点阵材料是一种新型的胞状有序多孔材料,其单胞为杆单元组成的空间网架类结构。金属基点阵材料具有良好的力学性能和功能特性,在航空航天、交通运输、武器装备、电子器件等领域有着广泛的应用前景。本文针对目前金属基点阵材料在结构设计、制备方法、性能研究等方面存在的不足及其在航天领域的应用需求,通过计算机辅助设计、3D打印及熔模渗流工艺对Al基点阵材料的制备工艺进行了研究;通过准静态压缩试验及细观组织观察,对Al基点阵材料本构特征、变形行为及其机制进行了分析,得到了以下主要结果:1、利用 CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)软件编制了点阵结构设计方法,设计出不同结构参数的金字塔型和四面体型点阵单胞及拓扑结构;根据3D打印技术原理,对聚丙烯、尼龙和光敏树脂等低熔点非金属打印材料及点阵模样"打印"工艺(选择性激光烧结和紫外激光固化)进行了试验与优化。结果表明,基于液态光敏树脂的光固化3D打印工艺,不仅成形速度快,而且打印出的模样细观结构完整,表面光洁度高,力学性能好,为后续金属点阵材料制备及其性能研究奠定了重要基础。2、针对点阵结构杆径和杆长较小、杆连接节点较多从而使石膏熔模制备及金属液在熔模内流动困难的特点,对熔模压力渗流法制备Al基点阵材料的工艺过程进行了系统研究,包括石膏浆料组成与配比、石膏熔模加热过程中结构及物性的变化、石膏熔模的高温强度及渗流后的溃散性以及渗流压力控制等,获得了具有良好流动性、热物性、力学性能和易溶性的石膏熔模组成和热处理工艺。通过对石膏熔模预热温度、Al液渗流温度和压力对多孔骨架中的金属液流动规律影响的研究,得到了最佳的渗流工艺,制备出不同构型、不同结构参数的多层Al基点阵材料,其几何精度与3D打印的模样基本一致。3、针对点阵材料的一般承载方式和应用场合,对Al基点阵材料准静态压缩行为及其与点阵构型、主要结构参数(杆截面形状、杆长、杆径、夹角、相对密度等)的依赖关系进行了考察。结果显示,Al基点阵材料与一般多孔材料相似,在应力应变曲线上也有明显的弹性区、平台区和致密化区。但与一般多孔材料不同的是,上述三个区域的长短、高低与点阵材料的相对密度呈非线性关系,并且与杆单元与单胞底面的夹角密切相关。点阵材料相对密度增加约1倍,平台流动应力增加近7倍;杆单元与单胞底面夹角为45°时,平台流动应力约7MPa,而当夹角增加至70°时,平台流动应力则增加到15MPa。在夹角、相对密度接近时,四面体型点阵材料的长径比要小于金字塔型,因此前者力学性能和吸能性能都要好于后者。随着长径比的减小,虽然四面体型点阵材料的流动应力、平均压溃力以及单位质量吸能都逐渐变大,但是能量吸收效率却有所降低。4、为了探索进一步改善材料性能的途径,对不同基体材料及不同杆截面形状的Al基点阵材料进行了力学性能研究。试验发现,与工业纯Al相比,采用高强度的6063和6066 Al合金为基体,点阵材料的流动应力明显提高,其中6066 Al合金的强化效果最明显,抗压强度高达50MPa左右。对圆形、半空心圆形及U形截面杆点阵材料的考察发现,U形截面更有利于提高材料的弹性模量和抗压强度,当其它参数相同时,U形截面杆点阵材料的抗压强度是圆形截面杆的2倍以上,其原因是三种杆中,U形截面杆具有最大的惯性矩,而点阵材料的抗压强度与杆单元的惯性矩成正比。5、为了揭示Al基点阵材料力学行为的物理机制,对材料宏、细观压缩变形模式、变形组织演变规律等进行了观察,发现纯Al基金字塔型点阵材料的压缩变形以杆单元的弯曲、折叠为主,无明显断裂,整体变形方式取决于杆单元与单胞底面的夹角。夹角较小时,如45°,点阵结构中所有杆单元同时弯曲和折叠,变形组织在点阵结构中均匀分布;反之,当夹角较大时,如70°,杆单元弯曲首先在一个局部区域内发生,然后局域化变形组织逐渐向其它区域扩展直至整体致密化。该变形方式与相应的应力应变曲线的形状是吻合的,即前者弹性区与平台区圆滑过渡,后者则在弹性区与平台区之间出现明显的屈服平台。6、鉴于Al基点阵材料的变形模式以杆单元的弯曲为主,试验中将Al基点阵材料压入6063 Al合金方管及用不同硅橡胶填入Al基点阵材料的孔隙,分别形成了内、外约束条件。对其进行的压缩试验表明,当位移较小时,填充方管的组合材料基本上沿袭了方管的变形模式,而当位移较大时,载荷-位移曲线明显升高,其值大于方管和点阵材料单独压缩时载荷的代数和,表明方管对点阵材料横向变形的约束产生了明显的强化效果。对于填充硅橡胶的场合,点阵材料不仅流动应力显著上升,而且在应力应变曲线上只出现弹性区和平台区,无致密化区,因此材料强度、吸能性和吸能效率均显著提高。