我国太空探测事业的蓬勃发展对航天装备的可靠性提出了诸多挑战。在温度急剧变化的环境下,精确控制大型空间结构、精密探测设备和微电子封装等材料与结构的热变形成为亟待突破的瓶颈问题。因此,本文对可调控热膨胀力学超材料设计制备与表征评测等方面的研究现状与进展进行了概述,并对其未来的发展方向进行探讨与展望。
本文针对可调控热膨胀力学超材料设计制备与表征评测等方面的研究现状与进展进行了概述,系统整理了可调控热膨胀力学超材料的设计方法,总结了热膨胀与刚度、泊松比等力学参数的协同调控策略,探讨了可调控热膨胀力学超材料拓扑优化方法,介绍了热膨胀可调力学超材料制备工艺与性能评测方法。本文还对可调控热膨胀力学超材料的发展趋势进行了展望,为其在航天装备中的深入应用提供指导与借鉴。
可调控热膨胀力学超材料通常利用传统的直接设计法,即往往先根据经验设计出单胞结构,再分析阵列后超材料的热-力学性能,最后分析某一参数对结构性能的影响。而实际的工程应用场景中往往对材料的热膨胀性能提出特定要求,因此亟需提升材料的设计效率。利用算法辅助设计(例如拓扑优化和人工智能技术)结合仿真预测方法,可以更精确地优化超材料的结构设计,提高其热膨胀系数的调控范围和结构稳定性,并降低制造成本。同时,实际服役场景要求力学超材料在具有热膨胀可调的性能外同时集成轻量化、高刚度、泊松比可调等性能。如何实现多目标协同优化设计是影响可调控热膨胀力学超材料发展的另一个关键科学问题。还可以引入其他物理特性(如导电性、电磁性等),实现超材料的多功能集成,以满足更复杂的应用需求。因此,发展多物理场耦合下多尺度的高效计算方法是快速构建功能特性优化模型的关键。此外,空天结构的耐久性与可靠性要求对可调控热膨胀力学超材料的材料选择与结构设计提出诸多挑战,有必要针对特定的空天环境进行相应的材料研发与耐久性实验。此外,可调控热膨胀力学超材料在应用于对温度敏感的空天结构(如卫星天线、航天器外壳及精密仪器系统)时,大尺寸曲面异型的可调控热膨胀力学超材料的制造问题与超材料内部多材料界面的连接问题对现有制造技术提出了挑战,而开发相应的多材料一体化增材制造技术是解决这一问题的有效途径。现有研究中2D超材料多,3D超材料少;多局限于理论和数值模拟,而实验制备与测试较少。仿真模拟中往往对边界条件过于简化,缺少基于大变形、多物理场耦合所开发的本构模型,难以根据设计需求进行反向结构设计。另外,急需发展高低温交变条件下超材料热膨胀性能的一致性测试手段,建立多物理场环境下超材料多功能特性表征方法。
可调控热膨胀力学超材料具有多材料、多尺度的物理与几何特征。近些年来,受航空航天领域与高端装备中极端温度变化的影响,在力学超材料的基础上,围绕可调控热膨胀力学超材料的热变形设计方法、调控策略、拓扑优化以及制造与性能表征等方面取得了开创式的进展。然而,现有研究仍需要关注如下工程与科学问题:(1)热膨胀性能的高效设计方法研究;(2)一体化超材料多功能可调耦合机制与环境耐久性研究;(3)大尺寸复杂异形材料制备和表征评测方法。
我国太空探测事业的蓬勃发展对航天装备的可靠性提出了诸多挑战。在温度急剧变化的环境下,精确控制大型空间结构、精密探测设备和微电子封装等材料与结构的热变形成为亟待突破的瓶颈问题。因此,发展具有可调控热膨胀系数的力学超材料具有重要意义。本文针对可调控热膨胀力学超材料设计制备与表征评测等方面的研究现状与进展进行了概述,系统整理了可调控热膨胀力学超材料的设计方法,总结了热膨胀与刚度、泊松比等力学参数的协同调控策略,探讨了可调控热膨胀力学超材料拓扑优化方法,介绍了热膨胀可调力学超材料制备工艺与性能评测方法。本文还对可调控热膨胀力学超材料的发展趋势进行了展望,为其在航天装备中的深入应用提供指导与借鉴。