車用夾芯結構成形工藝研究進展*

盧春達 劉百川 馬文婷 梁鴻宇 馬芳武

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

縮略語

PLA PolyLactic Acid

VARTM Vacuum Assisted Resin Transfer Molding

CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics

PMI PolyMethacrylimide

GFRTP Glass Fiber Reinforced Thermoplastic

MSG Mechanics of Structure Genome

HTCHCS Hierarchical Thermoplastic Composite Honeycomb Cylindrical Structures

SEA Specific Energy Absorption

PKCSS PMI foam reinforced Kagome honeycomb Composite Sandwich Structure

0 引言

復合材料三明治夾芯結構因具有高強度、輕量化、功能集成的特點，在汽車結構設計領域已經得到廣泛應用。卡曼汽車公司采用泡沫鋁材作為夾芯制造了轎車頂蓋板，其剛度比原鋼件提升了6倍，而其質量卻可以得到大幅下降[1]。此外，早在10年前，大眾汽車公司、寶馬汽車公司等大型汽車公司對一系列的吸能減振材料諸如泡沫鋁、塑料蜂窩等進行了對比評價試驗，發現它們相較于其它金屬具有更好的應用性能，并用來制造側面與前部防撞吸能零部件[2]。此外，車輛地板可以利用三明治夾芯板制成，從而集成為電加熱地板；還可以制成側墻蒙皮，與側墻骨架粘結后共同擔負起車輛側墻的功能[3]。張偉等[4]提出了一種外殼采用夾芯結構的電池箱方案，進行了關于剛度、強度測試，證明該夾芯結構有效提高了整個箱體防火、電磁屏蔽性能，同時達到了良好的輕量化效果。如圖1[5]所示，采用泡沫金屬填充的夾芯結構，也可以應用于車身覆蓋件以及結構件中。

圖1 應用泡沫金屬的轎車車身[5]

三明治夾芯結構通常由面板、芯材、膠結層組成，常見的有蜂窩夾芯結構、泡沫夾芯結構。通常，夾芯結構在減重的同時，對整體結構的抗彎剛度與抗剪切強度均具有明顯的增強效果。此外，受膠結層的影響，芯材與面板之間存在相對穩定的約束關系，變形模式平緩可控，使其兼具緩沖吸能功能[6-9]。由于良好的力學性能和優異的可設計性，輕質多孔材料作為夾芯材料的主要形式已得到廣泛應用。其中，聚合物泡沫、泡沫鋁、鋁蜂窩夾芯結構已在航空航天、車輛、建筑等領域中發揮了很大作用[10-11]。

發展以新型復合材料為原材料的輕質夾芯結構，為實現結構超輕量化、結構功能一體化設計提供保障，從而有效提高承載能力，因此，對復合材料夾芯結構力學性能以及多用途開展深入研究具有重要意義[12]。現階段主要的復合材料夾芯結構制備技術包括熱壓成形技術[13-14]、真空輔助樹脂傳遞模塑技術[15-16]、3D打印成形技術[17-19]、裁剪-折疊制備技術[20]和嵌鎖組裝成形技術。這些工藝制備夾芯結構，可使得纖維增強復合材料具備更多的性能優勢，例如優異的抗疲勞性能、耐腐蝕性能和熱學性能[21-24]得到了充分發揮。

通過嵌鎖組裝工藝制備的夾芯結構展示了很好的性能。首先嵌鎖組裝工藝對材料的使用限制很小，既可以用于傳統的金屬和復合材料，又為新型纖維增強復合材料夾芯結構的制備提供了解決方案。本文重點關注嵌鎖組裝工藝在常見夾芯結構中的應用。

1 三明治夾芯結構成形工藝

纖維復合材料性能絕大部分依賴于增強纖維種類和所選擇的基體材料，但是其成形工藝對于整體性能也具有較大影響。與航空航天等領域相比，汽車領域中復合材料零部件應用范圍更大，對構件的生產效率以及質量要求更高。為了進一步擴大其在汽車領域的應用范圍，新的成形方法也在不斷涌現。

1.1 3D打印工藝

3D打印技術種類現已經發展到十多種，本質上都是疊層制造。Sugiyama等[18]為了制備復合材料蜂窩夾芯結構，采用3D打印技術研究了連續碳纖維鋪設，并對其在3點彎曲載荷下的靜力學性能進行了探索。由于該技術本身的限制，要求在3D打印中，蜂窩結構中的纖維方向必須相同，否則結構在正常工作過程中，因纖維間無良好約束，而與基體發生脫離，使得纖維增強的優勢無法發揮。

