随着现代航空航天领域科学技术的发展，各国在高超声速飞行器、隐身飞机等高精尖领域的竞争越来越激烈。面对独特的服役环境和性能需求，高性能飞行器对自身结构设计提出了轻量化、功能化与智能化的需求。复合材料点阵结构正是满足这种需求的潜在结构材料之一。
点阵结构是由杆、板等微元件按一定规则重复排列构成的高孔隙率、高连通性、低密度的空间板杆结构，具有高比强度、高比刚度以及空间可设计性强等特点。纤维增强树脂基复合材料点阵结构（以下简称复合材料点阵结构）是在此基础上发展的一种复合结构，既具有传统点阵的结构特点，又兼具复合材料质轻、高强的优势，有着减重、承载、吸能、热量耗散以及耐冲击等多项优异性能，在吸波材料、导热介质、储能介质等方面均具有潜在应用价值。
对于复合材料点阵结构，制造技术是确保结构性能的关键。复合材料点阵结构的制备过程中，材料成形与几何结构成形是同时进行的，因而结构性能受工艺影响极大。不合理的工艺环节将导致结构误差与材料缺陷，进一步影响结构的性能与应用。近年来，国内外学者已经在复合材料点阵结构的制备技术上做了众多工艺探索，然而距工程应用还需要克服生产效率低、产品稳定性差等诸多困难。
《航空学报》期刊中发表的《树脂基复合材料点阵结构的制造技术研究进展》一文，从复合材料点阵结构、制备技术与关键技术等方面着手，梳理了近年来各国学者在复合材料点阵结构制造工艺上取得的成果，以期为复合材料点阵结构进一步走向工程应用提供参考。
复合材料点阵结构
2001年，普林斯顿大学的Evans、哈佛大学的Hutchinson、剑桥大学的Fleck、Ashby以及佛吉尼亚大学的Wadley等在多孔固体结构的基础上，联合提出了点阵结构的概念。区别于非周期性泡沫等低密度多孔结构，点阵结构是以周期性杆件为连接单元、空间连通的多孔结构，更轻的同时也更加具有可设计性。自此国内外众多学者开展了金属点阵设计、制备与性能的讨论。与金属点阵结构相比，复合材料点阵结构由于制备技术复杂而起步稍晚。2004年，杨卫等提出了复合材料点阵结构的概念与制备方法，不仅讨论了惯性矩、密度以及比刚度等不同目标函数下的尺寸优化结果，而且成功制备了碳纤维穿插点阵构件，如图1(a)所示。2007年，Finnegan等在金属点阵结构的启发下，设计并 制备了复合材料金字塔型点阵结构，也是至今为止经典点阵构型之一，如图1(b)所示。 图1 早期复合材料点阵结构 Finnegan和George等通过对复合材料金字塔点阵结构抗压、抗剪等力学性能的分析与验证，将其结构性能补充到了Ashby混杂材料性能图之中，如图2所示。在密度区间内，复合材料点阵结构抗压、抗剪比强度均优于复合材料蜂窝 结构，相应的比刚度也与复合材料蜂窝结构相当，而优于其他结构，可见其补充了轻质、高强的材料空白区域。 图2 Ashby混杂材料的力学性能图 随后越来越多的国内外学者投入到复合材料点阵结构设计制造的研究中，复合材料点阵构型越来越丰富。初期点阵构型主要以四面体、 Kagome、八面体等简单桁架类构型或相关变体为主，如图3所示，研究工作主要集中在结构抗压、抗剪等力学性能领域的表现。随着探索领域的扩展与研究工作的深入，复合材料点阵功能与构型设计逐渐复杂，出现了六面体结构、泡沫增强M形结构、十字胞元结构、双箭头负泊松比结构以及折纸型结构。 图3 复合材料点阵结构构型
研究亮点
