一种负泊松比铝基点阵结构及其制备方法与流程

本发明涉及负泊松比点阵技术领域，主要涉及一种负泊松比铝基点阵结构及其制备方法。

背景技术：

点阵材料是一种由节点及连接杆单元组成的空间网架类有序多孔材料。与传统的金属泡沫和金属蜂窝材料相比，金属点阵材料具有更高的比强度、比刚度和单位质量吸能性，尤其是当相对密度较低时，点阵材料具有更为突出的质量效率和性能优势，是目前国际上公认的最有前景的超强韧轻质结构材料之一。除了优异的力学性能以外，点阵材料还可以通过基体调控、构型设计或孔隙填充等方法进行功能化设计，使之具备吸波、缓冲、减振、隔热、防辐射和电磁屏蔽等功能特性。

目前，制备三维多层轻金属基点阵材料的方法主要有熔模铸造法、焊接法、挤压法、冲压折叠法和编织法等。前者因基体材料灵活、单胞构型多样化以及单胞参数更小等优点，被认为是最有发展前景的一种方法。但是，这种方法工艺流程较繁琐，结构精度也比较低。须首先用喷射成型技术制备单层聚合物点阵模型，然后通过拼装和焊接的方法构成空间点阵结构，再通过熔模铸造工艺形成多层金属点阵材料。另外，由于单胞和杆单元均比较小，因此要求液态金属的流动性必须好，这就给基体材料选择以及材料性能设计带来了极大困难。

如专利：一种点阵夹芯板的低压铸造方法，申请号：200910309848.1，申请日：2009-11-17。其公开了一种熔模铸造法，其具体步骤是：(1)采用熔融沉积快速成型设备制蜡模。

(2)在蜡模表面均匀涂抹陶瓷浆料，然后在18-22℃下干燥20-24h，再均匀撒一层二氧化锆砂。如此操作2次。然后在蜡模背层均匀涂抹陶瓷浆料，然后在18-22℃下干燥3-8h，再均匀撒一层铝矾土颗粒，如此操作5-7次。

(3)将经上述步骤得到的模壳放在200-250℃的后烘干炉中保温1-1.5h，进行脱蜡。然后升温至900-1000℃保温1-1,5h，随炉冷却得到点阵夹芯板型壳。

(4)将铝合金在低差压炉内熔化，然后将升液管、点阵夹芯板壳型和低差压炉密封。

(5)在铝熔体表面加压，通过升液管使铝液充型，再保压一段时间，铝液凝固后便得到点阵夹芯板。

总体上看，现有制备方法所能获得的金属点阵材料单胞尺度仍然偏大(≥10mm量级)，且构型单一、层级较少，很难满足实际应用的需求，特别是航空航天、国防等高技术领域。因此，研究新型制备方法，突破单胞小型化、多元化成形的技术瓶颈，在整体强韧性进一步提高的同时实现某种或多种功能性的改善，使之表现出真正的结构-功能一体化特性，是本领域的主要发展趋势之一。

如上所述，熔模铸造法是制备小型单胞、复杂构型三维多层金属点阵材料的最佳方法之一。该方法之所以过程繁琐、技术难度大，是因为制备聚合物模型所用喷射成形技术和熔模铸造工艺的限制。近年来，3d打印技术取得了迅猛的发展，已经突破了传统成形方法在复杂结构、不同材料和工艺流程上的诸多技术障碍，可一次性打印出包括金属材料在内的多种材料组成的复杂结构，成为高效制备精细、复杂、多元结构的最先进的技术之一。但是，对于基体材料为易氧化的al、mg等轻金属来说，直接通过3d打印成形容易造成基体内残留氧化物夹杂、偏析和缩松等缺陷，导致材料力学性能下降。为克服这一困难，本发明利用3d打印技术先获得低熔点非金属点阵模型，再用该模型制备可溶性多孔骨架，最后利用压力渗流技术制备出金属点阵材料。由于金属液体在压力下流动、充型和凝固，故可获得致密、纯净、成分均匀的基体组织，为保证点阵材料的力学性能提供了重要保障。

