近日，航天学院复合材料与结构研究所熊健教授课题组在高性能组合晶格材料设计方面取得重要进展。相关成果以“High-performance Programmable Combinatorial Lattice Materials”为题，在固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上发表。该研究旨在克服晶格设计中低效的任意的试错设计问题，为高性能晶格结构和先进材料的发展提供新的思路。

随着航空航天装备服务环境的愈发严峻复杂，传统晶格结构已难以日益严苛的性能需求，迫切需要融合先进特性的晶格结构，以提高其在极端条件下的适应能力。当前，数据驱动方法虽然具备快速高效的优势，但需依赖于大量现有结构的训练数据集；而现有的晶格结构的设计，大多依赖于经验与试错迭代，不仅效率低且成本高，因此目前缺乏高效的晶格设计方法。有鉴于此，受诺贝尔化学奖得主Morten Meldal教授提出的“组合化学（Combinatorial Chemistry）”思想的启发，熊健教授团队提出了一种组合晶格（Combinatorial Lattice）的高效设计方法，构建了晶格结构的可视化性能库，通过组合原理对库晶格进行筛选和优化，进而形成可能的具有目标性能的晶格设计。团队采用熔丝制造技术制备纤维增强复合材料的组合晶格结构，开展了晶格结构的典型压缩力学性能研究，论证了组合晶格设计方法的可行性与有效性。

图1 组合晶格可视化性能库

通过组合晶格方法，开展了晶格结构的各向异性设计和多种力学性能的权衡设计。各向异性设计可以实现高强度、高刚度和高吸能，力学性能的权衡设计可以实现刚度、强度、吸能以及结构稳定性的均衡发展。相较其他晶格结构的性能，组合晶格材料的机械性能接近甚至超过了Gibson-Ashby模型所预测的实验上限，并且逐渐接近H-S和Suquet上限，表现出优异的力学性能。这项工作提供了一个可编程的机械材料设计框架，该框架将几何组合与性能驱动相结合，为开发高性能晶格结构和先进材料提供了一条稳健的途径。

图2 Ashby材料性能选择图

本文通讯作者为航天学院熊健教授，第一作者为航天学院博士研究生赵建。该研究工作是与美国国家工程院院士、加州大学伯克利分校教授Robert O. Ritchie合作完成。哈尔滨工业大学为第一署名单位和独立通讯单位，美国加州大学伯克利分校为第二署名单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校青年教师科研创新能力支持项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2025.106351