一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种利用金属的氢致膨胀作用，形成一种可调节变形的复合材料结构及制备方法。所述氢致膨胀作用是指某些金属在氢气气氛和一定温度条件下，吸收氢气产生体积膨胀效应。金属与氢的反应是可逆反应，在降低氢气分压或升高温度情况下，金属中的氢气可以脱除，使得金属恢复原状。在外界氢+热的刺激下，吸氢金属与其他非吸氢材料的复合体可按设计发生可调控的变形，从而使得材料发生可逆的形状改变。本发明专利技术提供了一种在中高温度、含氢气氛下发生可逆的、可调节形变的复合材料结构以及制备方法。本方法可作为一种新型4D打印复合材料，可应用于在中高温下工作的智能形状调节。

【技术实现步骤摘要】
一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构以及制备方法和应用；属于4D打印技术开发

技术介绍
4D打印是由3D技术打印的结构能够在外界刺激下发生形状或者结构改变的一种技术。在3D打印过程中，直接将复合材料与变形结构内置到物料当中，使得复合材料在使用中能自动组装构型，实现研发、设计、制造和装配的一体化融合。4D打印技术中涉及的变形结构一般由具有形状记忆功能的高分子聚合物或形状记忆合金材料构成。引发4D打印结构自组装或变形动作的刺激(stimulus)一般为：热刺激、水刺激、光热刺激等。然而，目前报道的4D打印的结构多以：高分子聚合物变形体系，以及形状记忆合金的变形驱动。但是形状记忆合金的应用存在使用温度偏低、变形精度较差、循环后记忆效应衰退、变形速率偏低的问题。氢在一些合金中有较高的固溶度。例如，氢在β-Ti相的固溶度按Ti/H比例可达1:1以上，由于氢原子占据大量β-Ti晶格间隙位置，吸氢后金属体膨胀可达15％以上。该膨胀效应可产生非常可观的应变和应力，引导材料伸长或弯曲。
技术实现思路
研究发现：许多金属和合金能在一定条件下与氢气反应，具有存储和释放氢气的功能，被作为储氢功能材料使用。然而，在金属吸氢反应过程中，由于晶格参数变化，会产生明显的体积膨胀。例如：金属钛吸氢完全转化为氢化钛后，体积膨胀可达15％以上。金属吸氢导致的膨胀现象，该膨胀效应可产生非常可观的应变和应力。利用氢致形变效应，在外加的氢+热刺激下，使合金发生形状改变，从而使机构完成某些预定动作和功能。该类可变形材料还有望满足空天飞行器、卫星、空间站等多种航空航天应用场景下的自组装、自变形结构需求。本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；复合体由金属A和材料B复合组成；所述金属A具有吸氢膨胀能力；所述材料B不具备吸氢膨胀能力或在同等条件下吸氢膨胀能力小于金属A的吸氢膨胀能力。作为优选，金属A、材料B的赋存状态为块体或薄膜。作为优选方案，本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；所述金属A包括但不限于，钛、钒、锆、铪、钯、稀土及其合金。作为优选方案，本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；材料B选自碳钢、不锈钢、铜合金、高温合金、难熔合金中的至少一种。作为优选方案，本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；由金属A和材料B复合组成的复合体，连接处为紧密的冶金连接，且金属A和材料B在变形激活条件下具有一定的塑性，材料延伸率应>2％，在金属A膨胀导致整个材料变形时，复合结构不会出现任何宏观或微观裂纹。作为进一步的优选方案所述金属A、材料B成复合。本专利技术中可调变形复合结构的变形激活过程；包括下述步骤：步骤一将由金属A和材料B组成的复合体，置于氢气、或含氢气体环境下，施加可使吸氢金属A发生吸氢的温度，吸氢金属A发生膨胀，导致整个复合体变形，复合体变形可以但不限于：伸长、弯曲、扭转；得到变形件；对于需要回复原状的物件，完成步骤一的变形后，还需步骤二；步骤二将步骤一所得的变形复合体，置于不含氢、或低氢含量气体环境下，施加可使吸氢金属A释放氢气的温度；吸氢金属A发生收缩，导致整个复合体回复原状。本专利技术中可调变形复合结构的变形过程中，通过调节环境氢气含量、或氢气浓度、或氢气分压、或温度，以控制吸氢金属A的吸氢量，从而控制复合体的变形量；所述氢气含量、或氢气浓度、或氢气分压、或温度由所选用的吸氢金属A的物理化学属性决定。在本专利技术中，变形件可以直接使用在一些特定的环境下。本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构的制备方法，通过传统金属制备加工方法制得所述复合结构；所述传统金属制备加工方法包括但不限于：轧制、锻压、挤压，扩散焊、摩擦焊、爆炸复合中的至少一种；或通过金属薄膜制备方法制得所述复合结构；所述金属薄膜制备方法包括但不限于：化学气相沉积、物理气相沉积、电镀中的至少一种；或通过3D打印技术包括但不限于：铺粉式激光打印、电子束打印，送粉式激光或电子束打印，熔丝电子束打印，粘结剂喷射3D打印，粉末光固化3D打印中的至少一种。作为优选方案，本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构的制备方法，以所述材料B作为基底，在含氢环境中进行3D打印，得到含氢的复合结构；或以所述金属A作为基底，先对基底金属A进行吸氢处理；然后再含氢环境下在基底材料A上进行3D打印，得到含氢的复合结构；或以所述材料B作为基底，在含氢环境中镀上金属A的薄膜，得到含氢的复合结构；或以所述金属A作为基底，先对基底金属A进行吸氢处理；在含氢环境中镀上材料B的薄膜，得到含氢的复合结构。作为优选方案，本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构的制备方法，其变形可通过：将含氢的复合结构置于不含氢、或低氢含量气体环境下，施加可使吸氢金属A释放氢气的温度；吸氢金属A发生收缩，导致整个复合体变形，复合体变形可以但不限于：伸长、弯曲、扭转；得到变形件；如需使变形件重复回复-变形的过程，通过吸氢和放氢来控制。本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构的应用，所述复合结构的应用的应用包括用于密封、紧固、压紧释放、机器人、智能变形结构领域中的至少一种。本专利技术一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构的应用；所述一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构用于制备多孔和/或致密薄膜材料；或以所述复合结构作为基底，在氢气环境中进行3D打印；即可实现4D打印；或以所述复合结构作为基底，先对基底进行吸氢处理；然后再脱氢环境下进行3D打印；即可实现4D打印。在工业也上使用时，以所述复合结构作为基底，在氢气环境中进行3D打印；完成打印后，在脱氢环境中脱氢；即可得到4D打印产品。在工业也上使用时，以所述复合结构作为基底，先对基底进行吸氢处理；然后再脱氢环境下进行3D打印；完成打印后，在吸氢环境中吸氢；即可得到4D打印产品。在本专利技术中，通过设计金属A和材料B；可以使得在氢气环境中复合体发生弯曲变形；在发生弯曲变形的过程中可以同时制备相同材质或者不同材质的多孔和致密薄膜材料。比如：在复合结构弯曲过程中出现延展的一面上涂覆制备多孔薄膜材料的浆料；在复合结构弯曲过程中出现延展的一面上涂覆制备致密薄膜材料的浆料；然后将浆料涂覆于复合结构上，然后再将涂覆有浆料的复合结构件置于氢气环境中，干燥；即可同时得到致密和多孔的薄膜。原理和优势根据氢致形变原理，其作为可调节变形材料的优势有：(1)变形精度高且可调控。材料膨胀应变与吸氢量线性相关。吸氢量则可通过对外加的氢(氢分压)和热(温度)刺激的协同调控实现。有别于形状记忆合金的相变变形机制，氢致形变的优势在于可在较宽的温度区间对氢分压调控使材料达到预定的形变量。(2)可逆性好。金属-氢反应可逆性好，温度滞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；其特征在于：复合体由金属A和材料B复合组成；所述金属A具有吸氢膨胀能力；所述材料B不具备吸氢膨胀能力或在同等条件下吸氢膨胀能力小于金属A的吸氢膨胀能力。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；其特征在于：复合体由金属A和材料B复合组成；所述金属A具有吸氢膨胀能力；所述材料B不具备吸氢膨胀能力或在同等条件下吸氢膨胀能力小于金属A的吸氢膨胀能力。


