金属点阵材料的制备与性能应用研究进展

刘贝贝 朱佳旻 薛 珂 杨志广 李振东

（周口师范学院化学化工学院，河南 周口 466001）

0 引言

金属点阵材料是一种具有有序孔结构的多孔材料，与传统的金属泡沫和金属蜂窝材料相比，金属点阵材料具有更高的比强度、比刚度和单位质量吸能性，尤其是当相对密度较低时，金属点阵材料具有尤为突出的质量效率和性能优势，同时点阵中间连通的孔结构为集成多功能提供了极大的空间，具有隔热降噪、减震、屏蔽电磁辐射等多功能特性，很好地满足了对结构-功能一体化的需求，对航空航天、汽车及国民产业的发展具有重的理论研究意义和工程应用价值。本文总结了金属点阵材料的制备方法及特点，分析了金属点阵材料的性能应用，同时探讨了金属点阵材料的发展方向。

1 金属点阵材料的制备方法

金属点阵材料的许多特性在很大程度上受到其制备方法的影响，为了得到规则有序的多孔结构金属点阵材料，人们开发了多种制备方法，主要有以下几种。

1.1 熔模铸造法

人们普遍认为，为减少铸造缺陷，对形状复杂的构件，主要采用陶瓷壳熔模铸造。该方法是以可熔融或可挥发的石蜡或聚合物为模板，制备金属点阵结构。首先采用聚合物制备出目标点阵结构，然后在聚合物点阵上涂覆耐火材料（一般为陶瓷浆料），待耐火涂料干燥固化后，通过蒸发或融化等方式去除芯部聚合物，从而得到目标点阵结构的型腔。该方法通常适用于低熔点、流动性好的铸造合金（如铝合金），所制备的点阵材料具有尺寸精度高、表面光洁、形状结构多样等优势。然而，在传统的熔模铸造过程中，模具制备成本高且耗时。特别是对于几何形状极其复杂的部件，模具制造相当困难，同时针对非常小的直径、高长宽比的点阵结构存在难以填充液态金属的问题，容易产生缺陷，造成铸件性能不好。

1.2 冲压成型法

冲压成型法是通过制备金属模板，选择相应尺寸的冲压头，利用冲压头将金属板冲成含有六边形或正方形的二维多孔平面点阵结构，将此二维多孔平面点阵结构用V型模具压制折叠成为四面体或四棱锥点阵芯体结构，可作为夹层结构的夹芯材料，将此点阵芯体与面板进行通过焊接或者黏结技术形成夹层体系，即可制备出金属点阵夹芯材料。该方法工艺简单，金属材料选择广泛，可以用来制备四面体和四棱锥点阵芯体，但也有一定的局限性，需要制造模具，成本较高，金属板材浪费严重，且要经受剧烈弯曲变形，只适用于具有高延展性的材料。

1.3 金属丝编织成型法

金属丝编织成型法是使用金属丝为原料来编织具有重复对称几何形状的金属多层结构。金属丝编织技术具有操作简单、成本低廉的优点。由于点阵单胞是由一根或几根金属丝组成的，所以金属丝的尺寸（特别是直径）决定着金属点阵的最终尺寸。因此，无法获得具有复杂几何形状和小孔隙的点阵结构。另一方面，如果金属丝的直径非常细（低到几微米），制备过程将变得极其困难。此外，由于金属丝不能自黏结，需要后处理，降低了生产效率。最重要的是该方法制备的金属点阵存在构型单一、节点位置不牢固等缺陷，且该方法仅适用于可以拉丝的合金。

1.4 搭接拼装法

搭接拼装法是直接将金属细管搭接拼装成金字塔结构，并通过焊接技术将金属细管与金属面板焊接在一起，形成金字塔点阵夹芯板结构。与实心杆材相比，中空管材具有更大的截面惯性矩，因而制备出的点阵夹芯结构拥有更高的比刚度和比强度。该方法可以取得更加优异的力学性能，但该方法对焊接技术要求较高，点阵结构单一，单胞尺寸大，结构稳定欠佳。

1.5 挤压线切割法

挤压线切割法是由挤压和电火花加工两种方法组合的复合方法，挤压线切割法将合金经模具挤压成芯和面板一体的夹芯金属点阵结构材料，经过加热软化，挤压成形设计好的模具，得到波纹夹芯结构，沿挤压垂直方向上进行穿孔、切割通过线切割切除多余的部分，制备出点阵夹芯板结构材料。该方法免去了传统方法制作点阵材料耗时长、后处理烦琐、材料利用率低等不足，提高了效率，材料选择广泛，材料力学性能好，结构整体性突出，但该方法需要设计专门模具，对模具材料及性能要求较高，成本较高，材料浪费较大。

1.6 拉伸网折叠法

拉伸网折叠法是先将钢板进行切割，然后再进行拉伸扩张形成菱形、三角形或者圆形等形状制备出拉伸网，将拉伸网碾轧平整之后进行折叠处理形成点阵芯体，最后将芯体和面板焊接或者是黏结在一起，就制成了金属点阵夹芯结构。这种制备方法对材料的利用比较充分，自然成本相对也不高，但是它和冲压成型法一样仅仅适用于延展性高的材料，加工的过程也比较麻烦，结构强度较低。

