[发明专利]四棱锥金属点阵材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及四棱锥金属点阵材料夹芯结构的制备技术，用于航空航天领域的轻质多功能结构中。

背景技术

随着航空航天领域的发展，各国对超轻质、高性能、多功能材料的开发和研制要求越来越高。常见的轻质多功能材料为蜂窝材料、泡沫材料等，因这些材料拓扑构型的可设计性和高比刚度、高比强度等特点，广泛用于航空结构中。近几年来，以哈佛大学、剑桥大学和麻省理工大学为首的材料与力学界提出了一种新型的轻质材料，即空间点阵材料。点阵材料类似于现有的空间网架，但在尺寸上小很多。点阵材料是通过模拟分子点阵构型而设计的多孔有序微结构，当承载时点阵材料的每根杆元以轴向拉伸或压缩变形为主，具有很高的承载能力和能量吸收能力。点阵材料常见的拓扑构型包括Kagomé结构、八面体结构、四面体桁架结构、四棱锥桁架结构和全三角形构架等。已有的研究表明点阵材料的等效强度和刚度与相对密度近似为线性关系。泡沫材料为弯曲主导型的材料，其模量、强度与相对密度为非线性关系。相同重量条件下，点阵材料的面内和面外杨氏模量比蜂窝等轻质材料分别高两个和一个数量级以上，点阵材料的力学性能优于常规的蜂窝、泡沫等轻质材料。点阵材料不仅具备很高的承载效率和优良的碰撞能量吸收特性，而且具备多功能特点，如利用材料的多孔特点进行对流换热以满足航空飞行器温度控制要求。目前卫星结构中多将热控元件预埋于蜂窝夹芯板中，点阵材料的开口设计方案则无需在结构中开槽挖洞，保证了结构材料的完整性。在点阵材料面板及空穴内分散配置电源可以为飞行器提供能源，利用点阵材料空间网架的伸展性能完成制动、促动等。点阵材料是为了满足航空航天飞行器高承载效率的要求而产生的，是国际公认很有前景的新一代轻质超强韧材料，作为结构已经应用于航天和卫星结构中。目前关于点阵材料的理论研究较多，制备技术还相对匮乏，因此，关于轻质点阵材料的制备技术研究十分重要。

目前，金属空间点阵材料的制备工艺主要包括：(1)熔模铸造法：以聚合物为牺牲模制备砂模，高温下聚合物熔化分解，在砂模中形成点阵空间，将高温熔融状的金属熔液缓慢注入砂模，冷却凝固后清除砂模，取出得到金属点阵材料。该工艺主要用于制造八面体点阵材料、Kagomé结构和四面体桁架结构。这种工艺制作的点阵材料胞元尺寸可以为几个毫米，杆元直径可以达到一至两个毫米。该方法对熔融状液态金属的流动性要求很高，一般材料难以实现，而且难以制造相对密度较低的点阵材料。在铸造过程中，材料内部往往出现缺陷，通过熔模铸造法制备的点阵材料强度通常较低。(2)冲压折叠成型法：这种工艺主要用于制备四面体和四棱锥夹芯结构。首先对金属平板进行冲切，对于四棱锥夹芯，冲切成具有周期菱形网眼的平板式筛网，对于四面体夹芯，冲切成具有周期六边形网眼的平板式筛网，然后在预制好的V形模具上冲压折叠形成空间夹芯构型，面板与夹芯由焊接或粘结工艺制成夹层结构。如铝合金材料可用铜焊的方法，不锈钢、超合金和铜合金材料可用过渡液相连接工艺。过渡液相工艺是将分散在粘结剂中的合金以浸渍或喷涂的方式涂覆至夹芯和上下面板，将夹芯放置于两个面板之间，放在真空炉中高温加热，加热到一定温度时去除粘结剂，继续加热至过渡液相的熔点，制成夹芯结构。这种方法工艺相对简单，适用的金属材料也比较广泛。但在冲压过程中，面板容易皱褶甚至撕裂。夹芯和面板间的粘接强度不足时，夹芯和面板容易剥离。而且利用该工艺制作四棱锥点阵材料夹芯结构时，若采用焊接技术，由于分布在上下面板的焊点数目不同，当温度降为室温后，上下面板受到不同的温度应力而很难保持完全水平，焊接时夹芯杆元的热变形易导致其受力不均匀。(3)电子束熔融技术：通过三维或CAD方法进行设计，得到相关文件模式后传输到电子束熔融系统里，电子束熔融设备将丝极加热至高温并释放出电子，通过磁场控制电子束的偏转，电子轰击并逐层融化金属粉末，快速得到所设计的金属结构。用该工艺制作的点阵材料整体性好，不足之处是金属粉末与该金属本身的力学性能并不相同，而且电子束熔融设备能够加工的金属粉末种类非常有限。(4)轧制和电镀法：该方法用微接触印刷技术制作平面网格体系，利用模具将平面网格体系压制成空间波浪形构型，将各单层体系堆垛成三维体系，采用电镀的方式将结构焊接为整体。利用该方法得到的点阵结构单元尺寸可达50微米，这种工艺适用于微机电系统。方法(2)和(3)可以用于制作四棱锥点阵夹芯结构，其中方法(2)是目前国际上最常用的方法，但由于采用的是二次成型工艺，夹芯和面板的粘接强度较差时，使得实际制造出的四棱锥点阵材料的强度低于理论值，因此，必需改进和开发新的四棱锥点阵材料的制备技术。

发明内容