隨著航天器天地往返和地外行星探測等任務的日益頻繁，對輕質、高效、可靠的熱防護系統的需求也更為迫切。目前，國際上的再入返回艙防熱結構大多采用承載與防熱相互分離的蜂窩增強燒蝕材料設計（圖1a），不僅制備工藝困難，彎曲主導構型的二維蜂窩力學性能較弱且設計參數有限，難以同時滿足防隔熱、抗沖刷與輕量化等多功能性要求。

中科院力學所熱結構耦合力學研究團隊前期在三維點陣制備技術取得了突破性研究進展，首次將嵌鎖組裝方法引入3D打印技術中來，通過“降維”打印再嵌鎖組裝的方式實現了高力學性能三維點陣制備（Additive Manufacturing, 2020）；首次提出適應復雜曲面的嵌鎖-鉸接制備工藝，通過釋放胞元之間的轉動自由度實現了大尺寸可展曲面點陣夾層結構制備（Additive Manufacturing, 2022）。最近，該團隊進一步提出了一種適用于返回艙防熱大底的點陣增強結構（圖1b），該結構具有顯著的多功能一體化特征：采用梯度設計，在與氣流接觸外層采用低密度、小胞元設計，能夠消減高速氣流沖刷破壞；在結構內部采用高密度、大胞元設計，可以有效提升抗彎能力。這種拉伸主導構型的三維點陣結構不僅力學性能優異、可設計性強，開孔拓撲結構也有利于燒蝕材料填充，從而大幅降低制備時間、擴大防熱材料的選擇范圍。

剪切性能實驗結果表明，由于點陣材料與燒蝕材料之間的耦合增強效應，點陣材料增強燒蝕材料剪切強度顯著高于點陣材料與燒蝕材料獨立剪切強度之和，即能夠實現“1+1>2”的增強效果（圖2）。為了分析耦合作用機理與影響因素，以樹根系固土等理論為基礎，建立了點陣增強燒蝕材料在面內剪切載荷下的有效剪切強度理論分析模型，并研究了拓撲結構、幾何參數等對點陣增強燒蝕材料剪切強度的影響。研究表明，隨著點陣胞元的減小，復合填充結構的剪切增強效應愈發顯著（圖3）。

該研究成果以“Reinforcement mechanisms of low-strength fragile material under in-plane shear loading by composite lattice structures”為題目，近期發表于Composite Structures。該工作獲得了國家自然科學基金、首批“慧眼行動”航天科技創新基金等項目的支持。

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[1] Composite Structures, 2023, 306:116562.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116562
[2] Additive Manufacturing, 2022, 102761.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102761
[3] Additive Manufacturing, 2020, 101257.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101257