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。