1.7 增材制造法制备点阵材料

增材制造技术通常被称为3D打印，工艺采用逐层累加的制造方式，使其几乎没有材料浪费。在进行增材制造之前，将要制备部件的计算机辅助设计模型按所需层厚进行切片，这个复杂的三维部件就可以由一系列的二维切片组成。因此，增材制造可以实现传统制造技术无法生产出的复杂结构，当制备具有复杂几何形状的零件，特别是制备点阵结构时，具有更高的灵活性。然而，制备过程中需要额外的支撑物以避免骨架固化前坍塌，增加了后处理工艺的复杂性，增材制造在制备大尺寸点阵材料时也存在一定的限制。

1.8 其他制备技术

除上述制备方法外，还采用其他制备金属点阵材料的技术，如化学镀法、卡扣法、电沉积法等。然而，这些方法在精度可控性、设计结构复杂、需要进一步装配等方面往往存在不足。总而言之，所有传统方法往往工艺流程较烦琐且浪费原材料，具有一定的局限性。因此，迫切需要能够克服这些缺点的新技术。

2 金属点阵材料的性能应用

金属点阵材料因其兼具结构和功能特性而备受人们的关注。金属点阵材料的应用主要可分为两类：结构应用和功能应用。结构应用主要包括生物医学植入物、承重部件或缓冲吸能部件，而功能应用主要有热交换器、催化剂载体和吸声降噪等。

2.1 结构性能及应用

金属点阵材料的密度大大低于传统的固体材料，具有较高的孔隙率、较高的弹性和韧性、轻质高强的特点。同时结构孔隙形状和孔隙大小可按需设计，结构有很强的设计性，可调范围大，已经开始应用于航天和卫星结构中，也可以用于空间太阳能支撑板，以提高太阳能板的能量转化效率。金属点阵材料具有较高的比强度和比刚度，因此主要应用其力学性能。按应用目的不同，又可分为轻质结构部件和缓冲吸能部件两大类。轻质结构的应用需要较高的比刚度和强度，而能量吸收部件需要在相对较低的强度下发生较大的塑性变形，将冲击能转化为热能，金属点阵材料是用作撞击防护的优良材料。因此，针对不同的力学性能应用，通常需采用不同的结构设计、基体材料和制备方法。

2.2 功能特性及应用

2.2.1 热学性能

金属点阵材料独特的有序结构具有更高的间隙换热系数，在强对流条件下使其具有更好的热交换性。金属点阵材料可用于高密度热流散热结构，如果通过合理设计还可以实现传热和承载的双重功能。此外，在孔隙中填充氧化铝纤维等绝热材料，还可以起到很好的隔热作用，可用于航空航天、动力工程等领域的板翅式换热器。

2.2.2 电磁波屏蔽性能

电磁波可以说是无处不在的，可用于探测、定位、通信等，在生活中应用极为广泛。但电磁波在给人类带来便利的同时，也带来了电磁污染，威胁着人类健康，国防军事中也需要对电磁波辐射泄漏进行屏蔽。金属点阵材料具有较大的孔隙率，电磁波在点阵材料的孔隙界面上会发生反射和散射，会产生很大耗损，使其具有独特的电磁屏蔽特性。另外，通过对金属点阵结构优化设计重组，在点阵孔隙中填充吸波材料，使吸波材料周期性排列在空间中，可进一步提高金属点阵结构的电磁波屏蔽性能。因此，金属点阵材料在军事隐身和电磁防护方面具有潜在应用。

2.2.3 吸声性能

金属点阵材料固有的多孔及长程有序的点阵结构特征使其成为一种具有特殊声学性能的结构型材料，对入射声能具有吸收作用，具有较强的减低噪声性能。点阵材料吸声性能与电磁波屏蔽机理相似，其较大的孔隙结构可增加声波在孔隙中传播时的损耗，即声能转化为热能，声音被材料吸收，可有效降低各类噪声，而且当孔径在0.1～0.5 mm之间时吸声效果最佳，将多孔材料填入各种板状材料组成的复合结构内，可提高隔声能力并减轻结构重量，在航空航天、航海船舶以及陆上交通等领域有着十分广泛的应用。点阵材料与传统的纤维、泡沫材料等多孔吸声材料相比，吸声性能虽然还要有待提高，但点阵材料独特的高比强度、高比刚度、耐高温、抗老化、无毒等性能，使之作为吸声材料具有更为独特的应用前景。

2.2.4 其他性能

金属点阵材料除了上述性能应用外，在形状记忆领域、阻尼特性、催化剂载体、多功能集成、生物医用和能源化学等领域也有广泛应用。

3 结语

金属点阵材料是一类结构设计性强、性能优异的新型轻质多孔材料，在众多领域具有巨大的应用潜力。但绝大多数关于金属点阵材料的制备与探索还处在实验室理论研究阶段，距离市场化规模生产及应用还有一定距离，且仍然存在许多不足：（1）金属点阵材料的制备方法已有多种，优缺点共存，需要进一步改进制备方法，提高制备效率，降低能耗，节约成本，开发探索合理的适合工业推广的制备工艺；（2）丰富金属点阵材料结构的基本类型，通过计算模拟手段，优化结构设计，提高多孔结构制备精度，开发新型填充技术；（3）金属点阵材料的独特性能依然有待于开发与应用，需要探索合理的生产工艺，开发金属点阵材料新的功能，拓宽其在工业领域的应用范围。随着人们对金属点阵材料研究的不断深入以及制备工艺的不断改进，金属点阵材料必将在各工业领域展现出更加广泛的应用前景。