陶瓷点阵结构及陶瓷点阵-树脂复合结构在无人潜水器的应用

陶瓷点阵-树脂复合结构的制备工艺

耐压舱是无人潜水器的关键部件之一。传统耐压舱多以金属材料构建，但金属密度大、变形抗力差，为更好达到减重效果，迫切需要设计一种既具备优异力学性能又具有轻质特性的结构材料。

近日，中国科学院沈阳自动化研究所工艺装备与智能机器人研究室科研团队通过基于立体光刻的增材制造技术与树脂渗透工艺，设计并制备了一种氧化铝陶瓷晶格与酚醛树脂复合的新型增强晶格结构（以下称陶瓷点阵-树脂复合结构），这一新型增强晶格结构兼具陶瓷材料的高强度、高模量和树脂材料的高韧性，可实现优异力学性能与轻量化的结合。

科研团队系统表征了不同构型（SC、BCC、Gyroid、Oct、SchwarzP）、相对密度及晶胞尺寸的陶瓷点阵—树脂复合结构在压缩载荷下的力学响应特性，同时采用Johnson-Holmquist-II（JH-2）模型开展了数值模拟以预测和研究其力学行为。

研究结果表明，陶瓷点阵-树脂复合结构的压缩性能排序为简单立方（SC）>体心立方（BCC）>Gyroid>八桁架（Oct）>SchwarzP（Sch）；随着相对密度和晶胞尺寸的增大，陶瓷点阵—树脂复合结构的力学性能显著提升。

数值模拟结果与实验数据高度吻合，揭示了压缩过程中材料内部损伤与裂纹扩展机理。与传统氧化铝陶瓷晶格相比，陶瓷点阵-树脂复合结构展现出了更优异的抗压强度（提升约3倍）与能量吸收性能（提升约2.5倍）。该研究为无人潜水器的轻量化设计提供了新型的复合材料解决方案。

该研究成果以Mechanical behavior of reinforced Al2O3 lattice structures: Effects of structural parameters from experiments and simulations为题发表于薄壁结构领域国际期刊Thin-Walled Structures。沈阳自动化所研究生钟科为第一作者，沈阳自动化所赵吉宾研究员和赵宇辉研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会等项目的支持。（工艺装备与智能机器人研究室）

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112753