1. 总结了复合材料点阵结构的现有制备技术及特点 复合材料成形技术相对复杂，且对机械加工比较敏感，制造成本普遍偏高，常见工艺主要有手糊成形、预浸料成形、模压成形、热压罐成形、纤维缠绕成形、RTM成形以及拉挤成形等。相较于一般复合材料构件，复合材料点阵结构同时具备微观组分、细观杆件以及宏观构型，具有多材料、跨尺度、多功能集成等特征，因而其制造工艺也较一般复合材料构件更加复杂。点阵结构通常作为芯体传递载荷，并可与高强度面板相结合形成夹芯结构。面板与芯体之间存在较大尺寸差异与结构差异，相互独立的同时又兼具耦合关系。因而点阵结构成形过程中，点阵面、芯制备及其连接关系是需要着重解决的关键问题。 根据核心工艺特点，现有复合材料点阵结构制造技术可归纳为两大技术路线：一类借鉴金属点阵制备方法，借助切割、嵌锁、组装等方式制备点阵芯体，如组装工艺；另一类则是结合各种复合材料成形技术开发的制备技术，如模压工艺等。为了厘清现有点阵结构制备技术现状，本文以成形点阵芯体的核心工艺为视角，梳理了现有复合材料点阵结构的代表性制造技术，将其分类为：模压技术、组装技术、穿插编织技术以及原位成形技术，如图4所示。以下将对这四类工艺具体阐述。 图4 复合材料点阵结构制造技术的分类 1.1 模压成形技术 模压成形技术是将一定量的预浸料放入到模具模腔中，在一定温度和压力作用下，使预浸料受热软化、受压流动并充满模腔，最终固化成形的过程。在利用模压成形技术制备点阵结构时，如何将片状预浸料加工成为点阵芯体中的支撑杆件是关键步骤。根据点阵芯体成形特点，现有如下3种方式：卷制芯体、叠层芯体以及2D预制芯体。 卷制芯体是指将裁切好的片状预浸料卷成圆柱状结构，再通过组合模具将圆柱状结构与片状预浸料面板相连接，从而在热、压共同作用下整体固化成形的过程。 叠层芯体是利用长条形预浸料多层交叉铺放获取点阵几何特征的制备技术，即[Xiong等]开发的二次成形技术。 2D预制芯体通过切割预浸料层合板获取点阵几何特征。该过程制备的芯体、所需模具以及结构如图5(c)所示。 图5 不同模压工艺制备复合材料点阵结构的对比 1.2 组装技术 组装技术是将点阵结构胞元视作一个个“零件”，在完成胞元的制备后，通过嵌锁、粘接等工艺将胞元组装成点阵结构。根据基础胞元的不同，组装工艺分为连续胞元组装技术与离散胞元组装技术。 连续胞元组装技术流程通常为：通过模压成形工艺等预先制备复合材料板，包括平板，波纹板、曲面波纹板等；利用机械加工技术切割复合材料板，获得具有嵌锁槽的连续胞元；胞元之间通过嵌锁、粘接等工艺组装成完整芯体；最后再与面板通过嵌锁、粘接工艺组装成完整结构，成形示例如图6所示。示例中，[Gao等]设计了一种具有负泊松比变形特性的高刚度点阵结构，利用拼接组装工艺成功制备了样件，单轴载荷下，该结构不仅具有良好的承载能力，还具有明显的负泊松比效应。 图6 负泊松比复合材料点阵结构的制造工艺流程 连续胞元组装技术工艺简单，易于操作，在点阵构型设计方面具有较大的灵活性，从简单的金字塔型点阵结构，到复杂的多层级点阵结构，从宏观平面结构到宏观曲面结构，均可以通过设计切割单元、组装方式获取。 在材料选择方面，连续胞元组装技术原料也具有较大灵活性，并不局限于复合材料层合板。[Fan等]以编织夹层复合材料板为一级结构，将其切割成可以嵌锁的胞元，组装后形成了层级点阵结构，该结构具有优越的抗压性能，如图7(c)所示。[Yin等]以低成本泡沫夹层材料为芯体原材料，制备了新型的拉伸-弯曲混合型层级点阵结构，其结构效率优于传统的方形蜂窝和波纹夹层结构。[Xu等]利用天然亚麻编织纤维增强复合材料制备了低成本、可回收的层级点阵结构。从以上内容可以看出，连续胞元组装技术兼顾了单胞结构与整体结构的配合与协调，结合灵活的机械加工工艺，在曲面结构成形、多材料、层级结构成形方面具有优势。 