第1章 微結構材料概述

1.1 引言

當前汽車輕量化產業的快速發展推動新材料不斷涌現。鑒于此，“中國制造2025”將新材料作為十大重點領域之一，提出新材料是實現“制造強國夢”的基礎。同時，未來汽車輕量化的解決方案更傾向于將多種材料組合并進行結構優化，以充分發揮各種材料的自身優勢，最終實現產品性能的最優化。作為新型材料的代表，微結構材料（Architected Cellular Materials,ACM）所具備的卓越性能優勢可實現這一目標。

本書主要從科學理論和應用技術兩個層面淺顯易懂地介紹微結構材料。第1章對微結構材料進行總體概述，以系統了解微結構材料的概念、分類及國內外應用現狀；第2章、第3章分別從自然界動物和植物的角度出發，指出微結構材料的仿生起源及存在本質；第4章著重介紹微結構材料特性，包括力學性能、結構特性、性能預測及優化設計方法，為后續更好地將其應用于實踐打下基礎；第5章講述基于人類需求設計的人工微結構材料，基于此，人工微結構材料的發展勢必推動傳統制造工藝的改進及新興制造工藝的衍生（第6章）；針對汽車安全界存在的關鍵問題，用微結構化技術解決耐撞性與輕量化之間的沖突，將安全和輕量化等進行有機整合，提出安全技術未來發展的多途徑解決方案（第7章）；同時，針對噪聲與振動技術難題，將具備特殊結構的微結構材料應用于吸聲減振領域（第8章）；此外，通過對微結構材料進行定向設計，既可以起到隔熱作用，又可起到強化傳熱的效果（第9章）；以非充氣輪胎為例，闡述微結構材料在非充氣輪胎中的應用（第10章）；將微結構材料與先進增材制造技術進行深度融合，實現微結構材料的高精度和高維度設計，開發出更多功能多樣性和材料多樣性的優異材料（第11章）。如果說車聯網在汽車安全、節能環保方面的價值是間接的，那么智能網聯汽車在提高行駛安全性方面的核心價值則是直接的。作為新型汽車產業鏈中的重要發展方向之一，先進材料的使用、新型制造工藝的開發以及先進結構的優化設計將有效助力智能網聯汽車行業的發展，推進智能座艙、航空航天等高精尖領域的研發進程，加快未來生態出行的腳步。

目前新材料呈現多元化的發展趨勢，單一材料已不能滿足部件的使用性能需求^[1]。未來汽車輕量化的解決方案更傾向于多種材料組合，且內部進行結構化處理，以充分發揮各種材料的優勢，最終實現最優的產品性能。作為典型的新型結構材料代表，微結構材料所具備的性能優勢不容小覷^[2,3]。傳統結構材料經過一系列的演變過程，由實心結構逐漸轉化成格柵和工字形結構，直至目前常用的復合材料。而材料的微結構化處理使得結構材料一體化設計得以快速發展^[4-6]，結構材料的演變過程如圖1-1所示。

圖1-1 結構材料的演變過程

由圖1-1可知，工程發展史是材料不斷更新迭代的發展史，從最初實體結構的廣泛應用到桁架/實體材料的混合使用，再到質量更輕、性能更優的復合材料使用，最后逐漸發展為輕量化、多功能微結構材料，工程材料更加多元化。其中，微結構材料以其優異的性能愈來愈受到青睞。開發性能更好、成本更低的微結構材料，并將其廣泛應用于車輛、機械、建筑和航天等重要領域，是引領“中國制造2025”新材料革命必不可少的重要一環，微結構材料的推廣和應用將給傳統材料帶來全新的注解，注定會帶來一場前所未有的顛覆性革命。