1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

微結構材料的卓越性能優(yōu)勢吸引了國內(nèi)外眾多研究學者和機構對其進行深入研究和推廣應用，一度掀起了研究熱潮。

美國密歇根大學（University of Michigan）MA Z D致力于大剛度、大阻尼納米微結構材料的研究，成功設計了一種可呈現(xiàn)“壓縮-收縮”特性的雙箭頭微結構，將微結構材料研究從二維空間拓展到三維空間，開發(fā)了具有負泊松比特性的非充氣輪胎^[10]，并且將其應用于軍用車輛、全地形車、工業(yè)叉車等特種車輛。美國波音公司下屬的HRL實驗室致力于將微結構設計和先進快速成型技術巧妙融合，開發(fā)了一種輕質(zhì)金屬鎳氣凝膠材料，是由連通Nickel-phosphorus Alloy中空管組成的三維材料，中空管的厚度極薄，還達不到人類頭發(fā)直徑的1/1000。在能量吸收和輕量化方面表現(xiàn)出不俗的實力，未來有望在航空航天領域（地板、行李架等）、汽車（內(nèi)外飾等）等領域得到應用^[11]。麻省理工學院（MIT）對微結構材料的研究延伸到微米級甚至納米級。深入探究自然界中生物內(nèi)部的真實形態(tài)，研究其進化機理，洞悉生物本質(zhì)的同時為其在機械領域的應用奠定了理論基礎，從而更好地為人類服務。

目前我國對微結構材料的研究基本處于理論階段，主要集中于微結構材料吸能、NVH與熱管理性能方面。大連理工大學ZHANG W等將雙箭頭型負泊松比微結構應用于吸能塊上，并分析其在平臺應力區(qū)階段的力學性能^[12]，驗證了雙箭頭型微結構在沖擊碰撞方面具有優(yōu)異的吸能特性。何冬林^[13]等提出多孔吸聲材料是一種重要的吸聲降噪手段，并且一些新型多孔材料的低頻吸聲性能已經(jīng)得到很大的提高。而微結構材料在熱管理性能方面的應用也開展了一些研究^[14-17]，目前已可將通孔泡沫結構應用于緊湊型換熱器、熱沉、熱管、太陽能吸收器等設備中，進一步提高或優(yōu)化設備的熱/質(zhì)傳遞性能。此外，一些車展已經(jīng)展出相應的概念產(chǎn)品，部分廠商也開始通過與國外主要從事微結構材料研發(fā)的機構進行合作，加速微結構材料應用產(chǎn)品的研發(fā)進程。

尤其，微結構材料本身在發(fā)生不同程度變形及在不同的低頻振動下，具有不同的吸能減振和緩沖降噪的能力^{[18，19]}，該特性使得微結構材料在自行車輪胎上得到了廣泛應用。美國Britek Tire1Rubber研發(fā)公司將Energy Return Wheel技術運用在自行車上，研制出一款新型非充氣防刺輪胎。如圖1-6a所示，這種鏤空輪胎設計成孔狀結構排布，無需充氣，采用質(zhì)量很輕的納米管增強材料材料支撐柱體，可提供良好的減振效果。該輪胎根據(jù)地形的不同自行改變張力，讓車輪更加堅固或更加舒服地騎行。如今，隨處可見的摩拜單車輪胎同樣采用了微結構設計的思想，如圖1-6b所示。

圖1-6 微結構填充非充氣輪胎

全球輪胎、橡膠行業(yè)領軍企業(yè)普利司通宣布，旗下公司在輪胎無需填充空氣的技術——非充氣輪胎概念（Air Free Concept）面向?qū)嵱没牡缆飞嫌秩〉昧诵碌某晒?，可應用于自行車的非充氣輪胎誕生了，圖1-7（見彩插）所示為其研發(fā)的Air Free Concept非充氣輪胎。該輪胎以非充氣為研究目標，通過設計特殊形狀的輻條來滿足各種工況下的載荷需求。此外，輪胎還采用環(huán)保材料，滿足結構設計的可持續(xù)發(fā)展要求，所采用的可再生樹脂與橡膠材料為在全球創(chuàng)造綠色環(huán)保移動和可循環(huán)性社會作出貢獻。

圖1-7 非充氣輪胎概念（Air Free Concept）

同理，微結構材料的可設計特點也擴展到了汽車輪胎。美國Polaris公司非充氣輪胎Sportsman WV850 H.O.全地形越野車性能相當彪悍，除了具備普通輪胎的常規(guī)性能，非充氣的特點使其具備即便是被大口徑子彈擊中，依然能保持高速行駛的能力，如圖1-8（見彩插）所示。這些性能都歸功于輪胎內(nèi)部所設計的類蜂窩狀微結構，通過對類蜂窩結構的合理設計，不僅使輪胎性能大幅度提升、減重效果明顯，而且免充氣、方便快捷。

圖1-8 微結構化越野輪胎

圖1-9 3D打印微結構化汽車

基于卓越的性能優(yōu)勢和巨大的發(fā)展?jié)摿?，微結構材料迅速叩開并踏入了航空航天、汽車等領域的大門。通過恰當?shù)膬?yōu)化設計和合理的微結構填充，車身、汽車內(nèi)外飾、底盤和動力系統(tǒng)等部件都可基于功能導向性設計方法采用微結構來設計。結合新型3D打印技術，微結構化汽車的實現(xiàn)成為可能。2018年日本工業(yè)博覽會上的一款3D打印微結構化汽車成為一大亮點，如圖1-9（見彩插）所示，該微結構化汽車較好地融合了3D打印技術和微結構材料設計技術，將車身各個部件進行整合，在保證其基本性能的前提下，對車身進行微結構化處理和設計。放眼于未來汽車市場，微結構材料的使用將會給汽車輕量化技術帶來一輪嶄新的沖擊，其所帶來的經(jīng)濟效益和良性循環(huán)效應不可估量。