负泊松比点阵结构是一种具有反常变形特性的材料。它在拉伸时横向膨胀而压缩时横向收缩，泊松比为负值，与传统材料的正泊松比变形特性正好相反。负泊松比点阵结构比一般的点阵结构有更优异的力学性能和独特的物理特性，如更高的剪切模量、断裂韧性、阻尼本领及同向曲率变形特性等，在传感器、阻尼器及航空航天等领域有着非常广泛的应用前景。

目前负泊松比点阵材料多为弹性体聚合物、复合材料及光敏树脂材料等。由于这些材料不仅力学性能低，而且易软化，在高承载和高温等场合的应用受到限制。因此，采用金属材料为基体，将克服现有非金属负泊松比点阵材料的不足，更好地发挥负泊松比点阵结构的性能优势。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种负泊松比铝基点阵结构及其制备方法，其目的是：

(1)针对3d打印轻金属(铝、镁等)结构存在的材料致密性低、夹杂物多、粉末结合力差等问题，本发明先用3d打印技术获得化学活性和熔点低、成形性好、强度高的非金属点阵模型，然后通过易溶多孔骨架制备和液体渗流技术，获得与3d打印模型一致的的铝基点阵材料。

(2)针对传统熔融沉积快速成型和熔模铸造(壳型铸造)技术存在的点阵结构粗大、构型单一、几何精度低等固有缺点，本发明利用成形性极好的石膏浆料造型，再通过正压渗流技术充型和补缩，以获得组织致密、结构精细的铝基点阵材料。

(3)针对目前负泊松比点阵材料只能以非金属材料为基体，致使其强度低、性能可调性差、耐温性和耐蚀性弱等问题，本发明以金属材料为基体，通过结构设计获得负泊松比，从而克服现有非金属负泊松比点阵材料的不足，更好地发挥负泊松比点阵结构的性能优势。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种负泊松比铝基点阵结构，其特征在于：由一层或一层以上的单胞结构周期性排列而成，所述单胞结构为拉胀型三维负泊松比结构，且其材料采用负泊松比材料，所述负泊松比材料为工业纯铝或铝合金，其单胞结构由多个水平设置和倾斜设置的杆单元连接组成；所述单胞杆单元直径为0.5～5.0mm，长度为0.5～15.0mm，所述倾斜设置的杆单元与其投影面之间的夹角为30～70°。

所述的负泊松比铝基点阵结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构型设计：采用catia软件对点阵材料单胞进行几何建模和构型设计，首先构建单胞结构，其包括杆单元直径、长度、杆/投影面夹角、杆截面形状，再根据每层单胞个数和点阵层数，然后通过镜像得到相应的拓扑结构；

(2)3d打印：采用液态光敏树脂或高分子粉末材料为原料，在3d打印机上用激光选区固化法或烧结法打印点阵模型；所述高分子粉末材料包括聚丙烯、尼龙；

(3)多孔骨架制备：以3d打印的低熔点点阵模型为牺牲模，放入金属模具内，然后将石膏基涂料一次性填充点阵模型孔隙和模具内腔，经自然干燥后，升温至450～650℃保温4小时左右进行固化，同时将牺牲模烧除，得到内腔形状与聚合物点阵模型完全一致的石膏骨架；

所述石膏基涂料是由石膏粉、柠檬酸、氯化钙、乙醇和水，三种材料按照质量百分比石膏粉：辅料：水＝1：0.5：1：0.5：0.5的比例混合，调制成粘度适当的浆料；

(4)铝液渗流：将上述石膏骨架置于专用模具，所述专用模具包括顶盖、底盖和中框，模具总体呈正方形，顶盖上设有通气管，与压缩空气相连；底盖上设有排气孔，同时将工业纯铝或铝合金熔化，浇注铝液后将模具密封，通入压力为0.5-15大气压的压缩空气，将液态铝在气压作用下由上而下地渗入石膏骨架的孔隙，保压3-5分钟，使铝液充分渗入多孔骨架，待铝液凝固并冷却到室温后用水冲洗石膏骨架，使之溃散，与铝基点阵材料脱离即可的到相应的铝基点阵结构。

