樹脂基復合材料點陣結構的制造技術研究進展

韓劍，孫士勇，牛斌，楊睿，吳東江

大連理工大學 機械工程學院，大連 116024

隨著現(xiàn)代航空航天領域科學技術的發(fā)展，各國在高超聲速飛行器、隱身飛機等高精尖領域的競爭越來越激烈。面對獨特的服役環(huán)境和性能需求，高性能飛行器對自身結構設計提出了輕量化、功能化與智能化的需求。復合材料點陣結構正是滿足這種需求的潛在結構材料之一［1］。

點陣結構是由桿、板等微元件按一定規(guī)則重復排列構成的高孔隙率、高連通性、低密度的空間板桿結構，具有高比強度、高比剛度以及空間可設計性強等特點［2-3］。纖維增強樹脂基復合材料點陣結構（以下簡稱復合材料點陣結構）是在此基礎上發(fā)展的一種復合結構，既具有傳統(tǒng)點陣的結構特點，又兼具復合材料［4］質(zhì)輕、高強的優(yōu)勢，有著減重、承載、吸能、熱量耗散以及耐沖擊等多項優(yōu)異性能［5-6］，在吸波材料、導熱介質(zhì)、儲能介質(zhì)等方面均具有潛在應用價值。

對于復合材料點陣結構，制造技術是確保結構性能的關鍵。復合材料點陣結構的制備過程中，材料成形與幾何結構成形是同時進行的，因而結構性能受工藝影響極大。不合理的工藝環(huán)節(jié)將導致結構誤差與材料缺陷，進一步影響結構的性能與應用。近年來，國內(nèi)外學者已經(jīng)在復合材料點陣結構的制備技術上做了眾多工藝探索，然而距工程應用還需要克服生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品穩(wěn)定性差等諸多困難。本文從復合材料點陣結構的發(fā)展、制備技術與關鍵工藝等3 個方面著手，梳理了近年來各國學者在復合材料點陣結構制造工藝上取得的成果，以期為復合材料點陣結構進一步走向實際工程應用提供參考。

1 復合材料點陣結構

2001 年，普林斯頓大學的Evans、哈佛大學的Hutchinson、劍橋大學的Fleck、Ashby 以及吉尼亞大學的Wadley 等［7］在多孔固體結構的基礎上，聯(lián)合提出了點陣結構的概念。區(qū)別于非周期性泡沫等低密度多孔結構，點陣結構是以周期性桿件為連接單元、空間連通的多孔結構，更輕的同時也更加具有可設計性。自此國內(nèi)外眾多學者開展了金屬點陣設計、制備與性能的討論。

與金屬點陣結構相比，復合材料點陣結構由于制備技術復雜而起步稍晚。2004 年，楊衛(wèi)等［8］提出了復合材料點陣結構的概念與制備方法，不僅討論了慣性矩、密度以及比剛度等不同目標函數(shù)下的尺寸優(yōu)化結果，而且成功制備了碳纖維穿插點陣構件，如圖1（a）所示。2007 年，F(xiàn)innegan等［9］在金屬點陣結構的啟發(fā)下，設計并制備了復合材料金字塔型點陣結構，也是至今為止經(jīng)典點陣構型之一，如圖1（b）所示。

圖1 早期復合材料點陣結構Fig. 1 Early composite lattice structures

Finnegan［9］和George［10］等通過對復合材料金字塔點陣結構抗壓、抗剪等力學性能的分析與驗證，將其結構性能補充到了Ashby 混雜材料性能圖之中，如圖2 所示。在密度區(qū)間內(nèi)，復合材料點陣結構抗壓、抗剪比強度均優(yōu)于復合材料蜂窩結構，相應的比剛度也與復合材料蜂窩結構相當，而優(yōu)于其他結構，可見其補充了輕質(zhì)、高強的材料空白區(qū)域。

圖2 Ashby 混雜材料的力學性能圖［9-10］Fig. 2 Mechanical property chart of Ashby hybrid material［9-10］

隨后越來越多的國內(nèi)外學者投入到復合材料點陣結構設計制造的研究中，復合材料點陣構型越來越豐富。初期點陣構型主要以四面體［11］、Kagome［12］、八面體［13-14］等簡單桁架類構型或相關變體為主，如圖3 所示，研究工作主要集中在結構抗壓、抗剪等力學性能領域的表現(xiàn)。隨著探索領域的擴展與研究工作的深入，復合材料點陣功能與構型設計逐漸復雜，出現(xiàn)了六面體結構［15］、泡沫增強M 形結構［16］、十字胞元結構［17］、雙箭頭負泊松比結構［18］以及折紙型結構［19］。其中，六面體點陣結構空間表現(xiàn)更加復雜，其制造得益于增材制造工藝的發(fā)展；泡沫增強M 形結構在點陣空隙填充了泡沫，通過抑制桿件屈曲增強了整體結構的強度、剛度以及能量吸收特性；十字胞元結構由單向纖維復合梁和環(huán)狀纖維承重孔構成，胞元之間通過四角的圓孔與中心的孔組裝而成。整體結構的組裝、修復與再利用，甚至添加異質(zhì)胞元過程均可以通過可逆組裝實現(xiàn)。結構整體性能也由組裝形式和組裝胞元性質(zhì)共同決定；雙箭頭負泊松比結構具有特殊的力學性能，在單軸壓力（拉力）作用下會發(fā)生橫向收縮（膨脹）變形，采用碳纖維增強復合材料制備的負泊松比結構兼具有良好的承載性能與負泊松比效應；折紙型點陣并不以桿件為構造基元，而是從折紙中吸取靈感，以面為基元設計制造整體點陣結構，擴展了點陣結構的含義與應用。