图7 连续胞元组装工艺制备的复合材料点阵结构 离散胞元组装技术是将单独加工成形的独立点阵胞元组装成点阵结构。前文所述的十字胞元结构便是一种离散胞元，通过组装可以实现结构的重建与再利用，如图3(g)所示。[Jenett等]面向变形机翼需求，设计制备了一系列二维离散胞元，其模块化的组装特点，具有可逆与空间协调的特性，单胞之间的柔性连接使整体结构变形成为可能，如图8所示。 图8 离散胞元组装技术 与传统点阵结构不同，离散胞元本身具有相对较大的独立性，通过不同的组装方式可以探索更多的宏观结构形式，带来类似增材制造的便利性。 1.3 穿插编织技术 穿插编织技术是基于丝束可以编织的特点，利用辅助工具将纤维丝束穿过预设的路径，从而获取点阵结构几何拓扑的一种工艺。根据材料工艺特点可以进一步分为干法穿插技术与湿法穿插编织技术。 干法穿插编织技术往往采用预浸料编织芯体构型，结合热、压固化即可完成整体结构的成形。[Che等]通过穿插编织的方法制备了八面体点阵结构。制备时，预浸料按照设计路径穿过上下面板的预制孔即得到了图9所示的拓扑单胞结构。 图9 预浸料穿插编织技术与单胞示意图 湿法穿插编织技术利用纤维丝束完成芯体构型的编织后，需要结合喷涂、浸润或RTM等工艺实现树脂与纤维丝束的融合，最后整体固化得到点阵结构。[Kim等]采用穿插编织技术制备了玻璃纤维增强复合材料八面体点阵结构，如图10所示，通过高温干燥后得到“干”结构，再将低粘度环氧树脂喷在纱芯上得到“湿”结构；接着，通过真空处理增强树脂渗透性、去除气泡；最后将整体结构放入电加热箱，实现整体结构的固化。[Lee等]在金属3D编织Kagome结构的基础上，设计了一种复合材料Kagome点阵结构的编织成形技术方法，如图3(b)所示。[Zhai和Zhang]利用编织工艺分别制备了玻璃纤维、凯夫拉纤维增强的多层八面体点阵结构，如图11所示。 图10 编织穿插工艺制备的八面体点阵结构 图11 编织穿插工艺制备的多层八面体点阵结构 穿插编织技术与RTM工艺相结合可以制备多材料层级点阵结构。Djama、Jia和Yan等以z-pin增强夹芯结构为工艺灵感，结合RTM工艺制备了点阵-泡沫混合的层级结构，结构的吸能与承载性能得以提升，同时具有更强的抗弯、抗剪性能。Wang等通过编织技术，设计并制备了单层、双层“8”字形点阵结构，如图12所示，在爆炸冲击载荷下，整体结构未发生面芯脱粘与面板破坏，具有优异的抗爆性能。穿插编织技术在制备变密度、多层级芯体结构时具有工艺优势，但是芯体杆件尺寸往往受限于丝束或预浸料带的尺寸规格，同时部分技术工艺流程复杂，树脂浸润困难，造成杆件表面质量较差的问题。 图12 单层与双层编织点阵结构空间几何特征 1.4 原位成形技术 与前述制备技术不同的是，原位成形技术侧重于实时性与自动化，在成形原理上与复合材料自动铺带、丝束缠绕成形等技术具有相似性。目前主要有两种原位成形技术，基于自动铺放技术的原位成形技术以及基于3D打印技术的连续碳纤维原位成形技术。 自动铺放成形是替代人工铺叠、提高质量和生产效率的先进技术之一，尤其适用于制造小曲率的大型复合材料构件，在航空航天领域有着广泛的应用背景。 [杨睿课题组]以高频涡流发热焊台为热源，开展了热塑性复合材料点阵结构原位成形技术研究，成功实现了具有细小杆件、大曲率转角等几何特征的金字塔型点阵结构的自动铺放，其铺放原理与成形样机如图13所示。 图13 原位成形技术原理与成形样机 连续纤维3D打印技术是一项以连续纤维为基础耗材的先进制造技术。