金屬點陣材料的制備與性能應用研究進展

劉貝貝 朱佳旻 薛 珂 楊志廣 李振東

（周口師范學院化學化工學院，河南 周口 466001）

0 引言

金屬點陣材料是一種具有有序孔結構的多孔材料，與傳統的金屬泡沫和金屬蜂窩材料相比，金屬點陣材料具有更高的比強度、比剛度和單位質量吸能性，尤其是當相對密度較低時，金屬點陣材料具有尤為突出的質量效率和性能優勢，同時點陣中間連通的孔結構為集成多功能提供了極大的空間，具有隔熱降噪、減震、屏蔽電磁輻射等多功能特性，很好地滿足了對結構-功能一體化的需求，對航空航天、汽車及國民產業的發展具有重的理論研究意義和工程應用價值。本文總結了金屬點陣材料的制備方法及特點，分析了金屬點陣材料的性能應用，同時探討了金屬點陣材料的發展方向。

1 金屬點陣材料的制備方法

金屬點陣材料的許多特性在很大程度上受到其制備方法的影響，為了得到規則有序的多孔結構金屬點陣材料，人們開發了多種制備方法，主要有以下幾種。

1.1 熔模鑄造法

人們普遍認為，為減少鑄造缺陷，對形狀復雜的構件，主要采用陶瓷殼熔模鑄造。該方法是以可熔融或可揮發的石蠟或聚合物為模板，制備金屬點陣結構。首先采用聚合物制備出目標點陣結構，然后在聚合物點陣上涂覆耐火材料（一般為陶瓷漿料），待耐火涂料干燥固化后，通過蒸發或融化等方式去除芯部聚合物，從而得到目標點陣結構的型腔。該方法通常適用于低熔點、流動性好的鑄造合金（如鋁合金），所制備的點陣材料具有尺寸精度高、表面光潔、形狀結構多樣等優勢。然而，在傳統的熔模鑄造過程中，模具制備成本高且耗時。特別是對于幾何形狀極其復雜的部件，模具制造相當困難，同時針對非常小的直徑、高長寬比的點陣結構存在難以填充液態金屬的問題，容易產生缺陷，造成鑄件性能不好。

1.2 沖壓成型法

沖壓成型法是通過制備金屬模板，選擇相應尺寸的沖壓頭，利用沖壓頭將金屬板沖成含有六邊形或正方形的二維多孔平面點陣結構，將此二維多孔平面點陣結構用V型模具壓制折疊成為四面體或四棱錐點陣芯體結構，可作為夾層結構的夾芯材料，將此點陣芯體與面板進行通過焊接或者黏結技術形成夾層體系，即可制備出金屬點陣夾芯材料。該方法工藝簡單，金屬材料選擇廣泛，可以用來制備四面體和四棱錐點陣芯體，但也有一定的局限性，需要制造模具，成本較高，金屬板材浪費嚴重，且要經受劇烈彎曲變形，只適用于具有高延展性的材料。

1.3 金屬絲編織成型法

金屬絲編織成型法是使用金屬絲為原料來編織具有重復對稱幾何形狀的金屬多層結構。金屬絲編織技術具有操作簡單、成本低廉的優點。由于點陣單胞是由一根或幾根金屬絲組成的，所以金屬絲的尺寸（特別是直徑）決定著金屬點陣的最終尺寸。因此，無法獲得具有復雜幾何形狀和小孔隙的點陣結構。另一方面，如果金屬絲的直徑非常細（低到幾微米），制備過程將變得極其困難。此外，由于金屬絲不能自黏結，需要后處理，降低了生產效率。最重要的是該方法制備的金屬點陣存在構型單一、節點位置不牢固等缺陷，且該方法僅適用于可以拉絲的合金。

1.4 搭接拼裝法

搭接拼裝法是直接將金屬細管搭接拼裝成金字塔結構，并通過焊接技術將金屬細管與金屬面板焊接在一起，形成金字塔點陣夾芯板結構。與實心桿材相比，中空管材具有更大的截面慣性矩，因而制備出的點陣夾芯結構擁有更高的比剛度和比強度。該方法可以取得更加優異的力學性能，但該方法對焊接技術要求較高，點陣結構單一，單胞尺寸大，結構穩定欠佳。

1.5 擠壓線切割法

擠壓線切割法是由擠壓和電火花加工兩種方法組合的復合方法，擠壓線切割法將合金經模具擠壓成芯和面板一體的夾芯金屬點陣結構材料，經過加熱軟化，擠壓成形設計好的模具，得到波紋夾芯結構，沿擠壓垂直方向上進行穿孔、切割通過線切割切除多余的部分，制備出點陣夾芯板結構材料。該方法免去了傳統方法制作點陣材料耗時長、后處理煩瑣、材料利用率低等不足，提高了效率，材料選擇廣泛，材料力學性能好，結構整體性突出，但該方法需要設計專門模具，對模具材料及性能要求較高，成本較高，材料浪費較大。

1.6 拉伸網折疊法

拉伸網折疊法是先將鋼板進行切割，然后再進行拉伸擴張形成菱形、三角形或者圓形等形狀制備出拉伸網，將拉伸網碾軋平整之后進行折疊處理形成點陣芯體，最后將芯體和面板焊接或者是黏結在一起，就制成了金屬點陣夾芯結構。這種制備方法對材料的利用比較充分，自然成本相對也不高，但是它和沖壓成型法一樣僅僅適用于延展性高的材料，加工的過程也比較麻煩，結構強度較低。

