新型轻质点阵材料热膨胀调控设计、制备与表征

在温度剧烈变化服役环境下，航空航天工程中卫星与高超声速飞行器的大量结构的热膨胀变形需要精确地调控。本项目结合点阵材料轻质及优异力学性能的优点，创新地设计发展了一类轻质-承载-热膨胀可调控一体化新型点阵材料。本项目首先完成了新型三维点阵材料设计，实现了三维空间热膨胀系数调控，并提出三维空间不动点法可将任意空间结构重构而具有所需的热膨胀系数。同时基于平面点阵材料，以卷曲方法设计了多类多种点阵圆柱壳结构，实现了轴向和径向热膨胀系数的宽幅调控。在此基础上设计了热膨胀及泊松比可同时集成调控的新型点阵材料，拓展了点阵材料的功能集成化。进一步组建了基于数字图像相关法的非接触式热膨胀系数实验测试系统。探索采用增材制造工艺制备了双组分的点阵材料，并通过热膨胀系数实验测试，证明所制备的点阵材料可实现热膨胀系数的宽幅调控。本项目的研究成果为航空航天工程中结构对热膨胀可调控且兼具轻量化，力学性能优异新材料的迫切需求提供新的解决方案，理论设计方法及实验依据。

在温度剧烈变化服役环境下，航空航天工程中卫星、高超声速飞行器的大量结构的热膨胀变形需要精确地调控。然而现有的均质及复合材料均难以同时满足结构对热膨胀可调控且兼具轻量化，力学性能优异的多重需求。本项目结合点阵材料轻质，力学性能优异的优点，创新地发展轻质-承载-热膨胀可调控一体化新型点阵材料。项目首先重点建立新型轻质点阵材料的热膨胀调控设计方法，并研究多级新型点阵材料设计方法以实现热膨胀大范围调控设计。建立和获得新型点阵材料的弹性本构关系，失效模式及失效机理等力学性能。其次开展新型点阵材料的优化设计与制备技术研究。最后针对新型点阵材料的关键热学及力学性能进行表征，揭示其在温度变化和热力耦合服役环境下的热膨胀、强度，刚度等重要性能，为航空航天工程中结构对热膨胀可调控且兼具轻量化，力学性能优异新材料的迫切需求提供新的解决方案，理论设计方法及实验依据。

结构阻尼一体化技术可以实现高效振动响应控制和结构承载功能一体化，是目前航空航天飞行器结构设计的重要研究方向。本项目基于全复合材料点阵夹芯结构优异的比刚度和比强度性能，结合粘弹性阻尼材料的高阻尼特性，设计制备兼具结构承载功能和减振降噪功能的多功能结构，研究这类结构的动力学响应规律和阻尼特性。主要研究成果包括：针对结构承载和阻尼设计要求，开展了多功能协同和多目标优化设计，提出了阻尼点阵结构的设计方案；采用共固化工艺制备阻尼复合材料点阵平板结构和曲面壳结构，通过在复合材料点阵面板以及芯子中埋置阻尼材料的方法实现了在结构刚度不降低的前提下阻尼性能的大幅提高；建立了阻尼复合材料点阵结构阻尼性能与其结构参数的关系，获得了这类结构力学性能和阻尼性能的表征方法。研究成果可为航空航天飞行器结构设计制造提供理论依据和技术储备。 课题圆满完成了既定的计划任务、实现了预期研究目标。迄今为止，本课题共发表学术期刊论文7篇，会议论文4篇，其中SCI检索6篇，EI检索3篇。在科学出版社出版专著1部。获得授权国家发明专利2项。通过课题研究培养博士生8人，硕士生4人，毕业博士生3人、硕士生3人。 2100433B

本书为高等院校无机非金属材料专业的实验教材，是在作者多年本科教学实践的基础上编写的。全书共分6章，内容涉及新型无机非金属材料制备,包括粉体的合成、成型与烧结，以及其结构性能测试与表征。书中介绍了材料合成与制备中常用的仪器设备、材料微观结构及各种物理性能的常用基本表征测试技术。在材料粉体合成与材料制备实验部分中，选取了目前新型无机非金属材料合成制备中常用的方法，合成制备具有代表性的典型的新型无机非金属材料，另外，还将目前本领域最新科研成果的部分内容转化为综合性研究型实验，通过这种形式把科研工作的新进展、新技术，新工艺，以及国际上相关研究的最新内容及时补充到教学实验中。本书可作为材料学科本科实验课程的教材，也可作为科研工作中无机非金属材料性能检测的参考书，并可供相关领域的工程技术人员阅读。