾角對(duì)試樣壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

由圖4可見(jiàn)，長(zhǎng)徑比為3.53時(shí)，隨著夾角的增大，點(diǎn)陣Al流動(dòng)應(yīng)力上升。這是因?yàn)樵谠嚇映叽缦嗤那闆r下，夾角越大，單胞個(gè)數(shù)會(huì)越多，從而導(dǎo)致相對(duì)密度增加，所以流動(dòng)應(yīng)力也就越大。從表1中也可以看出，在長(zhǎng)徑比一定，角度在60°~65°之間時(shí)，角度在變化幅度不大時(shí)，可以使得相對(duì)密度發(fā)生較大的變化，從而使得流動(dòng)應(yīng)力值發(fā)生較大的變化。另外，通過(guò)受力分析可以看到，夾角增大時(shí)，桿件在豎直方向受到的分力會(huì)變大，同時(shí)水平方向受到的分力又減小，所以更不容易發(fā)生屈服，從而導(dǎo)致其流動(dòng)應(yīng)力更大。

2.2 Al基點(diǎn)陣材料的吸能特性

圖5、圖6為點(diǎn)陣Al的單位體積吸能曲線。可以看出，點(diǎn)陣Al的單位體積吸能量隨著應(yīng)變的增加而增加。在線彈性區(qū)，點(diǎn)陣Al的吸能量較少；進(jìn)入平臺(tái)區(qū)后，點(diǎn)陣Al的吸能量明顯增加，這是因?yàn)樵谳^寬的應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)力值很大并且變化較??；進(jìn)入致密化區(qū)后，應(yīng)力增加很大，這是因?yàn)辄c(diǎn)陣Al孔洞基本被壓實(shí)，盡管其吸能量仍在增加，但是該部分吸能主要靠致密Al基體吸收，并沒(méi)有對(duì)所需要被保護(hù)的物體起到保護(hù)作用。

圖5 夾角為60°時(shí)長(zhǎng)徑比對(duì)試樣單位體積吸能曲線的影響

所以，點(diǎn)陣Al有效的單位體積吸能是致密點(diǎn)時(shí)的單位體積吸能。角度為60°時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比的增加，點(diǎn)陣Al的能力吸收能力逐漸降低。這是由于應(yīng)變相同時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比的增加，點(diǎn)陣Al的應(yīng)力變小導(dǎo)致的，見(jiàn)圖5。當(dāng)長(zhǎng)徑比為3.53時(shí)，夾角增大，相對(duì)密度增大，流動(dòng)應(yīng)力值也變大，所以點(diǎn)陣Al的單位體積吸能量增強(qiáng)，見(jiàn)圖6。

圖6 長(zhǎng)徑比為3.5時(shí)夾角對(duì)試樣單位體積吸能曲線的影響

能量吸收效率曲線見(jiàn)圖7和圖8。與單位體積吸能曲線不同是，隨著應(yīng)變的增加，能量吸收效率出現(xiàn)了先上升后下降的變化規(guī)律。在彈性區(qū)和平臺(tái)區(qū)，隨著應(yīng)變?cè)黾?，能量吸收效率逐漸增大；能量吸收效率達(dá)到最大值時(shí)的應(yīng)變是致密點(diǎn)的應(yīng)變。在致密化點(diǎn)附近時(shí)，能力吸收效率變化緩慢，并且維持較高的水平。這是因?yàn)閺钠脚_(tái)區(qū)進(jìn)去致密化區(qū)也是圓滑的曲線，而沒(méi)有非常明顯的致密化點(diǎn)。進(jìn)入致密化區(qū)后，能量吸收效率開(kāi)始下降，這是由于應(yīng)力值增加速度要大于相對(duì)的能力吸收值導(dǎo)致的。

圖7 夾角為60°時(shí)長(zhǎng)徑比對(duì)試樣能力吸收效率曲線的影響

從圖7可以看出，在應(yīng)變小于0.3時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比的增加，能量吸收效率逐漸增加，但是當(dāng)應(yīng)變大于0.45時(shí)，長(zhǎng)徑比為3.5時(shí)能量吸收效率最高，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)徑比為2.9和3.5時(shí)，其致密化點(diǎn)的應(yīng)變均為0.51，而長(zhǎng)徑比為4.1時(shí)，其致密化點(diǎn)的應(yīng)變是0.48。說(shuō)明夾角不變，應(yīng)力平臺(tái)的長(zhǎng)度與長(zhǎng)徑比不是正比例關(guān)系。不同的是，當(dāng)長(zhǎng)徑比不變時(shí)，隨著夾角的增大，致密化點(diǎn)的應(yīng)變值變化不大，均在0.51附近，見(jiàn)圖8。致密點(diǎn)時(shí)的單位體積吸能量見(jiàn)圖9。可以看出，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑黾咏嵌然驕p小長(zhǎng)徑比可以提高致密點(diǎn)時(shí)單位體積的吸能。

圖8 長(zhǎng)徑比為3.5時(shí)夾角對(duì)試樣能力吸收效率曲線的影響

圖9 試樣的單位體積吸能

3 結(jié)論

（1）鑄造金字塔型點(diǎn)陣Al的應(yīng)力應(yīng)變行為與一般的泡沫Al相似，具有明顯的線彈性區(qū)、應(yīng)力平臺(tái)區(qū)和致密化區(qū)

（2）點(diǎn)陣Al的流動(dòng)應(yīng)力值隨著長(zhǎng)徑比的減小而增大，但是并非嚴(yán)格反比例關(guān)系。當(dāng)長(zhǎng)徑比一定時(shí)，夾角增加，相對(duì)密度增大，點(diǎn)陣Al流動(dòng)應(yīng)力上升。

（3）在致密化點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)陣Al的單位體積吸能量隨著長(zhǎng)徑比的減小而增強(qiáng)，隨著夾角的增大而增強(qiáng)。