1.7 增材制造法制備點陣材料

增材制造技術通常被稱為3D打印，工藝采用逐層累加的制造方式，使其幾乎沒有材料浪費。在進行增材制造之前，將要制備部件的計算機輔助設計模型按所需層厚進行切片，這個復雜的三維部件就可以由一系列的二維切片組成。因此，增材制造可以實現傳統制造技術無法生產出的復雜結構，當制備具有復雜幾何形狀的零件，特別是制備點陣結構時，具有更高的靈活性。然而，制備過程中需要額外的支撐物以避免骨架固化前坍塌，增加了后處理工藝的復雜性，增材制造在制備大尺寸點陣材料時也存在一定的限制。

1.8 其他制備技術

除上述制備方法外，還采用其他制備金屬點陣材料的技術，如化學鍍法、卡扣法、電沉積法等。然而，這些方法在精度可控性、設計結構復雜、需要進一步裝配等方面往往存在不足。總而言之，所有傳統方法往往工藝流程較煩瑣且浪費原材料，具有一定的局限性。因此，迫切需要能夠克服這些缺點的新技術。

2 金屬點陣材料的性能應用

金屬點陣材料因其兼具結構和功能特性而備受人們的關注。金屬點陣材料的應用主要可分為兩類：結構應用和功能應用。結構應用主要包括生物醫學植入物、承重部件或緩沖吸能部件，而功能應用主要有熱交換器、催化劑載體和吸聲降噪等。

2.1 結構性能及應用

金屬點陣材料的密度大大低于傳統的固體材料，具有較高的孔隙率、較高的彈性和韌性、輕質高強的特點。同時結構孔隙形狀和孔隙大小可按需設計，結構有很強的設計性，可調范圍大，已經開始應用于航天和衛星結構中，也可以用于空間太陽能支撐板，以提高太陽能板的能量轉化效率。金屬點陣材料具有較高的比強度和比剛度，因此主要應用其力學性能。按應用目的不同，又可分為輕質結構部件和緩沖吸能部件兩大類。輕質結構的應用需要較高的比剛度和強度，而能量吸收部件需要在相對較低的強度下發生較大的塑性變形，將沖擊能轉化為熱能，金屬點陣材料是用作撞擊防護的優良材料。因此，針對不同的力學性能應用，通常需采用不同的結構設計、基體材料和制備方法。

2.2 功能特性及應用

2.2.1 熱學性能

金屬點陣材料獨特的有序結構具有更高的間隙換熱系數，在強對流條件下使其具有更好的熱交換性。金屬點陣材料可用于高密度熱流散熱結構，如果通過合理設計還可以實現傳熱和承載的雙重功能。此外，在孔隙中填充氧化鋁纖維等絕熱材料，還可以起到很好的隔熱作用，可用于航空航天、動力工程等領域的板翅式換熱器。

2.2.2 電磁波屏蔽性能

電磁波可以說是無處不在的，可用于探測、定位、通信等，在生活中應用極為廣泛。但電磁波在給人類帶來便利的同時，也帶來了電磁污染，威脅著人類健康，國防軍事中也需要對電磁波輻射泄漏進行屏蔽。金屬點陣材料具有較大的孔隙率，電磁波在點陣材料的孔隙界面上會發生反射和散射，會產生很大耗損，使其具有獨特的電磁屏蔽特性。另外，通過對金屬點陣結構優化設計重組，在點陣孔隙中填充吸波材料，使吸波材料周期性排列在空間中，可進一步提高金屬點陣結構的電磁波屏蔽性能。因此，金屬點陣材料在軍事隱身和電磁防護方面具有潛在應用。

2.2.3 吸聲性能

金屬點陣材料固有的多孔及長程有序的點陣結構特征使其成為一種具有特殊聲學性能的結構型材料，對入射聲能具有吸收作用，具有較強的減低噪聲性能。點陣材料吸聲性能與電磁波屏蔽機理相似，其較大的孔隙結構可增加聲波在孔隙中傳播時的損耗，即聲能轉化為熱能，聲音被材料吸收，可有效降低各類噪聲，而且當孔徑在0.1～0.5 mm之間時吸聲效果最佳，將多孔材料填入各種板狀材料組成的復合結構內，可提高隔聲能力并減輕結構重量，在航空航天、航海船舶以及陸上交通等領域有著十分廣泛的應用。點陣材料與傳統的纖維、泡沫材料等多孔吸聲材料相比，吸聲性能雖然還要有待提高，但點陣材料獨特的高比強度、高比剛度、耐高溫、抗老化、無毒等性能，使之作為吸聲材料具有更為獨特的應用前景。

2.2.4 其他性能

金屬點陣材料除了上述性能應用外，在形狀記憶領域、阻尼特性、催化劑載體、多功能集成、生物醫用和能源化學等領域也有廣泛應用。

3 結語

金屬點陣材料是一類結構設計性強、性能優異的新型輕質多孔材料，在眾多領域具有巨大的應用潛力。但絕大多數關于金屬點陣材料的制備與探索還處在實驗室理論研究階段，距離市場化規模生產及應用還有一定距離，且仍然存在許多不足：（1）金屬點陣材料的制備方法已有多種，優缺點共存，需要進一步改進制備方法，提高制備效率，降低能耗，節約成本，開發探索合理的適合工業推廣的制備工藝；（2）豐富金屬點陣材料結構的基本類型，通過計算模擬手段，優化結構設計，提高多孔結構制備精度，開發新型填充技術；（3）金屬點陣材料的獨特性能依然有待于開發與應用，需要探索合理的生產工藝，開發金屬點陣材料新的功能，拓寬其在工業領域的應用范圍。隨著人們對金屬點陣材料研究的不斷深入以及制備工藝的不斷改進，金屬點陣材料必將在各工業領域展現出更加廣泛的應用前景。