Quan等[25]通過自行研制的3D打印設備，鋪放了連續纖維增強熱塑性復合材料，并對其在面內壓縮載荷作用下的力學行為展開了研究。由加熱頭注入聚乳酸（PolyLactic Acid，PLA）基體，制備了內凹六邊形復合材料蜂窩結構，但是在樣件中，纖維方向與蜂窩壁方向一致，且在轉角處纖維脫粘缺陷較明顯。目前，聚合物塑料、金屬夾芯結構的制備也引入了3D打印技術，但面對復雜拓撲的蜂窩結構時，3D打印仍然存在很多技術障礙，而多用于制備熱塑性高分子材料結構。

1.2 裁折成形工藝

Wei 等[7,26]通過裁折成形工藝制備復合材料蜂窩結構，如圖2 所示。該工藝采用碳纖維增強塑料（Car?bon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）的預浸料作為基材，沿纖維方向進行鋪疊，將層間氣孔排出后，把預浸料進行低溫處理，使得預浸料中的樹脂基體預冷后凝固變硬，在這種條件下材料易于折疊變形，方便后續加工。

圖2 基于裁折成形工藝的全CFRP六邊形蜂窩芯夾芯板制作工藝[26]

在沿設計路徑對預浸料進行裁剪時，可以采用線切割或者水切割的方式進行裁剪。對于金屬加工，線切割可以保證較高精度，但是切割速度較慢，效果不如水切割要好。水切割產生的切口更為平整，可以充分吸收由于切割產生的熱量。對于任何材料，水切割打孔、切割速度較快以及在加工尺寸的選擇上也較為靈活。利用壓輥使裁剪后的預浸料折疊，固化后即可得到蜂窩結構。該成形工藝可實現連續長纖維鋪層角度設計，避免了3D打印技術的成形缺陷，但是對制備復雜拓撲結構，還需要進行一定的改進。

1.3 熱壓模具成形工藝

面芯之間的連接強度總是夾芯結構制備過程中首先應該考慮的問題。Wang 等[27-28]采用熱壓模具成形工藝制備出可以一次成形的金字塔點陣結構，如圖3所示。該方法雖然可以有效提高面芯間接觸節點的強度，但是在熱壓過程中，存在著圓形桿徑向成形壓力不足的問題，因而夾芯桿在工作過程中存在缺陷，易發生劈裂；其次，在熱壓成形過程中的溫度、壓力控制要求會對結構的成形質量產生較大影響，且控制參數很多，從而提高了工藝難度。模具的制備以及使用需要較為熟練的技巧，人為因素比較大，最后的成形效果比較難以控制。

圖3 模壓一次成形制備工藝[27]

為了克服一次成形工藝中的局限性，熊健等[29]相繼開發了組裝二次模壓成形和模壓-電火花（激光）切割成形[30]2種模壓二次成形工藝。圖4所示為組裝二次模壓成形工藝，該工藝可以保證纖維完全沿芯桿方向進行鋪設，以發揮出夾芯最大承載能力，但制得的結構面芯之間的粘接強度較低，總之依舊沒有較好解決粘結問題。圖5所示為模壓-電火花切割成形工藝，該工藝明顯地改善了夾芯結構面芯脫粘情況，但以復合材料為母材的芯桿卻未能發揮出全部的承載性能。綜上所述，新開發的2種工藝在一定程度上使得制備的夾芯結構性能得到了提升，但是缺陷依舊較為明顯。

圖4 組裝二次模壓成形[29]

Pehlivan 等[13]利用熱壓模具成形工藝制備出了蜂窩夾芯結構。首先制備出CFRP 波紋板，然后將2 個波紋板粘接堆疊形成一個蜂窩板，最后將蜂窩板粘接形成蜂窩夾芯結構。這種改進使得熱壓模具成形可以制備較為復雜的蜂窩結構，但是在加載時粘結部分強度會受到影響。

1.4 真空輔助樹脂傳遞模塑工藝

Stocchi 等[31]采用真空輔助樹脂轉移模塑（Vacu?um Assisted Resin Transfer Molding，VARTM）工藝制備了復合材料蜂窩夾芯結構，保證了結構中纖維連續性。但是對其進行面外壓縮性能試驗后，發現該蜂窩結構的力學性能未能達到預期效果，其原因是VARTM工藝導致結構內部氣泡含量過多，造成了大量缺陷。Vitale 等[32]對VARTM 工藝制備蜂窩結構進行了優化，使纖維和樹脂之間具有更為理想的結合性。為了減少制備過程中氣泡的產生，首先將纖維織物鋪放在模具上，用真空袋進行密封，并注入樹脂。但VARTM工藝在制備蜂窩結構時，由于樹脂流動性差、難以排除氣泡，該現象仍然是影響結構性能的主要原因，其次是滿足該工藝制備的蜂窩拓撲構型較少。消除氣泡的解決方案可以采用高壓注入樹脂技術，使得在成形過程中有足夠的樹脂進行補充，從而使得樹脂分布均勻。

