采用高分子点阵模板构筑超轻金属空心管点阵材料的方法技术

超轻点阵材料(密度ρ≤10mg/cm

A Method of Constructing Lattice Material of Ultra-Light Metal Hollow Tubes Using Polymer Lattice Template

Ultra-light lattice materials (density P < 10 mg/cm)

【技术实现步骤摘要】
采用高分子点阵模板构筑超轻金属空心管点阵材料的方法
本专利技术属于轻质功能材料
，具体涉及采用高分子聚合物模板的空心管点阵材料及其制备方法，提供了一种低密度、可回复性、孔隙率高的新型三维点阵材料的制备技术。
技术介绍
社会的发展是以材料的进步为基础，随着社会的进步，对于新型材料的需求也愈发强烈。超轻材料具有低密度，优异的比强度和比刚度，隔热保温，降噪和缓冲等性能，因为这些独特的物理化学性能在实际应用中引起越来越多的关注，被誉为结构-功能一体化材料。材料之所以密度低，是因为其内部的孔隙结构，一般孔隙率约为30％-99％。多孔材料以孔径大小区分用途，毫米微米级孔径侧重于材料的功能性，毫米级孔径侧重轻量化生产，隔热降噪等性能。超轻材料虽然具有如此之多优异的性能，但由于制作过程的局限，发泡技术本身就具有任意性，必然存在微观缺陷，无法实现完全的均匀性，这在一定程度上限制了超轻多孔材料的应用。3D打印技术，又叫增材制造技术，利用三维软件(Solideworks、UG、Pro/E等)对目标结构进行设计，再配以合适的原材料和设备，快速准确的打印出成品，从而实现自由制造。但是由于技术发展水平的限制，现有的增材制造技术在合金材料方面很难实现纳米毫米级的精细打印。点阵材料是由结点和结点间连接杆件单元组成的周期性结构材料。它的特点在于细观构型均为三维网架体系,网架中的空隙没有用来承载的填充物。采用这种设计不仅节省了大量的质量,还提高了比刚度和比强度,在同等重量下点阵材料比无序微结构金属泡沫具有更好的力学性能，网架之间的空隙能够执行储油、配置电池等功能化要求:材料的多孔特点满足了进行对流换热的要求，网架独特的伸展性能使得其促动、制动和阻尼振动的研究大有发展空间。
技术实现思路
为此将新兴的3D打印技术与成熟的薄膜沉积技术结合，制作出有序的、均匀的周期性超轻点阵材料显得尤为必要。化学镀是在实际生产中应用的表面沉积技术，膜层附着性好，表面致密，镀层分布均匀，且膜层厚度通过沉积时间可控，沉积速率快，重复性好，可以实现纳米厚度的沉积。但以往化学镀表面沉积技术发展的着重点在耐磨性及硬度的提高，鲜有研究关注弹性。金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)具有制备大面积均匀薄膜，按设定比例控制材料成分，灵活的气源控制，反应气体压力可调，热解沉积材料纯度高，沉积速率快等优点而在纳米材料，薄膜制备和表面改性等方面有着广泛的应用。原子层沉积是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。原子层沉积具有非常良好的发展前景，已经由平面沉积发展到三维沉积。本专利技术通过调整化学镀液配方，得到了弹性的镀层，其次，本专利技术采用的模板材料为高分子聚合物，其中可降解材料聚乳酸制备的点阵材料性能最佳，聚乳酸是含有酯基的脂肪族聚酯，这类材料采用碱性条件加热处理，可以实现降解；不可降解材料采用溶解或加热处理去除。目前为止，高分子聚合物表面进行化学镀的研究还鲜有报道，可降解材料化学镀的提出可以促进相关研究的发展。可降解材料对于点阵材料的制备，本身具有很大的优势，相比于不可降解的ABS塑料，尼龙等，虽然ABS塑料，尼龙等可以溶解去除，但是高分子材料在溶解之前要先溶胀过程，如果在溶液中的膨胀率过大，溶胀会使表面沉积的金属薄膜破裂，影响整体的性能，采用降解方法去除模板可以降低溶胀所带来的不良后果，因而可降解材料作为模板制备的点阵材料性能会优于溶解制备点阵材料的性能。高分子聚合物材料表面进行化学镀，促进了制造技术的发展，可以实现复杂形状的制造。通过3D打印方法，制作出复杂形状的模板，进行化学镀后，去除模板，可以得到形状复杂的纳米级空心材料。本专利技术的目的之一是提供一种金属空心管点阵材料的制备方法。本专利技术制备的点阵材料具有三维有序多孔结构，孔隙率为99.62％，工艺流程简单，具有超轻密度，最优条件下制备的点阵材料在超过60％的应变条件下，表现出可回复性。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：1)采用增材制造技术制备三维点阵模板：(a)选择增材制造技术:熔积成型(FDM)、数字光处理(DLP)、选择性激光烧结(SLS)等。(b)选择模板材料：所述的三维点阵聚合物模板的材料为高分子聚合物，包括有复合光敏树脂、丙烯酸酯类树脂、环氧树脂、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、聚已内酯等含有酯基的脂肪族聚酯材料、尼龙、高精蜡等。(c)选择模板的点阵结构，包括：简单立方、体心立方、面心立方、简单六方、简单四方、体心四方、R心六方、简单正交、O心正交、体心正交、面心正交、简单斜方、O心单斜、简单三斜、金刚石正四面体结构。(d)选择模板的点阵参数，包括：模板整体尺寸为长2.5-5.0cm、宽1.5-4.0cm、高0.8-2.0cm，构成点阵结构的单元结构中，单元柱的长度为1-5mm，单元柱的直径0.3-2mm。，每个晶格单元的边长为3-5mm。综合以上条件，采用增材制造技术制备出不同点阵结构和参数的模板。2)在点阵模板表面沉积金属薄膜，得到成型结构体；其具体操作步骤包括：(a)模板预处理：在丙酮和去离子水中超声浸洗15-30min，自然干燥。(b)模板表面处理：模板要经过粗化、中和、敏化和活化的步骤使施镀过程顺利进行。(c)在三维点阵模板表面沉积金属，得到成型结构体。3)将制备的成型结构体进行打磨预处理，放入溶液浸泡或者加热处理去除模板。根据本专利技术的一个方面，提供了采用高分子聚合物模板制作空心管点阵材料的方法，其特征在于包括有下列三个制备步骤：采用增材制造技术制备一定结构的三维点阵模板，其中所述三维点阵模板由高分子聚合物材料制成；在三维点阵模板表面沉积金属薄膜，得到成型结构体；将模板打磨处理后放入溶液或加热处理去除模板，得到超轻空心管点阵材料。本专利技术提供的点阵金属材料是一种性能优异的轻质点阵材料，与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术所使用的点阵模板的结构采用三维软件设计，结构有序、可设计性强。2、本专利技术所使用的技术是增材制造技术，能制备出在精度范围内任意结构点阵结构模型，制备周期短。3、本专利技术所使用的制备空心管点阵材料的方法是化学镀、金属有机化学气相沉积和原子层沉积。化学镀是在实际生产中成熟应用的表面沉积技术，膜层附着性好，表面致密，镀层分布均匀，且膜层厚度通过沉积时间可控，沉积速率快，重复性好；金属有机化学气相沉积技术具有制备大面积均匀薄膜，按设定比例控制材料成分，灵活的气源控制，反应气体压力可调，热解沉积材料纯度高，沉积速率快等优点而在纳米材料，薄膜制备和表面改性等方面有着广泛的应用；原子层沉积技术是一种可以将物质以单原子膜形式分层镀在基底表面的一种薄膜沉积技术，膜层分布均匀，且膜层厚度通过时间可控。4、本专利技术将1-3涉及的技术结合起来，制备的全部空心管点阵材料具有三维有序多孔结构，其中化学镀镍得到的一种空心管材料具有超轻密度4.81mg/cm3。通过重复压缩试验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.空心管点阵材料的制备方法，其特征在于包括有下列三个制备步骤：采用增材制造技术制备三维点阵模板，其中所述三维点阵模板由高分子聚合物材料制成；在三维点阵模板表面沉积金属薄膜，得到成型结构体；去除所述三维点阵模板，得到超轻空心管点阵材料，其中，去除所述三维点阵模板的操作包括：(1)将模板打磨处理后放入溶液；(2)将模板加热处理。