2 復合材料點陣結構制備技術

復合材料成形技術相對復雜，且對機械加工比較敏感，制造成本普遍偏高，常見工藝［20］主要有手糊成形、預浸料成形、模壓成形、熱壓罐成形、纖維纏繞成形、RTM 成形以及拉擠成形等。相較于一般復合材料構件，復合材料點陣結構同時具備微觀組分、細觀桿件以及宏觀構型，具有多材料、跨尺度、多功能集成等特征，因而其制造工藝也較一般復合材料構件更加復雜。點陣結構通常作為芯體傳遞載荷，并可與高強度面板相結合形成夾芯結構。面板與芯體之間存在較大尺寸差異與結構差異，相互獨立的同時又兼具耦合關系。因而點陣結構成形過程中，點陣面、芯制備及其連接關系是需要著重解決的關鍵問題。

根據(jù)核心工藝特點，現(xiàn)有復合材料點陣結構制造技術可歸納為兩大技術路線：一類借鑒金屬點陣制備方法，借助切割、嵌鎖、組裝等方式制備點陣芯體，如組裝工藝；另一類則是結合各種復合材料成形技術開發(fā)的制備技術，如模壓工藝等。為了厘清現(xiàn)有點陣結構制備技術現(xiàn)狀，本文以成形點陣芯體的核心工藝為視角，梳理了現(xiàn)有復合材料點陣結構的代表性制造技術，將其分類為：模壓技術、組裝技術、穿插編織技術以及原位成形技術，如圖4 所示。以下將對這4 類技術具體闡述。

圖4 復合材料點陣結構制造技術的分類Fig. 4 Classification of composite lattice structure manufacturing technologies

2. 1 模壓成形技術

模壓成形技術是將一定量的預浸料放入到模具模腔中，在一定溫度和壓力作用下，使預浸料受熱軟化、受壓流動并充滿模腔，最終固化成形的過程。在利用模壓成形技術制備點陣結構時，如何將片狀預浸料加工成為點陣芯體中的支撐桿件是關鍵步驟。根據(jù)點陣芯體成形特點，現(xiàn)有如下3 種方式：卷制芯體、疊層芯體以及2D 預制芯體。

2.1.1 卷制芯體

卷制芯體模壓成形技術是指將裁切好的片狀預浸料卷成圓柱狀結構，再通過組合模具將圓柱狀結構與片狀預浸料面板相連接，從而在熱、壓共同作用下整體固化成形的過程。以Yin等［21-22］工作為例，其卷制過程、所用模具以及典型結構如圖5（a）所示。卷制芯體的桿件截面呈圓形，碳纖維全部沿軸向分布，外表面光滑，可以實現(xiàn)面芯一體成形。既能夠制備空心桿件，又能夠制備含硅膠或軟木棒的混雜桿件，擴大了點陣結構比強度性能庫的同時，也可以實現(xiàn)點陣結構的多功能化。通過設計模具，Wang［23-24］、Li［25］、Xiong［26］等采用該工藝分別制備了直柱形、2D 斜桿型、四面體以及金字塔型等多種點陣芯體結構；Huang等［27］將聚氨酯泡沫填充在四面體點陣空間中，得到了抗沖擊性能明顯提高的多材料復合結構。

圖5 不同模壓工藝制備復合材料點陣結構的對比Fig. 5 Comparison of composite lattice structures prepared by different molding processes

2.1.2 疊層芯體

疊層芯體是利用長條形預浸料多層交叉鋪放獲取點陣幾何特征的制備技術，即Xiong等［28-29］開發(fā)的二次成形技術。在制備芯體過程中，首先將預浸料裁剪成一定尺寸的細長條；接著將其交叉鋪放在組裝好的下網(wǎng)架模具上，交叉鋪放2 層預浸料之后將上網(wǎng)架向下合模，同時采用硅膠軟模提高模具的密封性；之后，將疊層制備的芯體放入熱壓機中完成固化；最后在芯體與面板各自固化成形后，將二者膠粘在一起。該工藝制備的芯體、所用模具以及結構如圖5（b）所示。該工藝保證了桿件的成形壓力，芯體截面為矩形，纖維沿桿分布，但是在預浸料交疊處存在三角薄弱區(qū)域，芯體桿件可成形厚度受到一定限制。Sun［30］和Gao［31］等在此工作基礎上，進一步優(yōu)化了網(wǎng)架模具，使制備出的芯體結構具有一個長條形梁狀平面，增加了與面板的粘接面積，從而提高了面芯粘接強度。

2.1.3 2D 預制芯體

不同于上述卷制芯體與疊層芯體，2D 預制芯體通過切割預浸料層合板獲取點陣幾何特征。在制備過程中，先將一定尺寸預浸料按照正交鋪層達到一定厚度，再將鋪放好的層合板放在數(shù)控切割系統(tǒng)上按照既定路徑切割得到2D 預制芯體；接著將切割好的預制芯體放入到模具中，裝配模具上壓條，將預浸料面板覆蓋在模具的上下表面；最后將試件真空處理后放入熱壓罐中高溫固化，待模具冷卻后脫模即可得到波紋點陣結構。該過程制備的芯體、所需模具以及結構如圖5（c）所示。2D 預制芯體桿件截面為矩形，芯體與面板結合面積較大，幾何構型具有波紋結構特性。Xu［32］和Sun［33］等分別采用該工藝制備了變密度波紋點陣結構與對稱雙層點陣結構。