1.5 嵌鎖組裝工藝

在結構優化方面，已經有多種優化構型被提出，金字塔型、四面體型等夾芯結構已經有成熟的應用。對于夾芯結構的力學性能研究多見于已有研究中，但是對結構靜態力學性能研究較多，對實際應用中的斜向靜態壓縮以及動態沖擊探索較少。復合材料點陣夾芯結構已經作為熱防護結構應用于航空器，可經受自然環境中的溫度變化以及由于加熱、儲能設備發熱及發動機等設備工作發熱導致的高溫環境考驗，為了發掘復合材料點陣夾芯結構在航空等領域的應用潛能，實現熱控和承載一體化，研究熱力學性能的影響十分必要。在只考慮結構靜力學性能與輕量化2方面要求時，CFRP夾芯結構是較好的選擇，但是在結構發生破壞過程中，不確定性使其很難大批量生產。

對國內外研究現狀的總結可以發現，在采用復合材料作為夾芯結構母材方面已經產生了大量的研究成果，在制備工藝上總體可分為長、短纖維增強復合材料。對長纖維復合材料的研究只是停留在沿纖維方向的強度方面，而對短纖維復合材料的研究大多集中于碳纖維增強樹脂基方面。碳纖維價格會增加制備工藝成本和大規模應用難度，而且所采用的部分制備工藝得到的力學測試結果也并沒有顯示大幅度提高力學性能。嵌鎖組裝工藝則在滿足所要求的力學性能前提下，極大降低了生產成本，使得該工藝可以進行大規模應用。總體上該工藝可以分為3個階段：

（1）利用復合材料成形工藝選取合適的纖維以及基體進行芯子板（或嵌鎖條）制作；

（2）對成形后的芯子板采用普通數控機床進行切割；

（3）將切割后的樣件進行嵌鎖與組裝。

Fan等[33]對二維點陣格柵夾芯結構提出了嵌鎖組裝工藝并成功制備出了格柵結構，工藝流程如下：

（1）制備用于嵌鎖的格柵肋條；

（2）在格柵肋條上開出嵌鎖槽；

（3）將2個格柵條通過嵌鎖槽咬合制備成格柵；

（4）將格柵與面板用樹脂膠粘接。

需要說明的是，由于采用的原材料以及面芯之間的連接方式不同，這使得常常因面芯間的強度不夠，當剪切載荷作用在試件表面時，容易發生脫粘。Fan等[33]通過試驗揭示了結構破壞模式，結果表明，碳纖維增強柵格和復合夾層板的破壞過程具有一定的延性。當部分結構出現失效時，載荷可以有效地轉移到結構的其它部分。

Han等[34]首次使用嵌鎖組裝工藝制備出玻璃纖維復合材料四邊形格柵結構，如圖6（a）所示。采用手糊成形等方法制備出復合材料層合板，并將層合板切割成等寬度的條狀，并在層合板上切割出嵌鎖槽口，通過嵌鎖槽口咬合，最后用膠將咬合處粘接制成格柵結構。隨著嵌鎖組裝工藝不斷完善，采用碳纖維復合材料板和金屬板制備格柵結構的工作也相應出現，正交碳纖維編織布制備成型的四邊形格柵結構，如圖6b所示。

圖6 嵌鎖組裝工藝[34]

嵌鎖組裝工藝現已應用在各類夾芯結構中，從泡沫多孔金屬到蜂窩、格柵結構，再到點陣以及力學超材料，尤其是隨著纖維增強復合材料的迅速發展，嵌鎖組裝工藝制備的新型夾芯結構在輕量化方面的應用具有廣闊前景。

2 嵌鎖組裝工藝在復合材料芯材制備中的意義

總體來看，為滿足汽車產業對于復合材料構件高性能、低成本生產要求，必須采用多元化的成形方法。目前，夾芯結構的制備工藝較多，而且大多已經較為成熟，但也都存在著一定的局限性。熱壓成形工藝獲得的夾芯結構成形質量較差。真空輔助樹脂模塑傳遞技術在制備時，結構內部氣泡含量過多，使得制造的夾芯結構存在較大缺陷，而且在整個制備過程中，樹脂的流動性差造成的氣泡難以消除，以至于僅少數無氣泡蜂窩拓撲構型結構能夠通過該工藝制備。

