[發(fā)明專利]一種利用氫致膨脹效應(yīng)的可調(diào)變形復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法和應(yīng)用

在審

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• 申請(qǐng)日: 2019-12-13
• 公開（公告）號(hào): CN113059156A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周承商;劉詠;段中元
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): B22F5/00
• 分類號(hào): B22F5/00;B22F10/00;B22F3/24;B23P15/00;B33Y10/00;B33Y70/00;B33Y80/00;C23C14/16;C23C14/35;C23C14/58;B32B15/16;B32B15/01;B32B15/18;B32B15/20
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發(fā)明涉及一種利用金屬的氫致膨脹作用，形成一種可調(diào)節(jié)變形的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及制備方法。所述氫致膨脹作用是指某些金屬在氫氣氣氛和一定溫度條件下，吸收氫氣產(chǎn)生體積膨脹效應(yīng)。金屬與氫的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，在降低氫氣分壓或升高溫度情況下，金屬中的氫氣可以脫除，使得金屬恢復(fù)原狀。在外界氫+熱的刺激下，吸氫金屬與其他非吸氫材料的復(fù)合體可按設(shè)計(jì)發(fā)生可調(diào)控的變形，從而使得材料發(fā)生可逆的形狀改變。本發(fā)明提供了一種在中高溫度、含氫氣氛下發(fā)生可逆的、可調(diào)節(jié)形變的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及制備方法。本方法可作為一種新型4D打印復(fù)合材料，可應(yīng)用于在中高溫下工作的智能形狀調(diào)節(jié)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用氫致膨脹效應(yīng)的可調(diào)變形復(fù)合結(jié)構(gòu)以及制備方法和應(yīng)用；屬于4D打印技術(shù)開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

4D打印是由3D技術(shù)打印的結(jié)構(gòu)能夠在外界刺激下發(fā)生形狀或者結(jié)構(gòu)改變的一種技術(shù)。在3D打印過程中，直接將復(fù)合材料與變形結(jié)構(gòu)內(nèi)置到物料當(dāng)中，使得復(fù)合材料在使用中能自動(dòng)組裝構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和裝配的一體化融合。4D打印技術(shù)中涉及的變形結(jié)構(gòu)一般由具有形狀記憶功能的高分子聚合物或形狀記憶合金材料構(gòu)成。

引發(fā)4D打印結(jié)構(gòu)自組裝或變形動(dòng)作的刺激(stimulus)一般為：熱刺激、水刺激、光熱刺激等。然而，目前報(bào)道的4D打印的結(jié)構(gòu)多以：高分子聚合物變形體系，以及形狀記憶合金的變形驅(qū)動(dòng)。但是形狀記憶合金的應(yīng)用存在使用溫度偏低、變形精度較差、循環(huán)后記憶效應(yīng)衰退、變形速率偏低的問題。

氫在一些合金中有較高的固溶度。例如，氫在β-Ti相的固溶度按Ti/H比例可達(dá)1:1以上，由于氫原子占據(jù)大量β-Ti晶格間隙位置，吸氫后金屬體膨脹可達(dá)15％以上。該膨脹效應(yīng)可產(chǎn)生非常可觀的應(yīng)變和應(yīng)力，引導(dǎo)材料伸長或彎曲。

發(fā)明內(nèi)容

研究發(fā)現(xiàn)：許多金屬和合金能在一定條件下與氫氣反應(yīng)，具有存儲(chǔ)和釋放氫氣的功能，被作為儲(chǔ)氫功能材料使用。然而，在金屬吸氫反應(yīng)過程中，由于晶格參數(shù)變化，會(huì)產(chǎn)生明顯的體積膨脹。例如：金屬鈦吸氫完全轉(zhuǎn)化為氫化鈦后，體積膨脹可達(dá)15％以上。金屬吸氫導(dǎo)致的膨脹現(xiàn)象，該膨脹效應(yīng)可產(chǎn)生非常可觀的應(yīng)變和應(yīng)力。利用氫致形變效應(yīng)，在外加的氫+熱刺激下，使合金發(fā)生形狀改變，從而使機(jī)構(gòu)完成某些預(yù)定動(dòng)作和功能。該類可變形材料還有望滿足空天飛行器、衛(wèi)星、空間站等多種航空航天應(yīng)用場(chǎng)景下的自組裝、自變形結(jié)構(gòu)需求。

本發(fā)明一種利用氫致膨脹效應(yīng)的可調(diào)變形復(fù)合結(jié)構(gòu)；復(fù)合體由金屬A和材料B復(fù)合組成；所述金屬A具有吸氫膨脹能力；所述材料B不具備吸氫膨脹能力或在同等條件下吸氫膨脹能力小于金屬A的吸氫膨脹能力。作為優(yōu)選，金屬A、材料B的賦存狀態(tài)為塊體或薄膜。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種利用氫致膨脹效應(yīng)的可調(diào)變形復(fù)合結(jié)構(gòu)；所述金屬A包括但不限于，鈦、釩、鋯、鉿、鈀、稀土及其合金。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種利用氫致膨脹效應(yīng)的可調(diào)變形復(fù)合結(jié)構(gòu)；材料B選自碳鋼、不銹鋼、銅合金、高溫合金、難熔合金中的至少一種。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種利用氫致膨脹效應(yīng)的可調(diào)變形復(fù)合結(jié)構(gòu)；由金屬A和材料B復(fù)合組成的復(fù)合體，連接處為緊密的冶金連接，且金屬A和材料B在變形激活條件下具有一定的塑性，材料延伸率應(yīng)2％，在金屬A膨脹導(dǎo)致整個(gè)材料變形時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)任何宏觀或微觀裂紋。作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案所述金屬A、材料B成復(fù)合。

本發(fā)明中可調(diào)變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形激活過程；包括下述步驟：

步驟一

將由金屬A和材料B組成的復(fù)合體，置于氫氣、或含氫氣體環(huán)境下，施加可使吸氫金屬A發(fā)生吸氫的溫度，吸氫金屬A發(fā)生膨脹，導(dǎo)致整個(gè)復(fù)合體變形，復(fù)合體變形可以但不限于：伸長、彎曲、扭轉(zhuǎn)；得到變形件；

對(duì)于需要回復(fù)原狀的物件，完成步驟一的變形后，還需步驟二；

步驟二