2. 2 組裝技術

組裝技術是將點陣結構胞元視作一個個“零件”，在完成胞元的制備后，通過嵌鎖、粘接等工藝將胞元組裝成點陣結構。根據(jù)基礎胞元的不同，組裝技術分為連續(xù)胞元組裝技術與離散胞元組裝技術。

2.2.1 連續(xù)胞元組裝技術

連續(xù)胞元組裝技術流程通常為：通過模壓成形工藝等預先制備復合材料板，包括平板，波紋板、曲面波紋板等；利用機械加工技術切割復合材料板，獲得具有嵌鎖槽的連續(xù)胞元；胞元之間通過嵌鎖、粘接等工藝組裝成完整芯體；最后再與面板通過嵌鎖、粘接工藝組裝成完整結構，成形示例如圖6 所示［34］。示例中，Gao 等［34］設計了一種具有負泊松比變形特性的高剛度點陣結構，利用拼接組裝工藝成功制備了樣件，單軸載荷下，該結構不僅具有良好的承載能力，還具有明顯的負泊松比效應。

圖6 負泊松比復合材料點陣結構的制造工藝流程［34］Fig. 6 Preparation process of pyramid composite lattice structure［34］

連續(xù)胞元組裝技術工藝簡單，易于操作，在點陣構型設計方面具有較大的靈活性，從簡單的金字塔型點陣結構，到復雜的多層級點陣結構，從宏觀平面結構到宏觀曲面結構，均可以通過設計切割單元、組裝方式獲取。Li［35］和Wu［36］等選用單向鋪層波紋板作為切割原料，設計制備了鋁板增強界面的金字塔點陣結構，既保證了纖維的沿桿分布，又強化了面芯粘接強度。Dong 等［14，37］設計制備了一種具有承載性能的超輕八面體點陣結構，如圖3（d）所示；Wang 等［38］設計制備了一種剪切等效剛度不受方向影響的X 型點陣結構。Yin［39］和Li［40］等分別以平板、曲面波紋板為原料，經(jīng)過切割-組裝制備了兩種曲面點陣結構。

除了以上典型點陣結構以外，利用組裝工藝還可以有更多的構型與功能嘗試。Vitale等［41］在蜂窩結構的基礎上，探索了蜂窩型鏤空點陣結構。McHale 和Weaver［42］設計了一種空間可展圓柱形點陣結構，通過緊固件將預先制備的復合材料條帶組裝在一起，具有軸向可逆變形，能夠作為空間可展結構的候選之一，如圖7（a）所示。Zhang［43］等設計了一種幾何層級點陣結構，由面外復合材料桿件胞元與面內(nèi)Ti-6Al-4V 連接胞元組成。在單軸壓縮載荷條件下，層級結構擁有更大的承載區(qū)間，其組裝過程如圖7（b）所示。

圖7 連續(xù)胞元組裝工藝制備的復合材料點陣結構Fig. 7 Hierarchical composite lattice structures

在材料選擇方面，連續(xù)胞元組裝技術原料也具有較大靈活性，并不局限于復合材料層合板。Fan 等［44-45］以編織夾層復合材料板為一級結構，將其切割成可以嵌鎖的胞元，組裝后形成了層級點陣結構，該結構具有優(yōu)越的抗壓性能，如圖7（c）所示。Yin 等［46］以低成本泡沫夾層材料為芯體原材料，制備了新型的拉伸-彎曲混合型層級點陣結構，其結構效率優(yōu)于傳統(tǒng)的方形蜂窩和波紋夾層結構。Xu 等［47］利用天然亞麻編織纖維增強復合材料制備了低成本、可回收的層級點陣結構。

從以上內(nèi)容可以看出，連續(xù)胞元組裝技術兼顧了單胞結構與整體結構的配合與協(xié)調(diào)，結合靈活的機械加工工藝，在曲面結構成形、多材料、層級結構成形方面具有優(yōu)勢。

2.2.2 離散胞元組裝技術

離散胞元組裝技術是將單獨加工成形的獨立點陣胞元組裝成點陣結構。前文所述的十字胞元結構便是一種離散胞元，通過組裝可以實現(xiàn)結構的重建與再利用，如圖3（g）所示。Jenett等［48］面向變形機翼需求，設計制備了一系列二維離散胞元，其模塊化的組裝特點，具有可逆與空間協(xié)調(diào)的特性，單胞之間的柔性連接使整體結構變形成為可能，如圖8 所示。

圖8 離散胞元組裝技術［48］Fig.8 Assembly technique of discrete cell［48］

與傳統(tǒng)點陣結構不同，離散胞元本身具有相對較大的獨立性，通過不同的組裝方式可以探索更多的宏觀結構形式，帶來類似增材制造的便利性。

2. 3 穿插編織技術

穿插編織技術是基于絲束可以編織的特點，利用輔助工具將纖維絲束穿過預設的路徑，從而獲取點陣結構幾何拓撲的一種技術。根據(jù)材料工藝特點可以進一步分為干法穿插技術與濕法穿插編織技術。

2.3.1 干法穿插編織技術

干法穿插編織技術往往采用預浸料編織芯體構型，結合熱、壓固化即可完成整體結構的成形。Che 等［13］通過穿插編織的方法制備了八面體點陣結構。制備時，預浸料按照設計路徑穿過上下面板的預制孔即得到了圖9 所示的拓撲單胞結構。楊衛(wèi)［8］和范華林［49］等利用該工藝制備了多層復合材料點陣結構。Xu 等［50］采用該工藝制備了單層密度可變化的金字塔點陣結構，能夠滿足對點陣結構的不同力學性能需求。