為解決復合材料三明治芯材交叉點的連接問題，2003年Han 等[34]首次提出嵌鎖組裝工藝，使得以復合材料為原材料制備的夾芯結構更容易達到預期性能。

近年來，隨著新型纖維增強復合材料研究和應用，通過嵌鎖組裝工藝得到更輕、性能更好的夾芯結構的研究越來越多。在安全性方面，纖維復合材料的破壞需經歷一系列復雜過程，負載過大使得纖維發生斷裂時，會導致載荷經由基體傳遞到其它完好的纖維上去，這種過程大大降低了發生突發性破壞的概率，使得結構整體在發生徹底失效前可以被檢測到，從而采取有效措施進行預防。

同時，對常見蜂窩結構夾芯材料制備，主要采用3D 打印工藝與嵌鎖組裝工藝，對其力學性能進行比較，發現后者更具優勢，其原因是：

（1）3D打印工藝制備出的蜂窩結構中纖維均沿同一方向，對于需要進行不同鋪層角度設置的復合材料板而言，無法實現這一目標，這也導致結構在外力加載過程中，連續纖維之間無法形成較好的約束，且基體易開裂，纖維增強的優勢并沒有充分體現；

（2）3D 打印工藝制備的結構蜂窩壁之間，纖維多存在交叉，而蜂窩壁交叉處由于尖銳轉角存在應力集中問題，成為結構最先受到破壞的地方，嵌鎖組裝工藝可在一定程度上改善這一問題；

（3）3D 打印工藝對連續纖維材料結構進行制備時，對其壁厚有較為嚴格的限制，壁厚要大于某一額定值，而采用后者進行制備則不會存在這種局限性。

此外，王世勛等[35]對CFRP 金字塔點陣結構的動態沖擊性能進行了研究，并對比分析了不銹鋼、鋁合金與CFRP點陣夾芯結構的能量吸收率。研究發現，單從材料方面而言，CFRP 點陣夾芯結構的能量吸收率，依次在沖擊速度為900 m/s、1 200 m/s 時，開始超越不銹鋼點陣夾芯結構以及鋁合金點陣夾芯結構，這充分體現出復合材料制備的夾芯結構在高速沖擊下優異的力學性能。

3 嵌鎖組裝工藝在不同復合材料芯材結構中的應用

常見的夾芯結構均可通過嵌鎖進行制備，對于連續纖維復合材料，該工藝可以在一定程度上滿足結構交叉處纖維的連續性，從而彌補其它工藝不足，提高結構力學性能。

3.1 蜂窩結構

Russell等[36]采用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP四邊形蜂窩結構，針對碳纖維鋪層角度的影響，對蜂窩結構面外平壓性能和面內剪切性能進行了分析。結果表明，嵌鎖組裝工藝可應用于拓撲構型復雜結構，相較于其它工藝，可有效避免在成形過程中引入缺陷。此外，還通過有限元模擬以量化缺陷對復合材料蜂窩結構抗壓性能的影響，測量和分析預測結果表明，蜂窩等復合多孔材料在強度和密度特性之間存在特殊關系，為輕質、高強度結構設計提供了新機遇。

周昊等[37-38]基于ABAQUS 有限元軟件，通過數值模擬，研究了不同相對密度方形蜂窩夾芯結構的獨立式CFRP夾芯板在水爆炸作用下的動力響應。再與準靜態壓縮響應進行比較，驗證了本構模型之后，通過分析夾芯板變形過程、芯部壓縮和動量傳遞特性，揭示了不同芯部相對密度夾芯板的芯部壓縮和動量傳遞規律，表明了復合材料夾芯板比層合板具有更好的抗水沖擊性能。同時這也為復合材料夾芯結構的多場所應用提供了經驗。楊志韜等[39-40]根據多層結構設計思想，在單向CFRP之間添加PMI，制備了多層復合材料蜂窩結構，對其平面外壓縮性能和3點彎曲性能進行了理論預測和試驗驗證。通過理論研究預測了結構失效模式，并繪制了失效模式機理圖，最后通過3點彎曲試驗驗證了理論預測結果。

王志鵬等[41]采用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP方形蜂窩夾芯結構，并對夾芯結構整體的面外平壓性能和3 點彎曲性能做出進一步研究，如圖7 所示。與以往研究相比，基于試驗結果分析了CFRP 方形蜂窩夾芯結構在準靜態載荷下的破壞模式、損傷機理以及吸能特性，同時也考慮了3點彎曲載荷作用下面板質量非對稱性和試樣槽口方向對CFRP蜂窩夾芯梁破壞模式和失效載荷的影響，這一研究結果將為CFRP 方形蜂窩結構在防護以及吸能系統的工程應用提供參考。由于槽口位置存在原始缺陷和應力集中，加載過程中首先從槽口附近產生肋板斷裂，隨后引起未開槽部分漸進破壞。當應變等于0.5 時，夾芯結構上面板開始與肋板未開槽部分接觸，結構繼續承載，這一結果說明嵌鎖組裝工藝制備的CFRP方形蜂窩結構達到極限載荷后仍具有較強承載能力。經過研究發現，對于質量相同的CFRP 方形蜂窩夾芯結構，配置較厚的上面板可以提高夾芯梁承載能力和初始失效載荷。由嵌鎖組裝工藝制備的CFRP 方形蜂窩夾芯結構，其彎曲性能和破壞模式與試樣的槽口朝向相關，長肋板槽口向上時夾芯梁的承載能力更高。

