近日，航空學院黃河源副研究員團隊在防熱-承載一體化輕質點陣超材料方向取得重要進展，相關研究成果以“Thermal-Mechanical Coupling Performance of Heat-Resistant, High-Strength and Printable Al-Si Alloy Antisymmetric Lattice Structure”（耐溫高強可打印的Al-Si反對稱點陣結構熱力耦合研究）（DOI：10.1002/advs.202407107）為題發表在國際頂級學術期刊《Advanced Science》（綜合類一區TOP期刊，影響因子14.3）。航空學院嚴家琪碩士研究生為論文第一作者，黃河源副研究員為通訊作者，董志城博士研究生和賈犇博士研究生為本文共同一作，西北工業大學及飛行器基礎布局全國重點實驗室為該論文唯一署名單位。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、陜西省科技創新團隊項目、中央高校專項資金項目、西北工業大學博創基金和西北工業大學研究生實踐與創新基金等項目的資助。
高超音速飛行器在飛行中處于熱-力載荷耦合的復雜工作環境，因此在實際工程應用中對熱防護系統和結構設計提出了更高的指標要求。而點陣結構在擁有超輕質量的同時還擁有高孔隙率、高比剛度、高比強度、高能量吸收、高強韌等熱力特性，作為一種多功能一體化結構，在航空航天領域有著廣泛的應用前景。目前，對于實現新型點陣熱防護系統仍在深入進行中，如何提高其機械性能性能、換熱效率以及實現輕量化等，都是當前研究的熱點和難點，其研究和發展對于推動復雜環境下的飛行器結構設計具有重要意義。
該研究首先基于新型耐溫高強AlSi12Fe2.5Ni3Mn4粉末材料和傳統金字塔點陣，設計并采用SLM制備了一種通過旋轉反射多級化得到的反對稱抗屈曲點陣胞元結構（ASLC-B），并通過SEM、三維Micro-CT的多尺度表征手段實現對試件打印質量的驗證。進一步的，通過試驗測試發現ASLC-B的設計使得結構的承載能力和換熱效率相比于傳統金字塔點陣均得到了顯著提高，同時基于J-C本構建立的高精度數值模型表明，ASLC-B的設計能夠優化結構應力分布，有效減小結構屈曲，從而延緩失效的發生。此外，通過對比不同材料的點陣結構承載能力和SEM結果，發現AlSi12Fe2.5Ni3Mn4因耐高溫蠕變元素的添加使得和傳統鋁合金材料相比在保證結構輕量化的同時，結構的高溫性能可以有效提升。這項研究通過對耐溫高強的新型反對稱抗屈曲點陣胞元（ASLC-B）的構型設計、制備表征、性能測試、對比分析的系統性工作，驗證了所提出反對稱抗屈曲設計方法的優越性以及新型AlSi12Fe2.5Ni3Mn4材料在耐溫高強結構中使用的潛在可能性，為點陣結構的熱防護設計提供了新的思路。
黃河源副研究員團隊依托陜西省輕質多功能超材料設計與應用創新團隊，長期致力于多功能結構一體化輕質超材料的設計、制備以及分析測試等方向的研究，目前已在《Advanced Materials》《Chemical Society Reviews》《Composite Science and Technology》《Nano Research》《Materials Today Bio》《Composite Structures》等國際頂級學術期刊發表論文30余篇。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202407107
（文字：嚴家琪；審核：李斌）
