1.4 国内外研究现状

微结构材料的卓越性能优势吸引了国内外众多研究学者和机构对其进行深入研究和推广应用，一度掀起了研究热潮。

美国密歇根大学（University of Michigan）MA Z D致力于大刚度、大阻尼纳米微结构材料的研究，成功设计了一种可呈现“压缩-收缩”特性的双箭头微结构，将微结构材料研究从二维空间拓展到三维空间，开发了具有负泊松比特性的非充气轮胎 ^[10] ，并且将其应用于军用车辆、全地形车、工业叉车等特种车辆。美国波音公司下属的HRL实验室致力于将微结构设计和先进快速成型技术巧妙融合，开发了一种轻质金属镍气凝胶材料，是由连通Nickel-phosphorus Alloy中空管组成的三维材料，中空管的厚度极薄，还达不到人类头发直径的1/1000。在能量吸收和轻量化方面表现出不俗的实力，未来有望在航空航天领域（地板、行李架等）、汽车（内外饰等）等领域得到应用 ^[11] 。麻省理工学院（MIT）对微结构材料的研究延伸到微米级甚至纳米级。深入探究自然界中生物内部的真实形态，研究其进化机理，洞悉生物本质的同时为其在机械领域的应用奠定了理论基础，从而更好地为人类服务。

目前我国对微结构材料的研究基本处于理论阶段，主要集中于微结构材料吸能、NVH与热管理性能方面。大连理工大学ZHANG W等将双箭头型负泊松比微结构应用于吸能块上，并分析其在平台应力区阶段的力学性能 ^[12] ，验证了双箭头型微结构在冲击碰撞方面具有优异的吸能特性。何冬林 ^[13] 等提出多孔吸声材料是一种重要的吸声降噪手段，并且一些新型多孔材料的低频吸声性能已经得到很大的提高。而微结构材料在热管理性能方面的应用也开展了一些研究 ^[14-17] ，目前已可将通孔泡沫结构应用于紧凑型换热器、热沉、热管、太阳能吸收器等设备中，进一步提高或优化设备的热/质传递性能。此外，一些车展已经展出相应的概念产品，部分厂商也开始通过与国外主要从事微结构材料研发的机构进行合作，加速微结构材料应用产品的研发进程。

尤其，微结构材料本身在发生不同程度变形及在不同的低频振动下，具有不同的吸能减振和缓冲降噪的能力 ^[18，19] ，该特性使得微结构材料在自行车轮胎上得到了广泛应用。美国Britek Tire&Rubber研发公司将Energy Return Wheel技术运用在自行车上，研制出一款新型非充气防刺轮胎。如图1-6a所示，这种镂空轮胎设计成孔状结构排布，无需充气，采用质量很轻的纳米管增强材料材料支撑柱体，可提供良好的减振效果。该轮胎根据地形的不同自行改变张力，让车轮更加坚固或更加舒服地骑行。如今，随处可见的摩拜单车轮胎同样采用了微结构设计的思想，如图1-6b所示。

全球轮胎、橡胶行业领军企业普利司通宣布，旗下公司在轮胎无需填充空气的技术——非充气轮胎概念（Air Free Concept）面向实用化的道路上又取得了新的成果，可应用于自行车的非充气轮胎诞生了，图1-7（见彩插）所示为其研发的Air Free Concept非充气轮胎。该轮胎以非充气为研究目标，通过设计特殊形状的辐条来满足各种工况下的载荷需求。此外，轮胎还采用环保材料，满足结构设计的可持续发展要求，所采用的可再生树脂与橡胶材料为在全球创造绿色环保移动和可循环性社会作出贡献。

同理，微结构材料的可设计特点也扩展到了汽车轮胎。美国Polaris公司非充气轮胎Sportsman WV850 H.O.全地形越野车性能相当彪悍，除了具备普通轮胎的常规性能，非充气的特点使其具备即便是被大口径子弹击中，依然能保持高速行驶的能力，如图1-8（见彩插）所示。这些性能都归功于轮胎内部所设计的类蜂窝状微结构，通过对类蜂窝结构的合理设计，不仅使轮胎性能大幅度提升、减重效果明显，而且免充气、方便快捷。

基于卓越的性能优势和巨大的发展潜力，微结构材料迅速叩开并踏入了航空航天、汽车等领域的大门。通过恰当的优化设计和合理的微结构填充，车身、汽车内外饰、底盘和动力系统等部件都可基于功能导向性设计方法采用微结构来设计。结合新型3D打印技术，微结构化汽车的实现成为可能。2018年日本工业博览会上的一款3D打印微结构化汽车成为一大亮点，如图1-9（见彩插）所示，该微结构化汽车较好地融合了3D打印技术和微结构材料设计技术，将车身各个部件进行整合，在保证其基本性能的前提下，对车身进行微结构化处理和设计。放眼于未来汽车市场，微结构材料的使用将会给汽车轻量化技术带来一轮崭新的冲击，其所带来的经济效益和良性循环效应不可估量。 4q4SanjtNNS9syfsphaV1xLrnbos2NN5w0pWV8gVdkiBWJKISQsFWRV+Nn/VMy37