三维晶格超材料的力学性能优化与应用进展

羊玢1,冯浩1,张星宇1, 李鑫1,李理1,张鹏1,魏昕宇1,TSE Kwong-Ming2(1.南京工程学院交通工程学院；2.Swinburne University of Technology Department of Mechanical Engineering and Product Design Engineering)

摘要: 三维晶格超材料凭借其跨尺度的可设计性,突破了传统材料的力学性能极限,在航空航天、生物医疗等领域的轻量化与能量吸收应用中展现出巨大潜力。然而,该材料的动态载荷响应机制尚不明确,且增材制造过程中产生的几何缺陷与材料异质性导致显著性能偏差,严重制约了其工程化应用进程。本文系统综述了近年来三维晶格超材料在力学性能优化方面的研究进展,重点探讨了分层、梯度与无序3 类跨尺度设计策略的强化机理,分析了增材制造缺陷对性能的影响规律,并探讨了融合多尺度建模与智能算法的协同优化框架。已有研究证实,协同应用上述策略可显著提升能量吸收效率与动态稳定性,为抗冲击防护结构与骨组织工程支架提供了有广阔前景的解决方案。当前研究仍面临多材料增材制造工艺兼容性不足、极端复杂载荷环境下耦合行为解析困难等瓶颈。未来需通过材料体系创新与制造工艺协同优化,构建“设计-制造-性能”闭环优化体系,推动高性能三维晶格结构的工程应用。

关键词: 三维晶格结构;跨尺度设计;力学性能优化;增材制造;动态响应;协同优化