图6 梯度蜂窝与相应的规则经典蜂窝性能对比(弹性模量E、压缩强度σ、比能吸收系数SEA)
(3)无序策略:
在蜂窝的实际制造过程和工业使用中,不可避免地会出现空间和几何缺陷。例如,由于温度梯度和热残余应力引起的材料变形是3D打印结构中最常见的缺陷,这将导致单胞壁厚、几何构型和节点位置的不准确。这些偶然的和预先存在的无序缺陷无疑会影响蜂窝的力学性能;另一方面,天然蜂窝材料同样表现出无序和异质性,考虑到生物体需要高度的适应性才能满足其生活需求,这种无序的蜂窝状镶嵌可以产生更广泛的构型特征和性能特征。因此,人造蜂窝也可以考虑具有不可重复和非周期性的单元配置,这将有助于得到与传统蜂窝相比更具性能优势的蜂窝结构。
图7 不同的无序蜂窝结构:(a-b) Voronoi蜂窝;(c) Voronoi蜂窝,随机四边形、六边形和三角形蜂窝;(d)随机反四手性和四手性蜂窝;(e-f)随机凹面蜂巢;(g)随机六手性蜂窝
图 8 无序蜂窝和相应的规则经典蜂窝的力学性能比较,包括弹性模量 E、压缩强度σ和比能量吸收 SEA
4 细观尺度蜂窝结构设计
在细观尺度,文章归纳了三种蜂窝结构的设计策略,即混杂策略、弯曲策略和增强策略,并定量分析了这些设计策略对蜂窝机械性能的影响。
(1)混杂策略:
混杂设计是将现有的不同形式的单胞布局连接起来,形成新的结构布局。新的混杂蜂窝在保留了原有蜂窝特性的基础上,还可以实现更好的甚至是经典构型无法实现的新功能。
混杂策略是一种高效可靠的细观设计方法,理论上,任何两个或多个基本构型都可以连接在一起,形成具有多种连接类型的新型混杂单元。因此,只要充分发挥研究人员的想象力,研制出新型混合蜂窝的可能性是巨大的。