【技术特征摘要】
1.空心管点阵材料的制备方法，其特征在于包括有下列三个制备步骤：采用增材制造技术制备三维点阵模板，其中所述三维点阵模板由高分子聚合物材料制成；在三维点阵模板表面沉积金属薄膜，得到成型结构体；去除所述三维点阵模板，得到超轻空心管点阵材料，其中，去除所述三维点阵模板的操作包括：(1)将模板打磨处理后放入溶液；(2)将模板加热处理。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的增材制造技术包括：熔积成型(FDM)、数字光处理(DLP)、选择性激光烧结(SLS)其中熔积成型(FDM)用的工艺参数为包括：分层厚度：0.05-0.1mm，喷嘴温度150-200℃；数字光处理成型(DLP)的工艺参数包括：投影分辨率768×480，投影光波段350-450nm，切片厚度20-50μm，室温固化，每层固化时间5-10s，步进电机每次运动时间为1-5s；选择性激光烧结(SLS)的工艺参数包括：激光功率10-50W，预热温度100-180℃，切片厚度0.1-2mm，扫描速度1000-2000mm/s。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的三维点阵模板的结构包括从简单立方、体心立方、面心立方、简单六方、简单四方、体心四方、R心六方、简单正交、O心正交、体心正交、面心正交、简单斜方、O心单斜、简单三斜、金刚石正四...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨青林，赵允刚，赵新青，郭林，江雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11