圖9 預浸料穿插編織技術與單胞示意圖［13］Fig. 9 Schematic diagram of prepreg knitting process and single cell［13］

2.3.2 濕法穿插編織技術

濕法穿插編織技術利用纖維絲束完成芯體構型的編織后，需要結合噴涂、浸潤或RTM 等工藝實現(xiàn)樹脂與纖維絲束的融合，最后整體固化得到點陣結構。Kim 等［51］采用穿插編織技術制備了玻璃纖維增強復合材料八面體點陣結構。制備過程中，將帶有預制孔、槽的環(huán)氧樹脂板作為上下面板并固定，將濕潤的玻璃纖維絲束穿過面板，得到基礎構型，如圖10 所示。通過高溫干燥后得到“干”結構，再將低粘度環(huán)氧樹脂噴在紗芯上得到“濕”結構；接著，通過真空處理增強樹脂滲透性、去除氣泡；最后將整體結構放入電加熱箱，實現(xiàn)整體結構的固化。Lee 等［12］在金屬3D 編織Kagome 結構［52］的基礎上，設計了一種復合材料Kagome 點陣結構的編織成形技術方法，如圖3（b）所示。Zhai 和Zhang［53］利用編織工藝分別制備了玻璃纖維、凱夫拉纖維增強的多層八面體點陣結構，如圖11 所示。

圖10 編織穿插工藝制備的八面體點陣結構［51］Fig. 10 Octahedral lattice structure manufactured byweaving forming process［51］

圖11 編織穿插工藝制備的多層八面體點陣結構［53］Fig. 11 Multilayer octahedral lattice structure manufactured by weaving forming process［53］

穿插編織技術與RTM 工藝相結合可以制備多材料層級點陣結構。 Djama［54］、Jia 和Yan［55］等以z-pin 增強夾芯結構為工藝靈感，結合RTM 工藝制備了點陣-泡沫混合的層級結構，結構的吸能與承載性能得以提升，同時具有更強的抗彎、抗剪性能。Wang 等［56］通過編織技術，設計并制備了單層、雙層“8”字形點陣結構，如圖12 所示，在爆炸沖擊載荷下，整體結構未發(fā)生面芯脫粘與面板破壞，具有優(yōu)異的抗爆性能。

圖12 單層與雙層編織點陣結構空間幾何特征［56］Fig. 12 Spatial characteristics of single-layer and double-layer WLTS composite［56］

穿插編織技術在制備變密度、多層級芯體結構時具有工藝優(yōu)勢，但是芯體桿件尺寸往往受限于絲束或預浸料帶的尺寸規(guī)格，同時部分技術工藝流程復雜，樹脂浸潤困難，造成桿件表面質(zhì)量較差的問題。

2. 4 原位成形技術

與前述制備技術不同的是，原位成形技術側重于實時性與自動化，在成形原理上與復合材料自動鋪帶、絲束纏繞成形等技術具有相似性。目前主要有兩種原位成形技術，基于自動鋪放技術的原位成形技術以及基于3D 打印技術的連續(xù)碳纖維原位成形技術。

2.4.1 自動鋪放原位成形技術

自動鋪放成形是替代人工鋪疊、提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率的先進技術之一，尤其適用于制造小曲率的大型復合材料構件，在航空航天領域有著廣泛的應用背景［57］。近年來，基于熱風、激光、超聲波、電子束等熱源開展的熱塑性復合材料原位成形技術越來越成為工業(yè)與學術界的焦點［58］。宋清華等［59］采用熱風加熱的方式，結合預浸紗張力控制、輸送控制以及加熱溫度控制等技術的開發(fā)，研制了熱塑性復合材料成形原理樣機，盡管構件力學性能低于熱模壓成形構件，卻大大提高了鋪放效率，節(jié)約了制造成本。Comer 等［60］采用激光輔助加熱的方式開發(fā)了熱塑性復合材料成形技術，在與熱壓罐成形件的對比中，激光輔助成形件的層間結合強度更佳。同時，針對自動鋪放技術自動化缺陷檢測方法的發(fā)展［61］，如基于激光技術、基于可見光圖像識別技術、基于熱成像技術的在線檢測系統(tǒng)，有助于對鋪放過程進行在線監(jiān)控，進一步提高成形質(zhì)量。

基于上述研究背景，楊睿課題組［62-65］以高頻渦流發(fā)熱焊臺為熱源，開展了熱塑性復合材料點陣結構原位成形技術研究，成功實現(xiàn)了具有細小桿件、大曲率轉角等幾何特征的金字塔型點陣結構的自動鋪放，其鋪放原理與成形樣機如圖13 所示。鋪放過程中，底部模具固定不動，熱塑性預浸料經(jīng)由導向槽送至鋪放區(qū)，同時具有加熱加壓功能的鋪放頭緊隨其后，沿著預定的軌跡勻速向前移動，將預浸料緊密貼附在模具上；鋪放頭移走后，預浸料隨即在空氣中冷卻，從而實現(xiàn)原位固結成形。鋪放頭按照預定軌跡重復運動，待預浸帶沿試件厚度方向疊層至設計厚度時，即可完成點陣結構制造。

圖13 原位成形技術原理與成形樣機［62-65］Fig. 13 In situ forming process and forming machine［62-65］

基于原理樣機，楊睿等人研究了鋪放壓力、溫度以及速度等工藝參數(shù)對結構性能的影響。基于自動鋪放技術的點陣成形技術集預浸料裁剪、定位、鋪貼與壓實等于一體，具有自動化生產(chǎn)潛力，但是在制備金字塔點陣結構時，預浸料交疊處存在三角地帶的問題。

