力学所在多功能一体化防热材料与结构研究中取得进展

随着航天器天地往返和地外行星探测等任务的日益频繁，对轻质、高效、可靠的热防护系统的需求也更为迫切。目前，国际上的再入返回舱防热结构大多采用承载与防热相互分离的蜂窝增强烧蚀材料设计（图1a），不仅制备工艺困难，弯曲主导构型的二维蜂窝力学性能较弱且设计参数有限，难以同时满足防隔热、抗冲刷与轻量化等多功能性要求。

中科院力学所热结构耦合力学研究团队前期在三维点阵制备技术取得了突破性研究进展，首次将嵌锁组装方法引入3D打印技术中来，通过“降维”打印再嵌锁组装的方式实现了高力学性能三维点阵制备（Additive Manufacturing, 2020）；首次提出适应复杂曲面的嵌锁-铰接制备工艺，通过释放胞元之间的转动自由度实现了大尺寸可展曲面点阵夹层结构制备（Additive Manufacturing, 2022）。最近，该团队进一步提出了一种适用于返回舱防热大底的点阵增强结构（图1b），该结构具有显著的多功能一体化特征：采用梯度设计，在与气流接触外层采用低密度、小胞元设计，能够消减高速气流冲刷破坏；在结构内部采用高密度、大胞元设计，可以有效提升抗弯能力。这种拉伸主导构型的三维点阵结构不仅力学性能优异、可设计性强，开孔拓扑结构也有利于烧蚀材料填充，从而大幅降低制备时间、扩大防热材料的选择范围。

剪切性能实验结果表明，由于点阵材料与烧蚀材料之间的耦合增强效应，点阵材料增强烧蚀材料剪切强度显著高于点阵材料与烧蚀材料独立剪切强度之和，即能够实现“1+1>2”的增强效果（图2）。为了分析耦合作用机理与影响因素，以树根系固土等理论为基础，建立了点阵增强烧蚀材料在面内剪切载荷下的有效剪切强度理论分析模型，并研究了拓扑结构、几何参数等对点阵增强烧蚀材料剪切强度的影响。研究表明，随着点阵胞元的减小，复合填充结构的剪切增强效应愈发显著（图3）。

该研究成果以“Reinforcement mechanisms of low-strength fragile material under in-plane shear loading by composite lattice structures”为题目，近期发表于Composite Structures。该工作获得了国家自然科学基金、首批“慧眼行动”航天科技创新基金等项目的支持。

相关论文列表
[1] Composite Structures, 2023, 306:116562.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116562
[2] Additive Manufacturing, 2022, 102761.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102761
[3] Additive Manufacturing, 2020, 101257.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101257


图1 (a)现有防热大底结构形式：蜂窝增强烧蚀材料; (b)提出的一体化防热结构：梯度点阵增强烧蚀材料


图2 复合材料点阵增强烧蚀材料抗剪切性能测试. (a)剪切破坏过程; (b)剪切增强效应(“1+1>2”)


图3 剪切强度影响因素. (a)不同拓扑构型及相对密度影响; (b)胞元尺寸对剪切增强性能的影响