[发明专利]一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，方法：构建“砖‑桥‑泥”仿生结构；将金属粉末存放在制备平台的下送粉缸内，将非金属粉末存放在制备平台上送粉系统的存储舱内；在成型基板上选择性打印“砖”或“砖‑桥”结构；选择性打印“泥”结构，打印一定厚度的“砖‑泥”或“砖‑桥‑泥”结构；在“砖‑泥”或“砖‑桥‑泥”结构上选择性打印“桥”结构；选择性打印“泥”结构，打印一定厚度的“桥‑泥”结构；重复上述步骤，打印全部“砖‑桥‑泥”仿生结构。本发明在增加材料整体断裂韧性的同时增加了抵抗结构破坏的坚固性，解决了复杂工程结构材料强韧性能权衡问题。

技术领域

本发明涉及一种仿生结构的制备方法，尤其是针对金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，属于激光粉末床增材制造技术领域。

背景技术

工程机械装备关键部位的工程结构材料通常需要既坚固又坚韧，然而不幸的是，强度和韧性通常是相互排斥的，传统的工程结构材料经常面临强度和韧性之间的权衡。自然界中存在的大量天然生物结构/材料，经过长期进化，其结构与功能适应自然的程度近乎完美，特别是贝壳珍珠层结构，由大量结晶文石片层(硬相层)和少量生物聚合物层(软相层)相互堆积而成，形成了“软硬”交织、高度有序的“砖-泥”或“砖-桥-泥”复杂层级结构，表现出了强韧、高强度等优异性能，其中，硬相“砖”起到承载载荷的作用；软相“泥”起到传递载荷的作用；而“桥”的作用则使裂纹扩展发生偏转，或使裂纹分裂成多个分支，使应力场和应变场分布更加均匀，允许结构/材料在失效前有更大的能量耗散，从而使仿生结构/材料在具备高强度的同时具有更高的韧性模量。

尽管如此，由于复杂层级“砖-桥-泥”仿生结构具有软硬交织的层状复杂结构、多个长度尺度上的不同结构特征以及材料异质等特点，传统的制造方法无法制备如此复杂的金属/非金属仿生结构件。现有珍珠层仿生结构/材料的研究大多为聚合物类或其他非金属材料，少量金属贝壳珍珠层仿生结构研究，采用电子束熔丝沉积技术或者电弧增材制造技术，制备的只是“砖-泥”结构，而不是“砖-桥-泥”结构，也没有将金属/非金属复合在一起制备复杂层级珍珠层仿生结构的报道，“砖-泥”仿生结构中由于没有设置互联网络分布的“桥”，当裂纹产生时，由于传递路径有限，能量耗散也有限。因此，现有贝壳珍珠层仿生结构的制备不能形成金属/非金属复合在一起的“砖-桥-泥”复杂层级仿生结构，因此不适用于国防装甲装备、农业装备等领域复杂工程结构件的高强度和高韧性的机械性能要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的这些问题，提供一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，可获得由“砖-桥-泥”组成的仿贝壳珍珠层结构，解决复杂工程结构经常面临的强度和韧性之间的权衡问题，使复杂工程结构件在具备高强度的同时具有高韧性，为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种金属/非金属复杂层级珍珠层仿生结构的制备方法，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用建模软件构建复杂层级珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构模型，并转换成STL文件导入所述制备平台的操作系统；

(2)选择一种金属粉末，将其存放在制备平台的下送粉缸内，选择一种非金属粉末，将其存放在制备平台的上送粉系统的存储舱内；

(3)用制备平台的刮板在成型基板上铺上一层所述的金属粉末，依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“砖”或“砖-桥”结构；

(4)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，用制备平台的微吸粉器逐点选择性吸除所述第一层“砖”或“砖-桥”结构层中未被扫描固化的粉末，并用制备平台的上送粉系统在相应位置精确铺设所述的非金属粉末，选择性扫描并固化所铺设的粉末，形成第一层“砖-泥”或“砖-桥-泥”结构；

(5)依据所述的“砖-桥-泥”结构STL文件图形，重复步骤(3)和(4)，打印一定厚度的“砖-泥”或“砖-桥-泥”结构；