摘要
摘要
材料轻量化在工业领域中占据着重要地位，而随着结构-功能一体化材料需
求的发展，仅仅减轻质量是难以满足材料的未来使用需求。强度、耐蚀、散热
等多功能耦合的金属空心微点阵材料能够延续着工业上的设计思路，并兼顾材
质设计、结构设计、功能设计于一体，是一种材质-结构-功能一体化的新型超
轻材料。
本文立足于实现低密度、高抗压、耐腐蚀、强散热的金属空心微点阵材料，
在结构方面，对材料的单胞结构进行设计，解决了结构-性能兼容问题，提出了
简单立方结构的结构优化设计方法；在材质方面，对空心管壁的成分进行设计，
解决了传统化学镀方法受限于共沉积的合金类型受限问题，提出了采用铝诱导
化学镀结合热扩散合金化方法制备成分可控、比例可控的多主元合金镀层。而
根据耐蚀性、高强韧性和散热性的需求，选择了CuCoNiFe系合金作为材质设
计目标。
在材质设计方面，通过铝诱导化学镀方法制备了多种金属元素的纯金属层，
探究了铝诱导化学镀的沉积原理和多层沉积的可能性，分析了多层镀层热扩散
合金化的短程扩散机制和工艺方法，为多主元合金空心微点阵材料的材质设计
提供了实验基础和理论依据。铝诱导化学镀制备的镀层质量良好、厚度可控、
成分纯净、性状稳定，是作为多主元成分合金化的重要基础材料。根据多主元
合金镀层的设计方法，制备出了CuCoNi合金镀层。合金镀层具有典型金属特
征的银白色金属光泽，质量良好、微观结构稳定。镀层是由CuNi相和CuCoNi
相两种FCC固溶体相所构成，具有优异的耐腐蚀性。热扩散6小时的合金镀层
样品的自腐蚀电位为-0.218V，自腐蚀电流密度为2.72μA/cm2。
在结构设计方面，通过数值模拟与实际实验相结合的方式，探索了金属空
心微点阵材料的结构参数对于压缩性能和传热性能的影响规律。在壁厚0.01
mm、节点间距2mm和管内径1mm的基础上，增大或减少尺寸数值能够有效
的提高结构的抗压能力。同时，结构的尺寸规模越大，节点数量越多，结构表
现出的抗压能力越优异。在压缩条件下，在空心管与空心管交汇的节点内侧是
应力应变集中的地方。以镍基空心微点阵材料为例，根据表观密度的不同呈现
出沿节点的逐层崩溃和45°斜断的压缩断裂形式。而传热能力受到材料的传热
截面积和材质等因素的影响。以铜基空心微点阵材料为例，空心管管壁的厚度
直接影响材料的传热能力。材料的散热能力主要是通过低的实体体积和高的散
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
热表面积来贡献的。此外，复杂密集的结构形式对于强制冷却也有着很大的副
作用。
结合材质设计与结构设计结果，本文系统的研究了多元合金空心微点阵材
料的整体制备方法，制备了具有节点间距L为4mm，管直径D为0.5mm，壁
厚t为0.1mm为单胞尺寸的简单立方结构的CuCoNiFe多主元合金空心微点阵
材料，验证了多主元合金空心微点阵材料的材质-结构-功能一体化的设计结果。
表观尺寸32mm×32mm×28mm，表观密度0.415g/cm3的CuCoNiFe多主元合
金空心微点阵材料能够承受1496.10N的最大压缩载荷，表现出26.96GPa的压
缩模量，1.46MPa的最大工程应力，比强度达到3518.07N·m/kg。材料的比强
度要比一般的单金属基材料的比强度强得多。CuCoNiFe多主元合金空心微点
阵材料在受到最大压缩载荷时，表现出屈曲变形，塑性形变的特征。CuCoNiFe
多主元成分的合金化明显改善了镍基空心微点阵材料的脆性断裂的特征。通过
对比金属空心微点阵材料的传热性能，CuCoNiFe多主元合金空心微点阵材料
虽然要比铜材质的样品所表现的传热性能差，但同样也表现出不逊色与其他纯
金属样品的热传导能力。并在侧面强制风冷条件下，在CuCoNiFe多主元合金
空心微点阵样品内部形成了均匀的温度场，表现出最好的散热能力。在空冷下
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比散热效率为0.072(℃·cm)/(g·s)，强