本发明的优点是：

(1)通过计算机设计和3d打印技术，可实现负泊松比金属基点阵材料构型多样化、单胞小型化、组织精细化、整体大型化，为点阵材料高强韧和多功能设计创造了条件。

(2)采用正压气压渗流方法，克服了易氧化轻金属基复杂点阵材料直接3d打印或负压壳型铸造存在的固有难题，实现了高致密、小单胞、细杆元、多层级、复杂构型点阵结构一次性整体成形，为金属基点阵材料高效制备、性能优化奠定了基础。

(3)利用3d打印制模、正压渗流成形工艺，实现了负泊松比点阵结构金属化，材料综合性能显著高于非金属基负泊松比点阵结构。典型结构和性能参数为：杆单元直径0.5～5.0mm，长度0.5～15.0mm，杆单元与投影面夹角30～70°，比强度≥5mpa/g·cm³。

附图说明：

图1为本发明的拉胀型点阵单胞结构的线条结构示意图。

图2为如1的点阵拓扑线条结构示意图。

图3为拉胀型点阵单胞结构的模型线条图。

图4为杆单元直径对负泊松比铝基点阵结构压缩性能影响的参数曲线图。

图5为杆单元夹角对负泊松比铝基点阵结构压缩性能影响的参数曲线图。

图6为杆单元直径对负泊松比铝基点阵结构泊松比的影响的参数对比图。

图7为杆单元夹角对负泊松比铝基点阵结构泊松比的影响的参数对比图。

具体实施方式：

参见附图。

一种负泊松比铝基点阵结构，其特征在于：由一层或一层以上的单胞结构周期性排列而成，所述单胞结构为拉胀型三维负泊松比结构，且其材料采用负泊松比材料，所述负泊松比材料为l3工业纯铝；其单胞结构中杆元件的杆径：0.2mm-1.6mm；杆长：6mm；杆/投影面夹角：45°-75°；杆截面形状：圆形；单胞层数：3层；每层单胞个数：5。

所述单胞结构1包括有位于左侧和右侧的两个对应的支撑端面，其两个支撑端面中部包括有四个端部杆单元1-1、1-2、1-3、1-4，所述端部杆单元1-1、1-2、1-3、1-4的一端相交，另一端分别向外发散且向内侧倾斜设置，所述相邻端部杆单元端部之间通过两个向外倾斜且相交的短杆单元2-1、2-2连接，支撑端面的中心点之间通过中心杆单元3连接，所述两支撑端面之间设有用于与两短杆单元2-1、2-2相交端的端部连接的连接杆单元4，所述连接杆单元4与中心杆单元3平行，所述短杆单元2-1、2-2与端部杆单元1-1、1-2、1-3、1-4相交处分别设有向外水平设置的外连接杆单元5-1、5-2、5-3、5-4。此结构为三维负泊松比结构的杆单元的具体连接连接，其只是三维负泊松比结构的一种，其它相关具有三维负泊松比结构仍在本申请保护范围之类。

所述的负泊松比铝基点阵结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构型设计：采用catia软件对点阵材料单胞进行几何建模和构型设计，首先构建单胞结构，其包括杆单元直径、长度、杆/投影面夹角、杆截面形状，再根据每层单胞个数和点阵层数，然后通过镜像得到相应的拓扑结构；

(2)3d打印：采用液态光敏树脂或高分子粉末材料为原料，在3d打印机上用激光选区固化法或烧结法打印点阵模型；所述高分子粉末材料包括聚丙烯、尼龙；

(3)多孔骨架制备：以3d打印的低熔点点阵模型为牺牲模，放入金属模具内，然后将石膏基涂料一次性填充点阵模型孔隙和模具内腔，经自然干燥后，升温至450～650℃保温4小时左右进行固化，同时将牺牲模烧除，得到内腔形状与聚合物点阵模型完全一致的石膏骨架；