圖7 嵌鎖式碳纖維/樹脂基復合材料（CFRP）方形蜂窩夾芯結構制備過程[41]

傳統的六角形蜂窩，由于蜂窩壁朝向相同的加載平面而導致其內平面內拉伸強度低，而方形蜂窩則克服了這一缺點。Vitale 等[42]利用嵌鎖組裝工藝從具有不同幾何形狀的平面復合材料板中獲得4種不同的碳纖維增強復合材料夾芯，如圖8所示。在評估了每個芯材的壓縮響應后，建立了解析和數值模型。結果顯示，嵌鎖工藝為試圖擴展蜂窩芯的強度和密度提供了設計第一步，而研究中制造的空心芯也可進行多功能應用（例如嵌入電子器件和泡沫的可能性）。此外，陣列數高的方形蜂窩芯具有更高強度的粘結表面，更不易發生脫粘現象。

圖8 不同幾何形狀的平面復合材料板[42]

Vitale 等[43]測試了其剪切性能。從得到的方形蜂窩剪切應變應力響應（圖9）以及不同理論方法的峰值剪應力（圖10）中發現，在由非單片部件組成的結構中，薄片數量是一個很重要的問題，不僅要考慮剪切荷載情況，而且要考慮彎曲反應。Vitale等[43]提出的夾芯結構并沒有發揮出預測的抗剪強度全部潛力，但是從制造方法引入的較少缺陷和試驗設置加載時的錯位來得到的最大理論剪切載荷方面來看，提出的這些夾芯結構具有明顯優勢。

圖9 方形蜂窩的剪切應變應力響應[43]

圖10 不同理論方法峰值剪應力[43]

近年來其它學者的研究結果表明，方形蜂窩結構的平壓性能以及剪切彎曲性能均要比六邊形蜂窩結構較好。此外還可以通過在復合材料夾芯板上切割出不同幾何形狀以獲得超輕蜂窩結構，從而擴展豐富蜂窩結構強度和密度。

3.2 金字塔點陣結構

適當的制備工藝在降低成本，提高制備效率的同時，還能減少制備缺陷，提高結構強度[44-45]。

Finnegan等[46]為了制備出復合材料金字塔點陣結構，采用了嵌鎖組裝工藝，如圖11所示。首先采用水切割法加工復合材料層合板，將得到的嵌鎖條進行組裝后，在面板上切割出凹槽將夾芯與面板組裝在一起，并用樹脂進行粘接。建立了復合材料芯體的歐拉屈曲、脫層破壞和支板微屈曲破壞模型，實測結果與基于歐拉屈曲和桿件脫層破壞的預測結果吻合較好，表明具有錐體微結構的復合多孔材料在強度和材料性能方面存在差距。

圖11 金字塔點陣結構制備工藝[46]

張國旗等[47]采用線切割嵌鎖組裝工藝制備了金字塔點陣結構。將金屬板材加工成波紋條后，把波紋條組裝為夾芯，最后用膠膜將夾芯與面板粘接，完成結構制備。

上述2種制備方法都采用了嵌鎖組裝工藝制備夾芯結構。不同的是，Finnegan 采用的方式導致結構面板力學性能明顯降低，同時流程繁瑣，使得總體工藝更為復雜；張國旗等[47]采用的工藝簡單，制備效率較高，但是面板與芯子之間的連接強度存在著不足，當進行壓縮時會產生面芯脫膠的情況。

Cote等[48]對該結構在面內載荷作用下的力學行為進行了試驗研究和理論分析。試驗與理論預測結果在多數失效模式下是一致的，推導得出了這些點陣結構支撐柱的抗彎強度以及破壞模式。此外Cote 等[49]又對夾芯梁進行了疲勞測試，獲得了這2種情況下點陣夾芯梁的強度值。鑒于金字塔點陣夾芯結構的橫向各向同性，Cote 等[49]認為在雙軸面內載荷顯著的情況下，這種結構將會更加具有吸引力。

