近日，航空学院黄河源副研究员团队在防热-承载一体化轻质点阵超材料方向取得重要进展，相关研究成果以“Thermal-Mechanical Coupling Performance of Heat-Resistant, High-Strength and Printable Al-Si Alloy Antisymmetric Lattice Structure”（耐温高强可打印的Al-Si反对称点阵结构热力耦合研究）（DOI：10.1002/advs.202407107）为题发表在国际顶级学术期刊《Advanced Science》（综合类一区TOP期刊，影响因子14.3）。航空学院严家琪硕士研究生为论文第一作者，黄河源副研究员为通讯作者，董志城博士研究生和贾犇博士研究生为本文共同一作，西北工业大学及飞行器基础布局全国重点实验室为该论文唯一署名单位。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、陕西省科技创新团队项目、中央高校专项资金项目、西北工业大学博创基金和西北工业大学研究生实践与创新基金等项目的资助。
高超音速飞行器在飞行中处于热-力载荷耦合的复杂工作环境，因此在实际工程应用中对热防护系统和结构设计提出了更高的指标要求。而点阵结构在拥有超轻质量的同时还拥有高孔隙率、高比刚度、高比强度、高能量吸收、高强韧等热力特性，作为一种多功能一体化结构，在航空航天领域有着广泛的应用前景。目前，对于实现新型点阵热防护系统仍在深入进行中，如何提高其机械性能性能、换热效率以及实现轻量化等，都是当前研究的热点和难点，其研究和发展对于推动复杂环境下的飞行器结构设计具有重要意义。
该研究首先基于新型耐温高强AlSi12Fe2.5Ni3Mn4粉末材料和传统金字塔点阵，设计并采用SLM制备了一种通过旋转反射多级化得到的反对称抗屈曲点阵胞元结构（ASLC-B），并通过SEM、三维Micro-CT的多尺度表征手段实现对试件打印质量的验证。进一步的，通过试验测试发现ASLC-B的设计使得结构的承载能力和换热效率相比于传统金字塔点阵均得到了显著提高，同时基于J-C本构建立的高精度数值模型表明，ASLC-B的设计能够优化结构应力分布，有效减小结构屈曲，从而延缓失效的发生。此外，通过对比不同材料的点阵结构承载能力和SEM结果，发现AlSi12Fe2.5Ni3Mn4因耐高温蠕变元素的添加使得和传统铝合金材料相比在保证结构轻量化的同时，结构的高温性能可以有效提升。这项研究通过对耐温高强的新型反对称抗屈曲点阵胞元（ASLC-B）的构型设计、制备表征、性能测试、对比分析的系统性工作，验证了所提出反对称抗屈曲设计方法的优越性以及新型AlSi12Fe2.5Ni3Mn4材料在耐温高强结构中使用的潜在可能性，为点阵结构的热防护设计提供了新的思路。
黄河源副研究员团队依托陕西省轻质多功能超材料设计与应用创新团队，长期致力于多功能结构一体化轻质超材料的设计、制备以及分析测试等方向的研究，目前已在《Advanced Materials》《Chemical Society Reviews》《Composite Science and Technology》《Nano Research》《Materials Today Bio》《Composite Structures》等国际顶级学术期刊发表论文30余篇。
文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202407107