所述石膏基涂料是由石膏粉、柠檬酸、氯化钙、乙醇和水，三种材料按照质量百分比石膏粉：辅料：水＝1：0.5：1：0.5：0.5的比例混合，调制成粘度适当的浆料；

(4)铝液渗流：将上述石膏骨架置于专用模具，所述专用模具包括顶盖、底盖和中框，模具总体呈正方形，顶盖上设有通气管，与压缩空气相连；底盖上设有排气孔，同时将工业纯铝或铝合金熔化，浇注铝液后将模具密封，通入压力为0.5-15大气压的压缩空气，将液态铝在气压作用下由上而下地渗入石膏骨架的孔隙，保压3-5分钟，使铝液充分渗入多孔骨架，待铝液凝固并冷却到室温后用水冲洗石膏骨架，使之溃散，与铝基点阵材料脱离即可的到相应的铝基点阵结构。

(5)在材料试验机上进行压缩试验，压缩速率为3mm/min，测得材料的压缩应力应变曲线和泊松比。

经测量，试样抗压强度为5mpa，泊松比为，压缩平台长度(致密化应变)为0.45。

由本方案制备的负泊松比al基点阵材料力学性能与结构参数的关系如图4-7所示。

以工业纯铝为基体的点阵材料，泊松比绝对值可达1左右、比抗压强度可达到5mpa/g·cm³以上。

其上述点阵结构与致密面板组合可组成夹芯板复合结构，致密面板为工业纯铝、铝合金、铁合金或高分子材料。

本申请与现有技术中的区别点在于：

(1)点阵模型的制备方法

现有技术制备点阵夹芯板蜡模的方法为熔融沉积快速成型法，该方法与本发明采用的激光选区熔化法虽然都属于3d打印方法，但两者有本质的不同。熔融沉积快速成型法以低熔点丝材为原料，如石蜡或abs塑料，通过熔化、挤出和凝固实现粘结，这与本发明采用的以高分子粉末材料为原料、通过激光烧结的方法是完全不同的。对于制备小单胞、细杆元的点阵材料来说，熔融沉积快速成型法存在的主要问题是：i)由于要保证沉积材料的流动性，所以喷嘴不能太小，故难以制备出直径较小的杆元；ii)不能制备带有尖锐拐点的结构，故点阵结构中杆元交汇处的节点难以成形；iii)点阵模型水平方向的强度较低，因此难以制备大尺寸和多层级的点阵结构；iv)不适合制备构型复杂的点阵结构。

另外，现有技术所制备的点阵材料仅包括一层单胞与面板组成的夹芯板复合结构。因需要涂挂多层耐火层，单胞尺寸一般都比较大，以便于浆料和砂粒能充分包覆点阵结构内部的杆元。当单胞尺度减小至10mm以下时，耐火层涂挂将变得非常困难，且单胞层数越多，耐火层涂挂就越困难。因此，采用这种方法难以制备多层级、小单胞的点阵材料，从而使点阵结构的应用范围受到限制。

(2)壳型制备方法

现有技术采用的是传统的熔模铸造工艺，即分多个步骤，先后在石蜡点阵模型(并非聚合物点阵模型)上涂挂面层、邻面层和背层等多层耐火层，然后通过干燥、脱蜡(硬化)，得到内腔形状与石蜡模型完全一致的型壳。本发明采用的是用石膏浆料一次性填充聚合物点阵模型的型壳制备方法，与现有技术相比，本发明工序少、过程简单、效率高、材料和能源消耗少，且更适合制备小单胞、细杆元点阵结构。

(3)铝基点阵材料制备方法

现有技术采用的是低压铸造法，即在密封的低压炉内，利用压力将铝液通过升液管从壳型底部进行“升液、充型”，这与本发明采用的正压渗流技术是完全不同的。本发明采用的渗流技术是将铝液直接浇注到点阵石膏型上部，然后利用气压将铝液由上而下渗入型腔，无需升液管，也不需要低压炉。更为重要的是，低压铸造很难制备小单胞、细杆元的点阵结构，也不利于液体金属补缩，材料致密性较差。

(4)点阵结构构型

现有技术一般只能制备简单构型的点阵结构且为正泊松比结构，本发明可制备更复杂、多层、小单胞、负泊松比结构。