通过规划打印头在X-Y平面内的走丝路径，可打印多种先进二维格栅结构。 [Liu等]开发了一种悬空连续纤维3D打印点阵结构的工艺方法。一方面，设计了细长打印喷嘴，不仅能够更好地融合丝束与树脂，更能够避免喷嘴运动与已打印结构之间的干涉，如图14所示。另一方面，通过对打印过程中材料的变形机理研究，修正了打印路径，从而达到了悬空打印点阵芯体结构的目的，如图15所示。 图14 打印头工作原理示意图 图15 连续碳纤维3D打印点阵结构工艺流程 Eichenhofer等采用悬空打印技术制备了点到点的非连续型点阵结构，拥有应用于变体机翼的概念设计与制造的潜力，如图16所示。 3D连续碳纤维打印技术具有高自动化、高连续性的优点，具有自动化生产、可监测等潜在优势，但是杆件精度与成形质量相对较差，成形尺寸、纤维含量也受到连续丝束的限制。 图16 非连续型点阵结构 2. 分析了复合材料点阵结构制造技术中的关键工艺 2.1 模具的设计与应用 复合材料点阵结构成形模具的材料与结构具有多种形式，为点阵构件的制造提供了多种多样的手段与方法。常见模具主要有组合模具、消失模模具以及功能模具。 组合模具常见于模压成形工艺中，模具结构设计时需要综合考虑点阵几何特点、成形压力以及温度场分布等因素，同时需要具有便于拆卸组装、受热不变形以及表面光洁等特点。组合模具的拆除如图17(f)和17(g)所示，可见其几何结构复杂性。 图17 卷制芯体模压成形技术流程 金属模具成形精度高，成形产品质量好，但同时成本也较高。[Tao等]尝试了3D打印聚酰胺模具，并成功应用于智能可重构点阵结构的制备。非金属模具不仅可以有效的降低成本，而且可以灵活地匹配点阵结构的设计与开发，如图18 所示。 图18 3D打印的模具 消失模在应用时无需进行复杂的脱模工作，常由盐块、蜡块制成，通过水流或加热等方式即可完成脱模。配合穿插编织、RTM等复合材料成形工艺可以制备出具有复杂拓扑特征的点阵结构，如图19所示的点阵结构便是由Umer等利用消失模所制备。 图19 利用消失模制备的复杂拓扑特征点阵结构 功能性模具是指不需要脱模工艺，与结构一体成形后留在结构中实现部分功能的模具，常采用泡沫材料制成。[George等]以带有沟槽的预制泡沫作为模芯，分别将碳纤维丝束、玻璃纤维丝束等编织成不同尺寸的纤维束，沿模芯沟槽编织定位，经过RTM一体成形后得到层级复合结构。其中泡沫不仅起到了编织纤维时的定位作用，同时也作为实现点阵吸能等功能的一部分，其编织过程如图20所示。 图20 功能性泡沫模具 2.2 机械加工工艺 复合材料具有非均质和各向异性的特征，是典型的难加工材料。机械加工时，既需要保证高强度纤维有效切断，又需要避免相对强度较低的树脂发生难以控制的开裂损伤。在复合材料点阵组装成形技术中，机械加工工艺是必不可少的一环，常见的机械加工方式有：水切割、激光切割以及数控切割。 [Liu等]利用两种机械加工方法制备了一种新型八面体点阵结构：其一，采用水切割方式制备搭接头平面单体，这些单体经过组装后形成空间搭接头；其二，采用CNC技术对前述搭接头的凸出部分进行加工，以适应中空管状杆件的尺寸。最终整体结构通过搭接头与中空管状杆件的拼接成形，如图21所示。由于点阵结构的杆件尺寸较小、复合材料的非均匀性以及各向异性等特点，切割质量对于杆件的尺寸精度、材料损伤和装配过程影响极大，同时还需注意切割工艺带来的成本问题。 图21 数控加工技术辅助制备点阵结构 2.3 连接工艺 如何保证面芯之间、芯体之间可靠连接进而发挥结构整体性能的优势，是决定复合材料点阵结构能否走向成功应用的关键性因素之一。