[發明專利]負泊松比高磁致伸縮材料及其增材制造方法

有效

• 申請號: 201710045217.8
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106825542B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 吳文征;李桂偉;武子超;蔣吉利;劉巍;趙繼;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;B22F3/22;B22F3/10;B22F3/15;C22C28/00;C22C19/07;C22C1/04;B33Y10/00;B33Y70/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

1.一種負泊松比高磁致伸縮材料，其特征在于高磁致伸縮材料由泊松比小于-1，體積為0.1-1mm³，x、y方向上強度可設計的四韌帶同向手性蜂窩微結構單元累加而成。

2.如權利要求1所述一種負泊松比高磁致伸縮材料的增材制造方法，其特征在于，包括下列步驟：

步驟1、配置TbFe₂磁致伸縮合金粉末凝膠，粉末粒徑為10-120μm，體積分數為55％-70％，凝膠體系的體積分數為30％-45％，凝膠體系的配比為，單體甲基丙烯酸羥乙酯的體積為45-55份，交聯劑二乙二醇二丙烯酸酯的體積為10-20份，引發劑異丙苯過氧化氫和二甲基氨苯的體積分別1-2份，分散劑1.5-2g/ml的聚乙烯比咯烷酮1，2-丙二醇溶液的體積為30-35份，將磁致伸縮合金粉末與凝膠體系加入磁力攪拌器中，攪拌0.5-1小時，制得TbFe₂磁致伸縮合金粉末凝膠；

步驟2、設計泊松比小于-1的四韌帶同向手性蜂窩微結構單元模型，微結構單元蜂窩壁的寬度為w，連接圓柱的韌帶長度為L，圓柱的半徑為r，微結構單元的厚度為b，相鄰圓柱中心之間的距離為R，拉伸時圓柱轉過角度為φ，α＝L/r、β＝w/r、γ＝b/r為結構單元幾何參數的無量綱表達形式；

則四韌帶同向手性蜂窩結構在x、y方向的應變ε_x、ε_y為：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{(r-w/2)\mathrm{\φ}}{\sqrt{L_x^2/4+r^2}}\mathrm{......}\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{(r-w/2)\mathrm{\φ}}{\sqrt{L_y^2/4+r^2}}\mathrm{......}\left(2\right)$

泊松比v_xy為：

$v_{xy}=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x}{{\mathrm{\ϵ}}_y}=-\frac{\sqrt{L_x^2/4+r^2}}{\sqrt{L_y^2/4+r^2}}\mathrm{......}\left(3\right)$

由(3)式可得，當L_x>L_y時，v_xy<-1,

式中L_x、L_y分別為x、y方向上的韌帶長度，

通過能量原理計算四韌帶同向手性蜂窩結構的彈性性模量，

$U=\frac{1}{2}{E}_i{\mathrm{\&epsiv;}}_i^2=\frac{n}{V}{W}_{rib}\mathrm{......}\left(4\right)$

式中U為單元的應變能，

E_i為在i方向上的楊氏模量，

ε_i為在i方向上的應變，

n為單元的韌帶數量，

V為體元的體積，

i為x方向或者y方向，

當受力拉伸時，韌帶只發生彎曲變形，即只有彎矩做功，根據標準梁理論，儲存在單個韌帶中的能量等于韌帶兩端彎矩M所做的功，即：

式中是彎矩M引起的韌帶兩端轉過的角度，

四韌帶同向手性蜂窩結構在x、y方向上的有效韌帶長度L_ex、L_ey為：

$L_{ex}=L_x-2\sqrt{r^2-r-w^2}\mathrm{......}\left(6\right)$

$L_{ey}=L_y-2\sqrt{r^2-r-w^2}\mathrm{......}\left(7\right)$

根據梁彎曲理論，有

I＝bw³/12.......(9)

W_rib＝E_sbw³/2L_e.......(10)

