[发明专利]具有三维互穿网络结构的形状记忆合金增强镁基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有三维互穿网络结构并以3D打印的形状记忆合金增强体骨架增强的镁基复合材料及其制备方法。该复合材料由体积分数为10％～80％的形状记忆合金增强体与镁或镁合金基体组成，具有三维互穿网络结构，表现为增强体与基体分别具有独立的拓扑结构并在三维空间穿插互补结合。该复合材料的制备方法为：采用3D打印技术制备具有网络拓扑结构的形状记忆合金增强体骨架，在真空或保护气氛下利用熔融的镁或镁合金熔体浸渗该骨架，凝固冷却后得到复合材料。本发明的复合材料强度高、塑性大，结构和力学性能的可控性强，并且具有一定的形状记忆效应，即室温变形在马氏体相变温度以上能够部分或完全回复，作为新型结构功能一体化材料具有可观的应用前景。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料领域，具体为一种具有三维互穿网络结构并以3D打印的形状记忆合金增强体骨架增强的镁基复合材料及其制备方法。

背景技术

在保证安全服役的前提下，实现结构材料的轻量化能够有效减轻结构件的重量，从而有利于节约能源并减少环境污染，因此具有重要的科学意义和实用价值。例如，在交通运输领域，汽车轻量化设计能够提高燃油效率，减少燃料消耗和尾气排放，因而已成为当今汽车发展的主要趋势之一。结构材料轻量化的实现主要依赖于其比强度和比刚度等力学性能的提高。镁与镁合金因具有较低的密度(纯镁的密度为1.74g/cm³)而表现出突出的比强度和比刚度，同时具有良好的阻尼减震、导热和电磁屏蔽等功能特性，因此被广泛应用于交通运输、生物医用、电子产品等诸多领域。

然而，与钢铁、钛合金、铝合金等金属结构材料相比，镁与镁合金的绝对强度和刚度仍然偏低，并且耐磨性和耐热性较差，同时表现出较低的高温强度和抗高温蠕变能力，这在很大程度上限制其作为轻型结构材料的应用。通过在镁或镁合金基体中引入增强相制备镁基复合材料是解决上述问题的有效途径之一。常用的复合化方法是在镁或镁合金基体中引入随机均匀分布的增强相颗粒或纤维。然而，传统镁基复合材料的组织结构难于进行精确设计与控制，因而材料的力学性能无法进行有效调控，并且增强相与基体的结合仅仅通过相界面实现，容易产生相界面的应力集中和开裂等问题。此外，目前镁与镁合金复合材料发生塑性变形后无法回复初始形状，变形产生的损伤难以自动修复，这导致材料性能发生不可逆的下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有三维互穿网络结构的形状记忆合金增强镁基复合材料及其制备方法，利用具有网络拓扑结构的形状记忆合金骨架增强镁与镁合金，并采用3D打印技术实现对镁基复合材料中增强体结构的精确设计和控制，从而在不明显提高材料密度的前提下，显著提高镁与镁合金的强度、刚度和耐磨性，并赋予材料一定的形状记忆功能，使其室温塑性变形在加热到形状记忆合金的马氏体相变温度以上时能够自动回复。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种具有三维互穿网络结构的形状记忆合金增强镁基复合材料，所述的复合材料由形状记忆合金增强体与镁或镁合金基体组成，以体积百分数计，形状记忆合金增强体含量为10％～80％，其余为镁或镁合金基体，该形状记忆合金为钛镍合金、钛铜合金、钛镍铜合金、铜铝镍合金、铜锌合金中的一种，并且不与熔融的镁或镁合金发生反应；所述的复合材料具有三维互穿网络结构，表现为增强体与基体分别具有独立的拓扑结构并在三维空间穿插互补结合。

所述的复合材料的压缩强度为250～800MPa，压缩应变量大于10％，密度范围为2.2～4.2g/cm³。

所述的复合材料具有一定的形状记忆效应，即复合材料在室温发生塑性变形后，在加热到形状记忆合金的马氏体相变温度以上时，其变形能够自动回复，当总室温应变量不超过20％时，回复应变量占总应变量的比例大于1％。

所述的具有三维互穿网络结构的形状记忆合金增强镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：