[發(fā)明專利]負(fù)泊松比高磁致伸縮材料及其增材制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710045217.8
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106825542B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 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(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種負(fù)泊松比高磁致伸縮材料及其增材制造方法，為功能材料領(lǐng)域，是機械工程、信息、材料科學(xué)交叉的領(lǐng)域。

背景技術(shù)

磁致伸縮材料是指在磁場作用下，其長度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動或聲波，實現(xiàn)將電磁能轉(zhuǎn)換成機械能或聲能，相反也可以將機械能轉(zhuǎn)換成電磁能。它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料，在水聲換能器技術(shù)，電聲換能器技術(shù)、海洋探測與開發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機翼、機器人、自動化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門、泵、波動采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

磁致伸縮材料的主要制備方法是定向凝固法，通過控制材料的晶粒取向，生成單方向生長的柱狀晶，甚至單晶，不產(chǎn)生橫向晶界或橫向晶界較少，從而提高材料的磁致伸縮性能，但是單晶成本高，尺寸也受到限制，而且不易加工。工業(yè)生產(chǎn)中在器件上廣泛應(yīng)用還是多種元素化合而成的多晶合金材料，但合金的晶粒取向雜亂無章，會使材料的磁致伸縮性能降低，從而又難以實現(xiàn)理想的磁致伸縮效果，且磁致伸縮材料多屬于硬脆材料，傳統(tǒng)機械加工較難，不易加工制造成復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。

負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料是指在受到單向拉伸時，材料會發(fā)生側(cè)向的膨脹，通過改變負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，可以改變負(fù)泊松比值的大小，伴隨著這種特殊的拉漲現(xiàn)象，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出更加出色的力學(xué)和物理性能，當(dāng)負(fù)泊松比值小于-1時，可以通過橫向形變實現(xiàn)縱向變形的放大，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)微多孔結(jié)構(gòu)，多孔結(jié)構(gòu)可顯著提高硬脆性材料的塑性。但負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜且排列有序，采用傳統(tǒng)機械加工方法，通常難以加工出大塊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)零件。

綜上所述，現(xiàn)有的磁致伸縮材料存在磁致伸縮性能不理想，材料硬度高，脆性大，不易采用傳統(tǒng)機械加工方法加工的問題，材料的強度不可設(shè)計；材料的微結(jié)構(gòu)單元采用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)材料位移的放大，同時提高材料的力學(xué)和物理性能，但是因為負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以采用傳統(tǒng)機械加工方法制造。本發(fā)明針對以上問題，將磁致伸縮材料與負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)相結(jié)合，采用泊松比小于-1微結(jié)構(gòu)單元設(shè)計，可設(shè)計成形材料x、y方向上的力學(xué)強度，按需放大材料的線磁致伸縮效應(yīng)和體磁致伸縮效應(yīng)，采用噴射成形增材制造技術(shù)成形，可直接近凈成形出任意結(jié)構(gòu)的零件，結(jié)合后處理工藝，可提高成形樣件的綜合力學(xué)性能，從而實現(xiàn)高磁致伸縮性能的磁致伸縮零件增材制造。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種負(fù)泊松比高磁致伸縮材料及其增材制造方法，將磁致伸縮材料與負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)相結(jié)合，采用噴射成形增材制造技術(shù)成形，以解決現(xiàn)有磁致伸縮合金材料磁致伸縮效果不理想，材料綜合力學(xué)性能較差，采用傳統(tǒng)機械加工方法加工較難的問題，實現(xiàn)高磁致伸縮性能，強度可設(shè)計，任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)磁致伸縮材料零件的增材制造。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明所述的負(fù)泊松比高磁致伸縮材料，由泊松比小于-1，體積為0.1-1mm³，x、y方向上強度可設(shè)計的四韌帶同向手性蜂窩結(jié)構(gòu)累加成面，由面累加成體而成；

本發(fā)明所述的負(fù)泊松比高磁致伸縮材料的增材制造方法，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?jǐn)?shù)為55％-70％，凝膠體系的體積分?jǐn)?shù)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(lián)劑二乙二醇二丙烯酸酯的體積為10-20份，引發(fā)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(shè)計泊松比小于-1的四韌帶同向手性蜂窩微結(jié)構(gòu)單元模型，如圖所示，微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)過角度為φ，α＝L/r,β＝w/r,γ＝b/r為結(jié)構(gòu)單元幾何參數(shù)的無量綱表達(dá)形式；

則四韌帶同向手性蜂窩結(jié)構(gòu)在x、y方向的應(yīng)變ε_x、ε_y為：

泊松比v_xy為：

由(3)式可得，當(dāng)L_x>L_y時，v_xy<-1,