CFRP 與具有結構優勢的夾層板進行結合設計，為超輕結構提供了新機遇。George等[50]采用嵌鎖組裝工藝方法，以碳纖維增強聚合物層合板為材料，制備了相對密度在1%～10%范圍內的金字塔桁架夾層芯。該項試驗證明了具有金字塔微結構的復合蜂窩材料填補了強度與密度材料性能空間空白，并優于蜂窩設計。因此，對于一系列需要開孔結構的多功能應用（例如，冷卻液可以通過夾層核心)，CFRP 金字塔夾心結構提供了一個有吸引力的替代蜂巢選擇。

吳倩倩[51]通過嵌鎖組裝工藝方法制備出了單向纖維增強復合材料金字塔點陣結構，改善了結構夾芯桿件承載效率、面芯界面粘接強度較低的情況。通過在面板上切割嵌鎖槽，對整體結構進行了加固，與其他切割工藝相比，避免了桿件在制備過程中引起的缺陷，提升了結構承載性能。

Wu 等[52]采用熱壓成形和嵌鎖組裝工藝制備了節點加固格芯以及單向纖維加固的復合材料夾芯板。如圖12 所示，由于所有連續纖維都排列在桿的方向上，可以充分發揮纖維的內在強度。因此，格芯具有最大的承載能力。復合網架核心（頂部和底部鋁連接件加固）具有抗壓、抗剪協同變形能力。通過壓縮和剪切試驗研究了新型復合金字塔晶格結構的力學性能和破壞機理。試驗結果表明，與現有的復合金字塔晶格結構相比，該復合金字塔晶格結構具有明顯的優勢，該加固方法能夠有效地抵抗剪切載荷下脫粘破壞。由于底部和頂部的嵌鎖連接，使得夾芯到面板的結合失效為局部失效。在目前的研究中，與其它相對密度相同的碳纖維復合晶格結構相比，碳纖維復合晶格桁架結構的抗壓和抗剪強度得到了提高。

圖12 熱壓成形-嵌鎖組裝工藝[52]

李曉東[53-54]以增強面芯間的粘接強度、提高結構的剪切性能為目標，采用水切割技術和嵌鎖組裝工藝設計并制備出節點增強碳纖維和環氧樹脂基復合材料金字塔點陣夾芯結構（圖13）。此外，利用理論和試驗研究了結構平面外壓縮剛度和強度，并得到了真空熱循環下結構的剪切剛度和強度理論方程，并對不同相對密度的桿件進行了平壓以及剪切試驗。試驗結果顯示，在面內壓縮載荷作用下，相對密度較低時，結構發生桿件屈曲失穩現象；相對密度較高時，結構發生桿件壓潰破壞現象；在剪切載荷作用下，相對密度低時，導致夾芯桿件發生屈曲失穩以及壓潰破壞；相對密度較高時，則會使得復合材料面板發生分層失效。與其它制備方法所得到的夾芯結構進行對比，在進行平壓性能和剪切性能下，發現其整體力學性能得到提高。夾芯破壞主要是由于延長熱循環時間后碳纖維和環氧樹脂之間界面基體脫粘產生的壓碎和局部屈曲過程。但是在該研究中發現，隨著真空熱循環時間增加，結構抗壓和剪切性能得到改善，說明在某一時間限制下，對整體結構進行某一溫度下加熱后可以使得結構的力學性能得到較好提升。

圖13 水切割-嵌鎖組裝工藝[53]

Hu 等[55]采用節點嵌鎖工藝創建了一種新型全金屬金字塔管晶格夾層結構。首先采用激光切割技術獲得具有X形通槽的面板和實心面板，采用線切割技術獲得多個平面連接板，用于組裝三維X 形連接板，然后將用線切割技術切割中間部分開槽的傾斜管插入加工面板的X行槽中（圖14）。

圖14 金字塔晶格結構節點嵌鎖組裝[55]

在進行壓縮試驗時，發現經歷了顯著的非線性應變硬化，直至壓縮應力峰值，與核心支撐出現塑性屈曲一致。持續加載導致核心軟化相對溫和，直到屈曲后階段應力水平最低，隨后由于夾芯致密化，承載能力迅速增加。該嵌鎖金字塔焊接管晶格表現出顯著的整體力學性能，特別是在比強度和比能量吸收方面性能優越。嵌鎖金字塔焊管晶格芯的比強度和比能量吸收顯著優于其它主流周期胞體拓撲結構，如不同拓撲形式的實心或空心桁架晶格、棱柱形核和蜂窩。同時，Hu等[55]的研究成果對填補焊管桁架晶格在某些材料性能空白具有指導意義。

