4　细观尺度蜂窝结构设计

在细观尺度，文章归纳了三种蜂窝结构的设计策略，即混杂策略、弯曲策略和增强策略，并定量分析了这些设计策略对蜂窝机械性能的影响。

I （1）混杂策略：

混杂设计是将现有的不同形式的单胞布局连接起来，形成新的结构布局。新的混杂蜂窝在保留了原有蜂窝特性的基础上，还可以实现更好的甚至是经典构型无法实现的新功能。

混杂策略是一种高效可靠的细观设计方法，理论上，任何两个或多个基本构型都可以连接在一起，形成具有多种连接类型的新型混杂单元。因此，只要充分发挥研究人员的想象力，研制出新型混合蜂窝的可能性是巨大的。

图9 不同的混杂蜂窝结构

图10. 混杂蜂窝与相应的常规经典蜂窝的力学性能对比，包括弹性模量 E、压缩强度σ和比能量吸收 SEA

I （2）弯曲策略：

自然界中有许多许多曲面结构，例如贝壳、啄木鸟的喙、龟壳和甲虫的前翅，这些曲面结构在经过亿万年的进化后在自然生物中发展起来，具有很高的刚度/强度和能量吸收效率。近年来，借助曲面结构和仿生方法，研究人员已经提出了一些具有曲面结构特征的轻质蜂窝。

图11 自然界中的曲面结构

常见的曲面蜂窝结构有圆形、正弦曲线构型、U型、V型等，如图12所示。图13对比了曲面蜂窝与相应的规则蜂窝之间的机械性能对比。比率主要集中在1和4之间。曲面设计可改善部分构型的弹性模量、压缩强度和比吸能特性。研究表明，弯曲策略是一种有效的扩大蜂窝材料力学性能范围的设计方法。

图12 曲面蜂窝结构

图 13 曲面蜂窝与相应规则蜂窝的力学性能对比，包括弹性模量 E、压缩强度σ和比能量吸收 SEA

I （3）增强策略：

增强策略是通过人为增加一些加强支柱或局部增强来提高蜂窝结构的力学性能。例如调整单胞的厚度、改变接头的拓扑结构或增加额外的曲面筋条等，如图14所示。

图 15 显示了带有加强支柱的蜂窝与常规经典蜂窝之间的力学性能差异。性能比率主要集中在1到8之间。由于加强支柱设计，部分构型的弹性模量、压缩强度和比能量吸均有所提升。

图 14. 增强支柱蜂窝：（a）具有渐变壁厚的四边形蜂窝；(b) 双材料凹面蜂窝 ；(c) 改进连接铰链的凹面蜂窝；(d) 改进连接铰链手性蜂窝；(e) 具有垂直加强筋的凹六边形和双 V 形蜂窝；(f) 具有水平加强筋的六边形和凹六边形蜂窝

图15 带有加强支柱的蜂窝与相应的常规蜂窝力学性能对比，包括弹性模量 E、抗压强度σ和比能量吸收 SEA

 5　小结

文章综述了提高机械性能的先进蜂窝设计的最新研究进展，讨论了当前先进蜂窝的机遇和挑战。蜂窝材料已成为各种潜在工程、生物医学和纳米制造应用的热点。然而，复杂蜂窝的制造技术仍然具有挑战性，先进设计在改善蜂窝特性方面的应用仍然有限。许多潜在的应用仍处于概念设计阶段，需要更多的实验测试。随着相关研究的进一步深入，蜂窝材料将在建筑、汽车、轨道交通、船舶、航空、航天、卫星、医疗等领域大放异彩，开启更轻、更强、多功能的材料新时代。

原始文献：Chang Qi, Feng Jiang, Shu Yang,Advanced honeycomb designs for improving mechanical properties: A review,Composites Part B: Engineering,Volume 227,2021,109393,ISSN 1359-8368, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109393.

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