文 献 综 述
1.1 研究背景
多孔结构功能一体化材料是指除了具有基本的力学性能外，在轻质、调频、减噪、吸波等方面具有特殊性能的多孔构型材料，将其填充于零部件内部已成为实现结构多功能化的重要手段之一。伴随着增材制造技术的发展，传统机加工、铸造、模塑等工艺难以实现的复杂零部件可以被构建出来，这为多孔结构功能一体化材料的发展提供了坚实的制造基础。目前，这种材料已应用于航空航天和医疗领域，如超高速飞行器关键部件的优化设计和多孔植入假体。
人工种植体长期无菌性松动再骨折是临床上致命的并发症，主要人工植入物的问题是“应力屏蔽”。由于它们的弹性模量具有较大的差异性，压力不能充分的从金属植入器转移到骨头，没有足够应力的骨细胞受到刺激从而死亡并被吸收，从而导致植入物松动，有时会发生骨折。近年来，为了降低应力屏蔽现象，通过多孔结构来调节植入体的弹性模量成为了有效途径。
为了获得更好生物力学性能的植入体,可以将其表面或者全部模型设计成多孔结构。虽然目前多孔结构的设计和制造／制备方法有很多,但是大多都建立在传统制造方法的基础上,随着增材制技术的发展,更大设计自由度的多孔结构可以被制造出来,包括其中一些精细微小的几何特征。所以更多地考虑仿生的结构和力学参数,对植入体进行多孔化设计和制造是一项非常有意义的研究。
力学性能(表观弹性模量和抗压强度)可控的多孔支架对于人工种植体和骨组织工程具有重要意义。本研究提出了一种基于voronoi -镶嵌的自顶向下设计方法。该方法成功地获得了具有指定的多孔尺度和功能梯度孔隙度的微观结构。拟采用增材制造技术制备了多孔试样，并进行准静态压缩试验。
1.2 国内外发展现状
在过去的几十年里，汽车和其他行业对轻量化和高效能量吸收结构和材料的需求一直在增长。大量的出版物表明，与传统的均匀结构和材料相比，具有功能梯度性能的高级结构可以以更可控的方式倒塌，并具有显著的能量吸收效率。Xu F, Zhang X, Zhang H等[2]主要介绍了级配结构和材料的吸能技术现状，并讨论了级配性能对其耐撞性的影响。这些先进的吸能结构和材料主要包括变径、变宽、变壁厚、变强度的薄壁结构、变密度泡沫材料及其填充结构，以及其他具有多重梯度性能的杂化结构。研究结果表明，通过引入梯度性能，薄壁结构和蜂窝材料可以表现出更高效、更有效的吸能性能。此外，一些先进的制造和建模技术，如3D打印、多尺度计算等，为梯度结构和材料提供了更广泛、更可行的概念设计。
作为多孔结构功能一体化材料发展的瓶颈之一，功能性微结构的几何建模技术近年来吸引了研究人员广泛的关注。南京航空航天大学机电学院的雷鹏福，戴宁等[14]提出了了一种复合函数驱动的微结构建模技术，该技术无需在实体层次上进行布尔运算操作，能在三轴方向任意调控微结构的分布周期与单元尺寸。通过对生成的规则方形截面微结构施加仿射、弯曲算子操作，来获得具有一定曲面适形效果的圆形截面微结构模型，这为结构功能一体化材料结构的参数化控形和控性提供了重要的技术支撑。
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