2.4.2 3D 打印原位成形技術

連續(xù)纖維3D 打印技術是一項以連續(xù)纖維為基礎耗材的先進制造技術。通過規(guī)劃打印頭在X-Y平面內(nèi)的走絲路徑，可打印多種先進二維格柵結構［66-67］。Luan 等［68-69］基于連續(xù)碳纖維打印技術，采用雙噴頭設計，提出了基于連續(xù)碳纖維絲束機電性能的加載位置定位、應變場分布識別和損傷檢測策略，制備了具有狀態(tài)自監(jiān)測和損傷自修復的智能結構。

將連續(xù)纖維3D 打印技術應用于點陣結構的制造，關鍵在于實現(xiàn)連續(xù)纖維在空間沿Z 向路徑的打印。Liu 等［70］開發(fā)了一種懸空連續(xù)纖維3D打印點陣結構的工藝方法。一方面，設計了細長打印噴嘴，不僅能夠更好地融合絲束與樹脂，更能夠避免噴嘴運動與已打印結構之間的干涉，如圖14 所示。另一方面，通過對打印過程中材料的變形機理研究，修正了打印路徑，從而達到了懸空打印點陣芯體結構的目的，如圖15 所示。

圖14 打印頭工作原理示意圖［70］Fig. 14 Schematic diagram of printing slender nozzle［70］

圖15 連續(xù)碳纖維3D 打印點陣結構工藝流程［70］Fig. 15 Manufacturing procedure of lattice core sandwich structure by continuous carbon fiber 3D printing［70］

Eichenhofer 等［71］采用懸空打印技術制備了點到點的非連續(xù)型點陣結構，擁有應用于變體機翼的概念設計與制造［72］的潛力，如圖16 所示。Wang 等［73］提出了一種制造智能點陣結構的新方法，以連續(xù)碳纖維為傳感原件，通過電阻分數(shù)變化實現(xiàn)結構健康監(jiān)測，從而助力其在航空航天、汽車工業(yè)領域的應用。

圖16 非連續(xù)型點陣結構［71］Fig.16 Discontinuous lattice structure［71］

3D 連續(xù)碳纖維打印技術具有高自動化、高連續(xù)性的優(yōu)點，具有自動化生產(chǎn)、可監(jiān)測等潛在優(yōu)勢，但是桿件精度與成形質(zhì)量相對較差，成形尺寸、纖維含量也受到連續(xù)絲束的限制。

3 關鍵工藝的應用

復合材料點陣結構制造技術具有多工藝復合性，在制造過程中，要完成幾何賦形、樹脂固化與胞元連接，通常不能夠依靠單一工藝完成制造。結合前文對制造技術進行的歸納與分析，各制造技術蘊含著共性的工藝步驟，具有代表性的關鍵工藝為：模具設計與應用、機械加工工藝以及連接工藝。

3. 1 模具設計與應用

復合材料點陣結構成形模具的材料與結構具有多種形式，為點陣構件的制造提供了多種多樣的手段與方法。常見模具主要有組合模具、消失模模具以及功能模具。

3.1.1 組合模具

組合模具常見于模壓成形工藝中，模具結構設計時需要綜合考慮點陣幾何特點、成形壓力以及溫度場分布等因素，同時需要具有便于拆卸-組裝、受熱不變形以及表面光潔等特點［74］。以Mei等［75］的工作為例，其模具設計是制備過程中最為關鍵的工藝之一，整體模具采用金屬材質(zhì)制備而成。成形時，預浸料卷制成棒后斜插入模具成形槽之中，在模具的定位作用下與面板材料相連接，并在力、熱作用下實現(xiàn)面芯結構的共固化成形。 完成一體成形后，組合模具的拆除如圖17（f）和圖17（g）所示，可見其幾何結構復雜性。

圖17 卷制芯體模壓成形技術流程［75］Fig. 17 Die pressing forming process of coiling core［75］

金屬模具成形精度高，成形產(chǎn)品質(zhì)量好，但同時成本也較高。Tao 等［76］嘗試了3D 打印聚酰胺模具，并成功應用于智能可重構點陣結構的制備。非金屬模具不僅可以有效的降低成本，而且可以靈活地匹配點陣結構的設計與開發(fā)，如圖18所示。

圖18 3D 打印的模具［76］Fig. 18 3D printing mold［76］

3.1.2 消失模

為了實現(xiàn)點陣結構桿件之間、點陣芯體與面板的一體化成形，模具的脫模成為關鍵問題。消失模在應用時無需進行復雜的脫模工作，常由鹽塊、蠟塊制成，通過水流或加熱等方式即可完成脫模。配合穿插編織、RTM 等復合材料成形工藝可以制備出具有復雜拓撲特征的點陣結構，如圖19 所示的點陣結構便是由Umer［77］等利用消失模所制備。制備過程中，通過鉆孔的形式在蠟模上加工出碳纖維絲束通道，最后結合RTM 工藝將樹脂注入，整體結構固化后去除模具，從而實現(xiàn)復雜拓撲構型的點陣成形，同時保證面芯一體成形。

圖19 利用消失模制備的復雜拓撲特征點陣結構［77］Fig. 19 Lattice structures with complex topological feature fabricated using vanishing modes［77］