面板与芯体在连接时没有固定的工艺，常常根据几何结构、材料属性以及芯体成形技术的不同而灵活选择连接工艺，主要有粘接/焊接与一体成形两条技术路线，芯体之间则常用嵌锁组装的工艺相连接。 [Hu等]提出了一种制备CF/PEEK金字塔点阵结构的原位热压连接方式。该方法首先将面板与芯体各自成形，在钢制垫块支撑和周向夹具限位作用下，将成形后的芯体与面板原位热压，从而实现面芯熔融粘接，其熔融粘接过程如图22所示。落锤试验的结果显示该结构失效方式表现为杆件屈曲、断裂或面板分层、开裂，并未出现面芯脱粘的情况。 图22 胶粘与熔融粘接工艺流程对比 在模压成形与穿插编织工艺中，常通过杆件末端或纤维末端埋入面板共固化从而实现面芯一体成形。面芯一体成形工艺也常常离不开RTM工艺的参与，[Jishi等]在利用消失模工艺时，面芯经过纤维穿插编织等工艺定位为一体后，通过RTM工艺将树脂注入到整体结构中，从而实现面芯一体成形，其成形过程如图23所示。 图23 RTM辅助成形工艺 在拼接组装工艺中，通过机械加工等方式制备点阵胞元后，常采用嵌锁-组装工艺，或借助插销等结构实现胞元之间的连接。例如[Xu等]采用注塑工艺制备十字形杆件胞元，杆件中心与末端具有圆孔，方便利用插销将胞元连接在一 起，如图24所示。[Zhao等]在此基础上，进一步将嵌锁-组装工艺与超声焊接技术相结合，将面板与组装胞元焊接在一起，制备了点阵夹层结构，提高了整体结构的抗压性能。 图24 离散胞元组装工艺 3. 分析了复合材料点阵结构制造技术中存在的问题 复合材料点阵结构由于材料与几何的复杂性，各制造技术往往具有各自的优缺点。为了便于分析，现选取了几个典型工艺案例进行了对比，如表1所示。从表中对比可知： 模压技术与编制穿插技术更易实现面芯一体成形，对于提高点阵抗剪切性能有着相对更大的工艺优势。同时，模压工艺还具有良好的芯体成形质量，而穿插编织成形技术受到树脂浸润难度大等工艺制约，整体结构表面光滑度较差、尺寸误差与缺陷含量较高，但是整体结构设计相对自由，成本较低，可以成形多层复杂结构。 组装成形工艺在复合材料的选材、点阵构型设计上更加具有优势，能够轻松实现多级、多材料点阵结构的制备，但是其中存在的大量机械加工环节也进一步引入了结构误差与缺陷，同时嵌锁的节点处容易产生应力集中等现象，影响点阵结构的力学性能。 不同于以上工艺，原位成形技术在自动化、可监控等方面有着独特的优势，但是目前在材料-结构设计、成形质量以及面芯连接方面还存在诸多限制，仍有待于进一步提升。 除此之外，当前工作往往缺乏成形理论分析、工艺误差与缺陷研究以及规模化的低成本、高效率的制造工艺开发，进而制约复合材料点阵结构制造工艺的发展，以下将对此进行具体阐述。 3.1 成形理论缺失 目前的大部分研究工作均集中在成形方法上，缺乏对成形理论的进一步剖析，从而造成制备技术无法进一步优化与创新。因此，建立力/热共同作用下整体结构的传热、传压理论模型，厘清应力分布与变形机理就显得尤为重要。 3.2 成形误差与缺陷分析 复合材料点阵结构成形过程中，由于树脂的流动、纤维与树脂热膨胀系数差异等原因，常常导致成形误差与缺陷。目前的研究工作中虽然已经关注到了工艺可能带来的误差与缺陷，但是却缺少二者形成原因与工艺参数影响规律的研究，无法进一步分析结构受误差影响的性能形成规律。因此，明晰基础材料与结构之间的尺度关系、探明制造过程中材料缺陷与尺寸误差的产生原因，进一步从源头提出误差补偿和缺陷抑制等方法，突破成形工艺的局限性仍然是亟待解决的关键问题。 3.3 成形效率低、成本高 复合材料点阵结构成形技术研究多集中在实验室样件试制层面，由于受到场地、设备以及人工等方面的局限，致使当前制备技术仍然未走向实际工程应用。因而当前工作距离实现复合材料点阵结构低成本、标准化、批量化生产还有不短的一段距离。
