1 导读
蜂窝是典型的多孔材料，具有平面内的二维单元阵列和平面外的平行堆叠，具有周期性拓扑分布的特征。蜂窝结构比其基体材料具有更高的孔隙率和更低的质量密度，因此具有很高的比刚度、比强度和比吸能。
重复单胞的拓扑结构可以显著影响这些超轻材料的机械性能。因此，可以通过合理设计单胞结构使蜂窝具有前所未有的特性，如负泊松比、负热膨胀、压缩扭转和负刚度等。这些违反常规直觉的性能都源于它们的微观结构特征，而不是它们的基体材料。由于其在断裂韧性、抗冲击性、散热、减振和降噪等方面的优异性能，蜂窝材料已广泛应用于建筑、汽车、轨道交通、船舶、航空、航天、卫星、电子通信、纳米制造和医疗领域。
自然界中，蜜蜂通过数百万年的进化构建出了由周期性六边形单胞组成的蜂巢，以储存蜂蜜和花粉。2001 年，Hales证明了经典的六边形蜂窝猜想，即蜜蜂建造的蜂巢可以通过消耗最少的蜂蜡来提供最大的内部空间，表明六边形单元配置是自然界中最有效的结构。神奇的大自然激发了人类开发六角形蜂窝的灵感，蜂窝结构由此而得名。人类对蜂窝结构的认知启蒙最早可以追溯到公元前126年至60年，随后经历了探索阶段和初步应用阶段，直至近些年，进入了多功能、多领域的快速发展阶段。各类不同拓扑构造的蜂窝结构层出不穷，包括三角形、方形、六边形和圆形单胞等，基体材料涉及纸、金属、聚合物、陶瓷和复合材料等，年来，随着电子显微镜技术的发展，微纳米级蜂窝同样得到了广泛的研究，为蜂窝结构从传统工程应用向纳米和生物医学领域应用打开了大门。
图1 基本六边形蜂窝结构及天然蜂窝结构
在日益严格的工程应用要求的驱动下，在过去的二十年里，针对蜂窝材料在拉伸、压缩、剪切和疲劳载荷作用下的基本力学响应已经开展了大量的研究，蜂窝结构的力学行为可分为弹性和塑性响应、静态/准静态和动态（低、中、高速）响应，面内（纵向和横向）和平面外响应等。不同于弹性响应，蜂窝材料在塑性范围内的力学行为更加复杂，表现出更加明显的非线性特征。在压缩下，应力表现出三个不同的阶段，包括弹性阶段、平台阶段和致密化阶段。此外，蜂窝在不同加载方向下的吸能机制也不同。在面内载荷作用下，蜂窝主要通过单元壁的弯曲变形和单元壁接头处的塑性铰来吸收能量；在面外载荷下，它们通过单胞胞壁屈曲和面内变形吸收能量，蜂窝的压缩应力和能量吸收水平通常在面外方向上较高。另外，由于惯性效应和应变率效应，蜂窝在低、中、高速压缩载荷下表现出不同的变形模式和破坏机制。动态载荷下的应力水平和能量吸收率高于静态/准静态。因此，蜂窝经常被用作夹层保护结构的核心，以抵抗严重的动态载荷，如弹道和爆炸冲击。
目前，研究蜂窝力学性能的方法有实验测试、数值模拟、理论分析、经验和半经验拟合等。另外，还会采用拓扑结构、形状和参数优化设计技术提高蜂窝材料在不同目标和约束条件下的力学性能。得益于大自然的启发和人类的智慧创造，蜂窝材料的力学性能有了巨大的飞跃。
2021年10月，复合材料力学领域的顶级期刊《Composites Part B: Engineering》在线发表了大连理工大学与清华大学有关先进蜂窝结构设计及力学性能提升方面的综述文章，论文标题为《Advanced honeycomb designs for improving mechanical properties: A review》。文章结合近二十年来相关论文的研究成果，从宏观和细观两方面介绍了蜂窝结构设计的最新进展，为蜂窝结构力学、结构和材料等领域的研究提供了有意义的指导。
2 八种经典蜂窝结构的几何特征和力学性能
文章总结了六边形、三角形、正方向、圆形、凹角六边形、双v型、手性结构、星形等八种蜂窝结构的几何特征和力学性能。这些传统的蜂窝结构并不能适用于所有的应用场景。特殊应用场景迫切需要具有更高刚度/强度、更好的能量吸收能力和更宽的泊松比范围的材料。在这些经典蜂窝材料的基础上，更多的先进设计方案也在不断提出。
