[發(fā)明專利]一種基于間接增材制造的金屬基超材料制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110562340.3
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113351827B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳小明;王春江;忻超杰;徐超凡;邵金友;宋啟航;李祥明
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: B22C9/04
• 分類號: B22C9/04;B22C7/02;B22C23/02;B33Y10/00;C08F220/54;C08F220/14;C08F220/06;C23C14/20;C23C14/24
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 弋才富

一種基于間接增材制造的金屬基超材料制備方法，包括以下步驟：將樹脂一次模具浸沒于熔融狀態(tài)的二次模具材料中，使二次模具材料凝固并將樹脂一次模具完全包覆，打磨凝固的二次模具材料使樹脂一次模具上表面完全露出，并將露出的樹脂一次模具通過去除樹脂一次模具工藝去除，再置于蒸鍍機(jī)中均勻包覆一層金屬膜，得到二次模具；將液態(tài)金屬基材料用電潤濕法灌注于二次模具中并使其凝固；除去二次模具任意一個(gè)面上包覆的金屬膜，使其包覆的二次模具材料裸露，置于二次模具溶解劑中以去除二次模具，隨后將其置于金屬膜溶解劑中去除金屬膜，即得所需金屬基超材料；本發(fā)明可以成型低中高熔點(diǎn)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬基超材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明適用于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于一種基于間接增材制造的金屬基超材料制備方法，具體適用于不同熔點(diǎn)的液態(tài)金屬及其金屬基復(fù)合材料進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)化的成型工藝。

背景技術(shù)

超材料是一種人工制造的、三維的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其基本結(jié)構(gòu)單元為人工結(jié)構(gòu)，具有與自然材料不同的超常物理性質(zhì)。超材料表現(xiàn)出的超常物理特性廣泛涉及聲、光、熱、力和電磁學(xué)等領(lǐng)域，在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。近年來，以液態(tài)金屬基復(fù)合材料作為物理載體的超材料以其卓越的電磁特性廣泛應(yīng)用于航空航天“隱身斗篷”、新型無源電子器件、多頻率防震機(jī)構(gòu)等戰(zhàn)略前沿技術(shù)領(lǐng)域，其具備可吸波電磁波、力學(xué)性能優(yōu)異、功能材料性質(zhì)可控等優(yōu)勢。

從液態(tài)金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能和功能屬性等綜合調(diào)控的角度出發(fā)，制造該類復(fù)合材料通常由具有相對較低的熔點(diǎn)的鎵(Ga)、銦(In)、錫(Sn)及其液態(tài)金屬合金組成，并夾雜在軟聚合物結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)顯著的增韌效果，以此為代表的液態(tài)金屬增強(qiáng)增韌聚合物以類似于天然材料的設(shè)計(jì)方式得到可設(shè)計(jì)的優(yōu)良特性。例如，Kazem等人通過機(jī)械混合制備了一種新的復(fù)合材料(EGaIn)，該復(fù)合材料具有嵌入在軟彈性體中的微米級液態(tài)金屬超材料，因其高度易變形的液態(tài)金屬可消散復(fù)合材料受破壞后裂紋尖端中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而具備較高的韌性；Cooper等人已通過高剛度的固體Ga芯對軟質(zhì)苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯的中空彈性體纖維進(jìn)行了增韌，韌性是由較高模量的Ga芯的反復(fù)斷裂而產(chǎn)生的，防止了復(fù)合型芯的災(zāi)難性斷裂，增強(qiáng)了超材料的剛度。另外，由于液態(tài)金屬基復(fù)合材料在制備過程中的低熔點(diǎn)特性，金屬基復(fù)合超材料也體現(xiàn)出熱修復(fù)和形狀記憶的綜合能力。

盡管液態(tài)金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)越的機(jī)械性能，但這些受生物學(xué)啟發(fā)而制造出的液態(tài)金屬-聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)仍僅限于薄膜或纖維，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性和空間取向性仍然受制造工藝和復(fù)合材料功能屬性的制約，相應(yīng)三維結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬基復(fù)合材料的成型仍具有一定的挑戰(zhàn)，且報(bào)道較少。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，使之成為制造三維結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬基復(fù)合材料的有效策略。一方面，就直接打印工藝而言，液態(tài)金屬因其高表面能、熔點(diǎn)低、擠出稀化能力差、不受光敏交聯(lián)成型等特點(diǎn)加大了打印成型的難度，使之不能適用于典型3D打印的工藝方法；另一方面，就間接成型工藝而言，聚合物模具和液態(tài)金屬的界面相容性差、異質(zhì)界面的填充率低、復(fù)合材料流動性差，使得液態(tài)金屬基復(fù)合材料的間接打印成型困難，制造效率低。

Zhang等提出了真空填充來填充3D打印的空心格子支架，與傳統(tǒng)的注射器注射相比，該方法效率高，缺陷少。由于鎵(Ga)在相對較低的溫度范圍內(nèi)具有力學(xué)性能和功能屬性可調(diào)節(jié)的特性，Lu等通過投影微立體光刻3D打印和真空填充鎵制成了新型液態(tài)金屬填充聚合物微晶格的超材料，具有0.8MJ/m³的高斷裂韌性，同時(shí)其表現(xiàn)出形狀記憶效果，在嚴(yán)重?cái)嗔褧r(shí)甚至可以基本恢復(fù)其原始形狀。已經(jīng)證明，當(dāng)施加的壓力超過臨界壓力時(shí)，液態(tài)金屬基復(fù)合材料可以填充浸入聚合物通道，但其臨界壓力與通道尺寸成反比關(guān)系，并且在目前的研究方法中，間接成型后得到的不是純金屬基復(fù)合材料的超材料，由于金屬基復(fù)合材料的熔點(diǎn)、成型精度、成型范圍、力學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)和材料固化屬性的制約，使其功能特性受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于間接增材制造的金屬基超材料制備方法，從表面能調(diào)控、異質(zhì)界面填充及脫模成型等三方面實(shí)現(xiàn)可調(diào)控成型溫度的金屬基超材料間接打印成型，該方法可以成型低中高熔點(diǎn)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬基超材料。