[发明专利]粉末状材料的固化的半被动控制

说明书

优先权数据

本国际专利申请要求于2015年7月15日提交的美国临时专利申请号62/192,568和2016年7月14日提交的美国专利申请号15/209,903的优先权，将其中每一个特此通过引用结合在此。

技术领域

本发明整体涉及粉末状材料、含有此类粉末状材料的物体以及它们的制造和使用方法。

背景技术

金属的粉末加工包括电容器放电烧结、直接金属激光熔化、电子束熔化和其他技术。已经使用这些程序来产生近净形部件，且偶尔用于控制微观结构。这种微观结构控制局限于晶粒尺寸和晶粒取向控制。这种控制完全取决于热输入。希望独立于热输入或结合热输入来控制结构内部的成核作用和生长动力学。

存在现有技术，其中在熔体中使用纳米粒子帮助晶种结晶。这通常是通过将纳米粒子加入熔化合金、以物理方式使它们分布并且然后浇铸所得材料来完成。这些纳米粒子通常是陶瓷，因为必须将它们加入熔体中并混合。金属粒子和某些合意的陶瓷粒子很可能溶解，因此无法用在此现有技术程序中。这种加工期间形成的微观结构很容易归因于浇铸工艺。所述微观结构具有隔离在枝晶间区域的纳米粒子。参见例如，Chen等人，“Rapid Control of Phase Growth by Nanoparticles[通过纳米粒子迅速控制相生长],”Nature Communications[自然通讯],5:3879，2014年5月；和Xu等人，“Theoretical Study and Pathways for Nanoparticle Capture during Solidification of Metal Melt[金属熔体固化期间纳米粒子捕获的理论研究和路径],”Journal of Physics:Condensed Matter[物理学杂志：冷凝物质],24(2012)255304。

没有已知的在金属微观结构内形成三维纳米粒子构造的方法。这些构造可以通过阻碍、阻止或重定向特定方向上的位错运动显著改善材料特性。可利用这个来将失效机制控制得比现今各向同性或各向异性材料能够获得的任何结果都要好。

一般来说，需要改进的控制粉末材料固化的方法，以及适合于此类方法的组合物。优选地，控制固化不需要在固化过程中主动、动态调整反应参数。

发明内容

本发明解决本领域中的上述需要，如现在将进行概述的以及然后在下文中进一步详细地描述的。

一些变型提供一种包含多个粒子的粉末状材料，其中所述粒子是由第一材料制成，并且其中所述粒子中的每个具有用第二材料进行表面官能化的粒子表面区域，所述第二材料含有被选择为控制所述粉末状材料从液态固化为固态的纳米粒子和/或微米粒子。表面官能化可以是连续的或间歇的(即，在表面上不连续)。

在一些实施例中，粉末状材料的特征在于：将粒子表面区域的平均至少1％或至少10％用纳米粒子和/或微米粒子表面官能化。

粒子可以作为松散粉末、糊剂、悬浮液、生坯或其组合存在。粒子可以具有从约1微米至约1厘米的的平均粒度。在一些实施例中，第一材料选自下组，该组由以下各项组成：陶瓷、金属、聚合物、玻璃及其组合。

纳米粒子和/或微米粒子具有从约1纳米至约100微米的的平均最大粒子尺寸。在一些实施例中，平均最大粒子尺寸小于100纳米。在这些或其他实施例中，纳米粒子和/或微米粒子具有从约1纳米至约1微米，诸如小于100纳米的平均最小粒子尺寸。

纳米粒子和/或微米粒子可以由第二材料制成，所述第二材料选自下组，该组由以下各项组成：金属、陶瓷、聚合物、碳及其组合。第一材料和第二材料的组成可以相同或不同。

其他变型提供一种控制粉末状材料的固化的方法，所述方法包括：

提供包含多个粒子的粉末状材料，其中所述粒子是由第一材料制成，并且其中所述粒子中的每个具有用第二材料进行表面官能化的粒子表面区域，所述第二材料含有纳米粒子和/或微米粒子；

将所述粉末状材料的至少一部分熔化为液态；并且

半被动地控制所述粉末状材料从所述液态固化为固态。

在熔化之前，粒子可以作为例如松散粉末、糊剂、悬浮液、生坯或其组合存在。在一些实施例中，熔化至少2vol％或至少10vol％的粉末状材料以形成液态。