3.1.3 功能性模具

功能性模具是指不需要脫模工藝，與結構一體成形后留在結構中實現(xiàn)部分功能的模具，常采用泡沫材料制成。George 等［78-79］以帶有溝槽的預制泡沫作為模芯，分別將碳纖維絲束、玻璃纖維絲束等編織成不同尺寸的纖維束，沿模芯溝槽編織定位，經(jīng)過RTM 一體成形后得到層級復合結構。其中泡沫不僅起到了編織纖維時的定位作用，同時也作為實現(xiàn)點陣吸能等功能的一部分，其編織過程如圖20 所示。

圖20 功能性泡沫模具［78-79］Fig. 20 Functional foam mold［78-79］

3. 2 復合材料的機械加工工藝

復合材料具有非均質(zhì)和各向異性的特征，是典型的難加工材料。機械加工時，既需要保證高強度纖維有效切斷，又需要避免相對強度較低的樹脂發(fā)生難以控制的開裂損傷［80］。在復合材料點陣組裝成形技術中，機械加工工藝是必不可少的一環(huán)，常見的機械加工方式有：水切割、激光切割以及數(shù)控切割。Xiong 等［81］以波紋板為原料，通過非接觸式的激光切割工藝制備了點陣芯體。Liu 等［82］利用兩種機械加工方法制備了一種新型八面體點陣結構：其一，采用水切割方式制備搭接頭平面單體，這些單體經(jīng)過組裝后形成空間搭接頭；其二，采用CNC 技術對前述搭接頭的凸出部分進行加工，以適應中空管狀桿件的尺寸。最終整體結構通過搭接頭與中空管狀桿件的拼接成形，如圖21 所示。由于點陣結構的桿件尺寸較小、復合材料的非均勻性以及各向異性等特點，切割質(zhì)量對于桿件的尺寸精度、材料損傷和裝配過程影響極大，同時還需注意切割工藝帶來的成本問題。

圖21 數(shù)控加工技術輔助制備點陣結構［82］Fig. 21 Numerical control machining technology assisted preparation of lattice structure［82］

3. 3 連接工藝

在復合材料點陣結構成形過程中，不論是面板與芯體之間，還是芯體胞元之間，連接工藝無處不在。如何保證面芯之間、芯體之間可靠連接進而發(fā)揮結構整體性能的優(yōu)勢，是決定復合材料點陣結構能否走向成功應用的關鍵性因素之一。面板與芯體在連接時沒有固定的工藝，常常根據(jù)幾何結構、材料屬性以及芯體成形技術的不同而靈活選擇連接工藝，主要有粘接/焊接與一體成形兩條技術路線，芯體之間則常用嵌鎖組裝的工藝相連接。

3.3.1 粘接/焊接

在面板與芯體分別固化成形的工藝中，面芯粘接通常是連接芯體和面板的首選工藝之一。目前，主要有兩種粘接工藝，一種是膠粘工藝，采用環(huán)氧樹脂膠等對面芯直接膠粘，膠粘工藝在點陣結構中額外引入了膠粘劑構成的界面層，在承受剪切載荷時容易受到膠粘劑性能的制約，發(fā)生面芯脫粘。另外一種則是熔融粘接工藝，該工藝利用了熱塑性復合材料可以反復加熱的材料特點，面芯分別成形后再通過“熱”作用連接在一起。Hu 等［83］提出了一種制備CF/PEEK 金字塔點陣結構的原位熱壓連接方式。該方法首先將面板與芯體各自成形，在鋼制墊塊支撐和周向夾具限位作用下，將成形后的芯體與面板原位熱壓，從而實現(xiàn)面芯熔融粘接，其熔融粘接過程如圖22 所示。落錘試驗的結果顯示該結構失效方式表現(xiàn)為桿件屈曲、斷裂或面板分層、開裂，并未出現(xiàn)面芯脫粘的情況。

圖22 膠粘與熔融粘接工藝流程對比［83］Fig. 22 Comparison of adhesive and melt bonding process［83］

Schneider 等［84］設計了面芯三角連接的點陣結構，熱塑性復合材料的面芯分別固化成形后，利用熱板焊接的方式將面芯粘接在一起。該設計方案中，不僅增加了面芯粘接的面積，還改善了界面的力學特性。

3.3.2 一體成形

在模壓成形與穿插編織工藝中，常通過桿件末端或纖維末端埋入面板共固化從而實現(xiàn)面芯一體成形。面芯一體成形工藝也常常離不開RTM 工藝的參與，Jishi 等［85］在利用消失模工藝時，面芯經(jīng)過纖維穿插編織等工藝定位為一體后，通過RTM 工藝將樹脂注入到整體結構中，從而實現(xiàn)面芯一體成形，其成形過程如圖23 所示。

圖23 RTM 輔助成形工藝［85］Fig. 23 RTM assisted forming process［85］

3.3.3 嵌鎖-組裝

在拼接組裝工藝中，通過機械加工等方式制備點陣胞元后，常采用嵌鎖-組裝工藝，或借助插銷等結構實現(xiàn)胞元之間的連接。例如Xu 等［86］采用注塑工藝制備十字形桿件胞元，桿件中心與末端具有圓孔，方便利用插銷將胞元連接在一起，如圖24 所示。Zhao［87］等在此基礎上，進一步將嵌鎖-組裝工藝與超聲焊接技術相結合，將面板與組裝胞元焊接在一起，制備了點陣夾層結構，提高了整體結構的抗壓性能。

