4　細(xì)觀尺度蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計

在細(xì)觀尺度，文章歸納了三種蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略，即混雜策略、彎曲策略和增強策略，并定量分析了這些設(shè)計策略對蜂窩機械性能的影響。

I （1）混雜策略：

混雜設(shè)計是將現(xiàn)有的不同形式的單胞布局連接起來，形成新的結(jié)構(gòu)布局。新的混雜蜂窩在保留了原有蜂窩特性的基礎(chǔ)上，還可以實現(xiàn)更好的甚至是經(jīng)典構(gòu)型無法實現(xiàn)的新功能。

混雜策略是一種高效可靠的細(xì)觀設(shè)計方法，理論上，任何兩個或多個基本構(gòu)型都可以連接在一起，形成具有多種連接類型的新型混雜單元。因此，只要充分發(fā)揮研究人員的想象力，研制出新型混合蜂窩的可能性是巨大的。

圖9 不同的混雜蜂窩結(jié)構(gòu)

圖10. 混雜蜂窩與相應(yīng)的常規(guī)經(jīng)典蜂窩的力學(xué)性能對比，包括彈性模量 E、壓縮強度σ和比能量吸收 SEA

I （2）彎曲策略：

自然界中有許多許多曲面結(jié)構(gòu)，例如貝殼、啄木鳥的喙、龜殼和甲蟲的前翅，這些曲面結(jié)構(gòu)在經(jīng)過億萬年的進(jìn)化后在自然生物中發(fā)展起來，具有很高的剛度/強度和能量吸收效率。近年來，借助曲面結(jié)構(gòu)和仿生方法，研究人員已經(jīng)提出了一些具有曲面結(jié)構(gòu)特征的輕質(zhì)蜂窩。

圖11 自然界中的曲面結(jié)構(gòu)

常見的曲面蜂窩結(jié)構(gòu)有圓形、正弦曲線構(gòu)型、U型、V型等，如圖12所示。圖13對比了曲面蜂窩與相應(yīng)的規(guī)則蜂窩之間的機械性能對比。比率主要集中在1和4之間。曲面設(shè)計可改善部分構(gòu)型的彈性模量、壓縮強度和比吸能特性。研究表明，彎曲策略是一種有效的擴大蜂窩材料力學(xué)性能范圍的設(shè)計方法。

圖12 曲面蜂窩結(jié)構(gòu)

圖 13 曲面蜂窩與相應(yīng)規(guī)則蜂窩的力學(xué)性能對比，包括彈性模量 E、壓縮強度σ和比能量吸收 SEA

I （3）增強策略：

增強策略是通過人為增加一些加強支柱或局部增強來提高蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。例如調(diào)整單胞的厚度、改變接頭的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或增加額外的曲面筋條等，如圖14所示。

圖 15 顯示了帶有加強支柱的蜂窩與常規(guī)經(jīng)典蜂窩之間的力學(xué)性能差異。性能比率主要集中在1到8之間。由于加強支柱設(shè)計，部分構(gòu)型的彈性模量、壓縮強度和比能量吸均有所提升。

圖 14. 增強支柱蜂窩：（a）具有漸變壁厚的四邊形蜂窩；(b) 雙材料凹面蜂窩 ；(c) 改進(jìn)連接鉸鏈的凹面蜂窩；(d) 改進(jìn)連接鉸鏈?zhǔn)中苑涓C；(e) 具有垂直加強筋的凹六邊形和雙 V 形蜂窩；(f) 具有水平加強筋的六邊形和凹六邊形蜂窩

圖15 帶有加強支柱的蜂窩與相應(yīng)的常規(guī)蜂窩力學(xué)性能對比，包括彈性模量 E、抗壓強度σ和比能量吸收 SEA

 5　小結(jié)

文章綜述了提高機械性能的先進(jìn)蜂窩設(shè)計的最新研究進(jìn)展，討論了當(dāng)前先進(jìn)蜂窩的機遇和挑戰(zhàn)。蜂窩材料已成為各種潛在工程、生物醫(yī)學(xué)和納米制造應(yīng)用的熱點。然而，復(fù)雜蜂窩的制造技術(shù)仍然具有挑戰(zhàn)性，先進(jìn)設(shè)計在改善蜂窩特性方面的應(yīng)用仍然有限。許多潛在的應(yīng)用仍處于概念設(shè)計階段，需要更多的實驗測試。隨著相關(guān)研究的進(jìn)一步深入，蜂窩材料將在建筑、汽車、軌道交通、船舶、航空、航天、衛(wèi)星、醫(yī)療等領(lǐng)域大放異彩，開啟更輕、更強、多功能的材料新時代。

原始文獻(xiàn)：Chang Qi, Feng Jiang, Shu Yang,Advanced honeycomb designs for improving mechanical properties: A review,Composites Part B: Engineering,Volume 227,2021,109393,ISSN 1359-8368, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109393.

(責(zé)任編輯：admin)

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