式中式中E_s為磁致伸縮合金材料的楊氏模量，I為韌帶的慣性矩，L_e為有效韌帶長度，聯立式(4)-(10)，得：

$\frac{1}{2}{E}_x{\mathrm{\&epsiv;}}_x^2=\frac{E_s{\mathrm{bw}}^2}{2V}\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_x^2(L_x^2/4+r^2)}{L_{ex}{(r-w/2)}^2}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_x^2(L_x^2/4+r^2)}{L_{ey}{(r-w/2)}^2}\&rsqb;\mathrm{......}\left(11\right)$

$\frac{1}{2}{E}_y{\mathrm{\&epsiv;}}_y^2=\frac{E_s{\mathrm{bw}}^2}{2V}\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_y^2(L_y^2/4+r^2)}{L_{ex}{(r-w/2)}^2}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_y^2(L_y^2/4+r^2)}{L_{ey}{(r-w/2)}^2}\&rsqb;\mathrm{......}\left(12\right)$

將上式化簡成無量綱形式有：

$E_x=\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_x^2/4+1}}{4\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_y^2/4+1}}\frac{E_s{\mathrm{\&beta;}}^3}{{(1-\mathrm{\&beta;}/2)}^2}(\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_x-2\sqrt{2\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}^2}}+\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_y-2\sqrt{2\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}^2}})\mathrm{......}\left(13\right)$

$E_y=\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_y^2/4+1}}{4\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_x^2/4+1}}\frac{E_s{\mathrm{\&beta;}}^3}{{(1-\mathrm{\&beta;}/2)}^2}(\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_x-2\sqrt{2\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}^2}}+\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_y-2\sqrt{2\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}^2}})\mathrm{......}\left(14\right)$

式中E_x，E_y分別為四韌帶同向手性蜂窩結構在x、y方向上的楊氏模量，

根據式(3)(13)(14)，通過設計計算，可得所需強度的泊松比小于-1的四韌帶同向手性蜂窩微結構單元；

步驟3、采用CATIA軟件建立負泊松比微結構單元模型，并由該微結構單元累積成所要成形零件的三維形狀，完成成形零件的宏微觀結構建模；

步驟4、將零件的三維模型文件以STL格式輸入到氣動噴射成形增材制造系統；

步驟5、啟動氣動噴射成形增材制造系統，采用TbFe₂磁致伸縮合金粉末凝膠為原材料，設定成形基板溫度為40-60℃，成形室溫度為70-80℃，通過控制電磁閥的開啟/關閉調節噴射時間的長短，借助減壓閥調節氣壓的大小，噴射速度設定為30-70mm/s，層厚設定為0.1-0.5mm；

步驟6、利用氣動噴射成形增材制造系統進行TbFe₂磁致伸縮合金零件綠體的成形，根據三維模型切片處理的層輪廓信息，成形平臺做XY方向運動，噴頭噴射出TbFe₂磁致伸縮合金粉末凝膠，成形完一層后，噴頭上升一個層厚的高度，再進行下一層切片輪廓的成形，如此層層疊加，直至最后成形出零件三維模型的綠體；

步驟7、將綠體從成形平臺上取下，置于真空箱中干燥，干燥溫度為60-140℃，干燥時間為2-6小時；

步驟8、將干燥后的綠體置于真空爐中保溫脫脂，以5-8℃/min的溫升速率升溫到220-240℃并保溫0.5-1.5h，再升溫到375-425℃并保溫0.5-1.5h，再升溫到450-500℃并保溫0.5-1.5h，完成脫脂過程，然后以5-8℃/min的溫升速率升溫至1200-1300℃并保溫2-3h，完成燒結過程；

步驟9、將燒后的TbFe₂磁致伸縮合金零件取出放入熱等靜壓機中進行致密化處理，保溫溫度為800-1200℃，保溫時間為1-2h，填充氣體為氬氣，壓強為100Mpa，完成零件的致密化后處理。