圖24 離散胞元組裝工藝［86］Fig. 24 Assembly process of discrete cells［86］

4 存在的問題

復合材料點陣結構由于材料與幾何的復雜性，各制造技術往往具有各自的優(yōu)缺點。為了便于分析，現(xiàn)選取了幾個典型工藝案例進行了對比，如表1 所示。從表中對比可知，模壓技術與編制穿插技術更易實現(xiàn)面芯一體成形，對于提高點陣抗剪切性能有著相對更大的工藝優(yōu)勢。同時，模壓技術還具有良好的芯體成形質(zhì)量，而穿插編織成形技術受到樹脂浸潤難度大等工藝制約，整體結構表面光滑度較差、尺寸誤差與缺陷含量較高，但是整體結構設計相對自由，成本較低，可以成形多層復雜結構。組裝成形技術在復合材料的選材、點陣構型設計上更加具有優(yōu)勢，能夠輕松實現(xiàn)多級、多材料點陣結構的制備，但是其中存在的大量機械加工環(huán)節(jié)也進一步引入了結構誤差與缺陷，同時嵌鎖的節(jié)點處容易產(chǎn)生應力集中等現(xiàn)象，影響點陣結構的力學性能。不同于以上技術，原位成形技術在自動化、可監(jiān)控等方面有著獨特的優(yōu)勢，但是目前在材料-結構設計、成形質(zhì)量以及面芯連接方面還存在諸多限制，仍有待于進一步提升。

表1 復合材料點陣結構制造技術Table 1 Manufacturing technology of composite lattice structures

除此之外，目前復合材料點陣結構的各制造技術還面臨著共同的問題，多數(shù)技術一經(jīng)提出之后，鮮見后續(xù)系統(tǒng)深入的工藝研究。當前工作往往缺乏成形理論分析、工藝誤差與缺陷研究以及規(guī)模化的低成本、高效率的制造工藝開發(fā)，進而制約復合材料點陣結構制造技術的發(fā)展，以下將對此進行具體闡述。

4. 1 成形理論缺失

復合材料點陣結構成形過程中發(fā)生著不可逆的物理/化學耦合、力/熱耦合等復雜變化，若不能厘清這些變化之間的內(nèi)在聯(lián)系及其對結構的影響，工藝質(zhì)量將難以控制［88］。以復合材料點陣結構原位成形技術為例，與大型復合材料結構件成形過程不同，點陣結構拓撲結構更加復雜，其成形過程涉及預浸料帶的微細尺寸鋪放與大曲率幾何變化。預浸料在鋪放頭熱、壓共同作用下，短時間內(nèi)經(jīng)歷著加熱熔融、冷卻固化以及幾何賦形。同時，隨著預浸料的疊層鋪放，異層預浸料之間溫度變化差異更大，應力分布不均。在整個結構成形過程中，涉及到了眾多成形機理問題：①在材料成形方面：一方面涉及到溫度、壓力變化下的結構微細觀表、界面變化，例如纖維微觀浸漬、樹脂擠出與預浸料密實度變化規(guī)律、層間結合界面變化特征等。另一方面涉及到溫度場快速變化下整體結構的固化反應分析。該分析必須考慮固化度、溫度與應力、應變場之間的耦合關系，可以通過建立瞬態(tài)熱傳導方程、固化反應動力學方程以及瞬態(tài)熱應力方程等數(shù)學模型［89］進行描述；②在幾何特征成形方面：一方面疊層制造過程中，熱、壓共同作用下使預浸料與模具、不同層預浸料之間具有相對運動特征，賦形過程也與絲束本身回彈特性具有密切關系。另一方面由于熱脹冷縮反應、樹脂固化收縮以及材料與模具在熱膨脹系數(shù)上的差異，導致整體結構發(fā)生固化變形，從而影響宏觀幾何特征。因而，原位鋪放技術下的復合材料點陣結構成形涉及到了傳熱、傳壓以及殘余應力變形等各個方面的機理問題。而這些機理研究將有助于分析制造工藝對結構成形質(zhì)量與性能影響規(guī)律的分析。

縱觀復合材料點陣結構制備工藝，目前的大部分研究工作均集中在成形方法上，缺乏對成形理論的進一步剖析，從而造成制備技術無法進一步優(yōu)化與創(chuàng)新［90］。因此，建立力/熱共同作用下整體結構的傳熱、傳壓理論模型，厘清應力分布與變形機理就顯得尤為重要。

4. 2 成形誤差與缺陷分析

復合材料點陣結構成形過程中，由于樹脂的流動、纖維與樹脂熱膨脹系數(shù)差異等原因，常常導致成形誤差與缺陷。常見誤差包括由于固化殘余應力產(chǎn)生的回彈變形與翹曲變形，受樹脂不均勻分布影響的結構尺寸誤差以及切割組裝工藝帶來的工藝誤差。常見缺陷包括固化過程中產(chǎn)生的孔隙、分層以及樹脂未浸潤纖維等。這些誤差與缺陷將對結構制造精度、承載能力和失效模式產(chǎn)生重要影響。例如3D 打印原位成形技術中，碳纖維絲束的懸空打印方式雖然解決了點陣桿件Z 向連續(xù)分布的難題，但是由于賦形過程中缺乏力、熱共同作用，使纖維浸漬受到影響，導致整體成形桿件截面尺寸精度相對較低，帶來較大的成形誤差。編織穿插技術中，尤其是干纖維絲束編織的成形方法，樹脂與纖維的微觀浸漬環(huán)節(jié)也是帶來結構桿件成形誤差與缺陷的重要來源。除此之外，模壓成形與組裝工藝，材料內(nèi)部也存在著無法避免的孔隙、分層等缺陷。

目前的研究工作中雖然已經(jīng)關注到了工藝可能帶來的誤差與缺陷，但是卻缺少二者形成原因與工藝參數(shù)影響規(guī)律的研究，無法進一步分析結構受誤差影響的性能形成規(guī)律。因此，明晰基礎材料與結構之間的尺度關系、探明制造過程中材料缺陷與尺寸誤差的產(chǎn)生原因，進一步從源頭提出誤差補償和缺陷抑制等方法，突破成形工藝的局限性仍然是亟待解決的關鍵問題。