3.3 負泊松比結構

三維有序負泊松比結構已成為負泊松比結構研究領域的熱點，但是由于該結構通常構型十分復雜，除了選擇增材制造技術之外，其它制備工藝相對較少。有學者通過有限元方法分析后，認為內部若包含呈現星型的橫截面或者具有內凹角的結構單元時，即可產生負泊松比效應。

王信濤[56]用嵌鎖組裝工藝制備了CFRP三維內凹負泊松比結構（圖15），并通過軸向壓縮試驗，驗證了CFRP 三維內凹結構的負泊松比性質。結果表明，復合材料三維內凹負泊松比結構的泊松比值與其內凹角的大小成拋物線性關系，且負泊松比效應較金屬更明顯。若母材為各向異性材料，其相關性質不但與結構幾何參數相關還與母材的力學性質相關。復合材料三維內凹負泊松比結構的比剛度在內凹角較大時與金屬結構的比剛度相當，在內凹角較小時則優于金屬結構。

圖15 復合材料三維雙箭頭負泊松比結構制備過程[56]

Du等[57]采用嵌鎖組裝工藝，設計并制備了一種具有可回收性的層次化熱塑性復合蜂窩狀圓柱結構（Hierarchical Thermoplastic Composite Honeycomb Cy?lindrical Structures，HTCHCS），如圖16 所示。采用準靜態軸壓試驗，研究了復合材料的力學響應和能量吸收特性。通過優化軸向肋板布置方式，可將結構破碎力效率由0.4 提升到0.7。對HTCHCS 變形進行了試驗研究，得到了典型的變形模式（圖17）。不同于肋部規則的疊層塌縮，肋部交錯的疊層呈現負泊松比變形。雖然其它工藝也可以制造拓撲復雜的層次結構，但是制造過程相對較長，成本相對較高。此外，目前對于纖維增強熱塑性復合材料分層柱狀夾芯結構的研究較少，采用簡單高效的嵌鎖組裝工藝，為以后新型層次化熱塑性復合材料夾芯結構的廣泛應用提供了可能。

圖16 HTCHCS結構及其優化[57]

圖17 軸向壓縮響應[57]

Guo 等[58]采用纖維纏繞嵌鎖方法，設計并制造了一種由連續玻璃纖維增強熱塑性塑料復合材料面板和分層蜂窩芯組成的分層熱塑性復合材料蜂窩夾層圓柱形結構。通過軸壓試驗對其承載能力進行評價，揭示其破壞模式。結果表明：局部屈曲和面壓潰是夾芯圓柱結構的主要破壞形式；夾層柱狀結構的比能吸收（Specific Energy Absorption, SEA）和極限承載能力分別是分級柱狀結構的5.45 倍和15.24 倍。此外，分層熱塑性復合材料蜂窩夾層柱狀結構的承載效率最高可達0.75和0.76，優于參考的其它熱固性復合材料柱狀結構。考慮到其低成本的優點，玻璃纖維增強熱塑性塑料(Glass Fiber Reinforced Thermoplastic,GFRTP)復合材料表皮和分層蜂窩芯筒型夾層設計結構，為夾層結構的應用提供了一種新的設計思路。

3.4 零泊松比結構

正泊松比結構變形后會形成馬鞍形，負泊松比結構則會存在拉漲現象，而零泊松比夾芯結構卻不會出現上述情況，這吸引了學者們對零泊松比結構設計、力學行為進行分析研究。高飛[59]提出一種零泊松比蜂窩結構（圖18），采用一種新的多尺度分析方法（Me?chanics of Structure Genome，MSG）[60]，分別采用嵌鎖組裝工藝和3D打印工藝對其進行制備，并對比分析了2種工藝對該結構力學性能的影響。結果表明，在相同條件下，由嵌鎖組裝工藝制備的零泊松比蜂窩結構的力學性能要更優異。由前者制備的試件比強度值比后者制備出的試件增強了53.5%，與材料為ABS-M30的3D打印試件相比增加了111.5%。后者無法保證結構交叉處纖維的連續性，使得結構存在薄弱部分，而前者可彌補這種缺陷并提升結構力學性能，從而較好地展現出結構優點。

圖18 零泊松比結構嵌鎖方法制備工藝[59]

Yang 等[61]為了實現完全對稱的雙穩態和多穩態機構，提出了一種基于多材料嵌鎖裝配方法和壓縮扣折段的雙穩態機構創新設計策略。多穩定力學超材料具有穩健的形狀可重構性和零泊松比，具有較大的可恢復性變形。這種結構在理論和數值計算結果表明，可以實現一維到三維多穩定材料的正、零、負泊松比或者各向同性或各向異性熱膨脹，為基于嵌鎖組裝工藝的多功能超材料的潛在應用提供了參考。