研究展望
复合材料点阵结构作为一种结构效率极高的先进结构形式，从材料和几何构型两个方面满足了高性能装备对结构减重、承载的需求，同时具有隔热吸波等多重复合功能设计优势。然而目前的制备技术还不成熟，无法进一步实现点阵结构的高质量批量化生产，限制了复合材料点阵结构从实验室走向工业应用。同时，随着多功能、多层级复合材料点阵结构的发展，这也对成形技术提出了更高的要求。根据对现有工艺的分析，从以下角度对复合材料点阵结构的发展趋势进行展望： 1.成形理论的建立与完善 成形理论是制造技术的基础。立足复合材料点阵结构的几何与材料特点，基于成形机理分析，建立传热、传压以及应力变形等描述成形工艺的各种物理、化学模型与数学模型，在试验分析的基础上结合计算机模拟分析，掌握整体温度、压力、固化度等重要参数的变化规律，进而评估制造工艺的可行性与价值，针对不同工艺开展成形理论研究将是重要发展方向之一。 2.成形误差与缺陷的研究工作 面向具体制造技术，分析误差、缺陷形成规律与分布特征，进一步分析其对结构性能影响机制；建立各工艺环节与宏观性能关键参数的敏度关系，发展面向性能形成的非线性公差分配与缺陷评价方法。 3.开发高效、低成本制造技术 在现有工作基础上继续优化、创新成形原理，开展低成本、操作简单、高效的规范化制造工艺的研究，建立规范、可评价的标准化工艺流程；将先进复合材料、先进成形工艺代入到复合材料点阵结构的现有制造技术中来，提高制造效率，例如将激光焊接等加工工艺用于面/芯连接等；开发点阵成形专用装备，形成复合材料点阵结构高效、低成本的制造技术。 4.发展复合材料点阵结构智能制造技术 复合材料智能制造是将成形过程智能化的过程，通过对制造过程的物理、化学行为的大数据分析，自动化、智能化实时监测复合材料成形过程中的状态变化以实现整体成形质量最佳。复合材料点阵结构在宏细观复合特征影响下，成形质量所受影响因素众多，涉及固化问题复杂。若能基于工艺过程在线监测技术以及复合材料成形在线缺陷监测技术，开展点阵结构大规模缺陷快速检测，围绕缺陷大数据统计分析与深度挖掘，实现自动实时监测整体成形过程并自动调整工艺参数达到最佳，从而建立完善的复合材料点阵结构智能制造技术，这将具有重要的应用价值。 5.发展材料-结构-功能一体化的高性能制造技术 未来，复合材料点阵结构势必向着功能化、智能化发展，并面临着服役环境极端化、面形结构复杂化以及多功能集成化等需求，因此需要在设计源头考虑制造技术特点，与拓扑优化等先进设计手段相结合，建立面向性能的材料、几何与工艺的协同方法，积极探索材料适应度宽、抑制缺陷能力强、结构成形精度高、多材料复合成形性能好的材料-结构-功能一体化的新工艺与新技术，这将是实现复合材料点阵结构高性能制造并走向工程应用的必然选择。 来源：航空学报 > 2023, Vol. 44 Issue (9): 628255-628255 doi: 10.7527/S1000-6893.2023.28255. 作者：Jian HAN, Shiyong SUN, Bin NIU(), Rui YANG, Dongjiang WU，College of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology.