4. 3 成形效率低、成本高

復合材料點陣結構成形技術研究多集中在實驗室樣件試制層面，由于受到場地、設備以及人工等方面的局限，致使當前制備技術仍然未走向實際工程應用。首先，目前的模壓技術、組裝技術、編織穿插技術仍然需要大量復雜的手工輔助制造，不僅提高了制造成本，還降低了成形效率；其次，現(xiàn)有的工藝缺少標準化工藝規(guī)范與高質(zhì)量成形技術的規(guī)模化探索，復雜的多流程成形工藝無形中拉長了整體成形時間，例如干法編織穿插技術中需要經(jīng)歷面板刻槽-纖維浸濕-纖維編織-纖維干燥-浸潤樹脂-真空處理-真空固化這一系列工藝流程；最后，缺少面向復合材料點陣結構的專用成形裝備開發(fā)，目前僅有原位成形技術中存在專用裝備開發(fā)工作。雖然該技術自動化程度占比較高，但是成形構型有限，且成形質(zhì)量有待提高。因而當前工作距離實現(xiàn)復合材料點陣結構低成本、標準化、批量化生產(chǎn)還有不短的一段距離。

5 總結與展望

復合材料點陣結構作為一種結構效率極高的先進結構形式，從材料和幾何構型兩個方面滿足了高性能裝備對結構減重、承載的需求，同時具有隔熱吸波等多重復合功能設計優(yōu)勢。目前國內(nèi)外學者在實驗室試制層面對復合材料點陣結構已經(jīng)開展了廣泛的研究，開發(fā)了以模壓技術、組裝技術、穿插編織技術以及原位成形技術為代表的復合材料點陣結構制造技術，不同的成形技術各具優(yōu)勢。模具的設計與應用、機械加工工藝以及連接工藝是成形技術中不可缺少的關鍵工藝。然而目前的制備技術還不成熟，無法進一步實現(xiàn)點陣結構的高質(zhì)量批量化生產(chǎn)，限制了復合材料點陣結構從實驗室走向工業(yè)應用。同時，隨著多功能、多層級復合材料點陣結構的發(fā)展，這也對成形技術提出了更高的要求。根據(jù)對現(xiàn)有工藝的分析，從以下角度對復合材料點陣結構的發(fā)展趨勢進行展望：

1）成形理論的建立與完善

成形理論是制造技術的基礎。立足復合材料點陣結構的幾何與材料特點，基于成形機理分析，建立傳熱、傳壓以及應力變形等描述成形工藝的各種物理、化學模型與數(shù)學模型，在試驗分析的基礎上結合計算機模擬分析，掌握整體溫度、壓力、固化度等重要參數(shù)的變化規(guī)律，進而評估制造工藝的可行性與價值，針對不同工藝開展成形理論研究將是重要發(fā)展方向之一。

2）成形誤差與缺陷的研究工作

面向具體制造技術，分析誤差、缺陷形成規(guī)律與分布特征，進一步分析其對結構性能影響機制；最后，建立各工藝環(huán)節(jié)與宏觀性能關鍵參數(shù)的敏度關系，發(fā)展面向性能形成的非線性公差分配與缺陷評價方法。

3）開發(fā)高效、低成本制造技術

首先，在現(xiàn)有工作基礎上繼續(xù)優(yōu)化、創(chuàng)新成形原理，開展低成本、操作簡單、高效的規(guī)范化制造工藝的研究，建立規(guī)范、可評價的標準化工藝流程；其次，將先進復合材料、先進成形工藝代入到復合材料點陣結構的現(xiàn)有制造技術中來，提高制造效率，例如將激光焊接等加工工藝用于面/芯連接等；最后，開發(fā)點陣成形專用裝備，形成復合材料點陣結構高效、低成本的制造技術。

4）發(fā)展復合材料點陣結構智能制造技術

復合材料智能制造是將成形過程智能化的過程，通過對制造過程的物理、化學行為的大數(shù)據(jù)分析，自動化、智能化實時監(jiān)測復合材料成形過程中的狀態(tài)變化以實現(xiàn)整體成形質(zhì)量最佳。復合材料點陣結構在宏細觀復合特征影響下，成形質(zhì)量所受影響因素眾多，涉及固化問題復雜。若能基于工藝過程在線監(jiān)測技術以及復合材料成形在線缺陷監(jiān)測技術，開展點陣結構大規(guī)模缺陷快速檢測，圍繞缺陷大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與深度挖掘，實現(xiàn)自動實時監(jiān)測整體成形過程并自動調(diào)整工藝參數(shù)達到最佳，從而建立完善的復合材料點陣結構智能

制造技術，這將具有重要的應用價值。

5）發(fā)展材料-結構-功能一體化的高性能制造技術

未來，復合材料點陣結構勢必向著功能化、智能化發(fā)展，并面臨著服役環(huán)境極端化、面形結構復雜化以及多功能集成化等需求，因此需要在設計源頭考慮制造技術特點，與拓撲優(yōu)化等先進設計手段相結合，建立面向性能的材料、幾何與工藝的協(xié)同方法，積極探索材料適應度寬、抑制缺陷能力強、結構成形精度高、多材料復合成形性能好的材料-結構-功能一體化的新工藝與新技術，這將是實現(xiàn)復合材料點陣結構高性能制造并走向工程應用的必然選擇。