4 夾芯結構改進措施

復合材料夾芯結構雖然在多個領域具有巨大的應用潛力，但該結構存在著主要缺陷：端面與芯材之間容易脫粘，邊緣薄弱，大大降低了剛度和強度。為了解決這個問題，Song等[61]嘗試高強度、高模量的聚甲基丙烯酰亞胺（PolyMethacrylimide, PMI）泡沫填充到復合嵌鎖卡格姆（Kagome）蜂窩結構（PMI foam rein?forced Kagome honeycomb Composite Sandwich Struc?ture，PKCSS）中，形成一種新型的夾層結構（圖19）。填充PMI泡沫材料的整體強度、剛度和吸能性能均有較大提高，但質量增加幅度較小，增加了嵌鎖卡格姆蜂窩結構脆弱邊緣的局限性，但結構的抗脫粘能力得到了顯著增強。

圖19 PKCSS加工流程[61]

在結構空隙中插入不同的材料來構造混合夾芯層，可以進一步改善剛度、強度以及抗沖擊性能。Yang 等[62]討論了金屬或聚合物泡沫填充夾芯結構以及金屬-波紋型芯。

填充夾芯結構提高了夾芯層抗壓強度和能量吸收能力，而金屬-波紋型芯通過在面板和波紋板上引入亞毫米穿孔，成為一種新型多功能結構，具有非凡的低頻吸聲、優異的強度和抗沖擊性能以及更強的能量吸收功能。

金字塔點陣結構存在桿易屈曲和面板易局部皺曲的問題，文獻[44]和[45]設計了2 種沙漏夾芯結構，分別為單層和多層，并通過改變桿件細長比、節點間距進而解決上述問題。針對該結構制備，Feng等[45]已經探索出了包括嵌鎖組裝工藝在內的整套工藝路線。綜合分析，此套制備工藝流程簡單、制備出的結構件缺陷少、有工業批量化生產的潛力。從理論和試驗上研究了沙漏格子夾芯結構面外和面內壓縮性能，并將測量結果與分析預測進行了比較。結果表明，低相對密度沙漏夾芯的面外壓縮峰值強度高于金字塔夾芯強度。此外，沙漏夾層結構的面內峰值壓縮荷載優于金字塔夾層結構。因此，在高比強度輕質結構中，沙漏夾芯結構是一種很有前途的候選結構。

5 結束語

無論是傳統燃油車還是新能源汽車，汽車輕量化與安全都是一個重要的研究課題。采用嵌鎖組裝工藝制備的三明治夾芯結構在汽車輕量化、汽車被動安全方面具有優異的綜合性能，在汽車設計中具有很大的發展潛力。

從力學性能和質量利用效率方面出發，CFRP 作為一種先進復合材料，其制備的蜂窩結構將從母材方面進一步提升結構力學性能。但是目前的研究多集中在以下2方面：

（1）蜂窩結構成形工藝的研究主要集中于常規蜂窩上，而對于其它類型夾芯結構以及具有較為復雜拓撲構型夾芯結構的成形工藝研究較少。

（2）目前多采用3D打印工藝制備各種蜂窩結構，并對其結構的靜態力學性能進行分析研究，而利用嵌鎖組裝工藝作為制備方法，以多種復合材料為母材的蜂窩結構，及其動態力學性能相關研究則偏少。

在調研目前國內外研究成果之后，結合當前對這一研究的認識與研究基礎發現，夾芯結構研究仍存在以下局限性，因此該種結構需要得到進一步研究和發展：

（1）CFRP 蜂窩結構中嵌鎖位置和蜂窩相交處是蜂窩結構易發生應力集中的區域，失效模式主要為基體開裂，解決好由于應力集中導致的失效問題才能更好提升整體性能。

（2）基體樹脂的正常工作溫度一般存在較低的上限，亟需探索更高溫度的熱固性或熱塑性樹脂基作為增強材料的基體，由此涉及到的疲勞等課題的研究也需要進一步深入進行。

（3）對于夾層結構，目前多考慮其力學性能，使得汽車應用中功能較為單一，因此多功能性是未來發展方向。在車輛設計時，應該對環境因素進行充分考慮，特別是火災，因此需要將熱管理、噪音和雷達波吸收功能特點，靈活應用在不同的車輛設計中。

（4）夾層結構可以采用熱保護層，但由于外界因素存在，使得不容易檢測到內部損傷，而內部損傷會對整體結構性能造成很大影響，未來應該對內部損傷檢測采取更為有效的方法，以避免發生較為嚴重的后果。此外，夾層結構在環境暴露和過度機械載荷作用下的殘余性能也值得深入研究。