2.根据权利要求1所述的一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；其特征在于：所述金属A包括但不限于，钛、钒、锆、铪、钯、稀土及其合金。


3.根据权利要求1所述的一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；其特征在于：材料B包括但不限于，碳钢、合金钢、不锈钢、铜合金、钛铝合金、高温合金、难熔合金中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的一种利用氢致膨胀效应的可调变形复合结构；其特征在于：由金属A和材料B组成的复合体，连接处为紧密的冶金连接，且金属A和材料B在变形激活条件下具有一定的塑性，材料延伸率应>2％。在金属A膨胀导致整个材料变形时，复合结构不会出现任何宏观或微观裂纹。


5.根据权利要求1-4任意一项所述的可调变形复合结构的变形激活过程；其特征在于：其变形包括下述步骤：
步骤一
将由金属A和材料B组成的复合体，置于氢气、或含氢气体环境下，施加可使吸氢金属A发生吸氢的温度，吸氢金属A发生膨胀，导致整个复合体变形，复合体变形可以但不限于：伸长、弯曲、扭转；得到变形件；
对于需要回复原状的物件，完成步骤一的变形后，还需步骤二；
步骤二
将步骤一所得的变形复合体，置于不含氢、或低氢含量气体环境下，施加可使吸氢金属A释放氢气的温度；吸氢金属A发生收缩，导致整个复合体回复原状。


6.根据权利要求5所述的一种利用氢致膨胀效应的变形激活过程；其特征在于：变形过程中，通过调节环境氢气含量、或氢气浓度、或氢气分压、或温度，以控制吸氢金属A的吸氢量，从而控制复合体的变形量；所述氢气含...

【专利技术属性】
技术研发人员：周承商，刘咏，段中元，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43