[发明专利]一种基于4D打印的智能温控点阵结构及其应用

说明书

一种基于4D打印的智能温控点阵结构及其应用，属于点阵金属的增材制造技术领域，所述点阵结构由点阵金属和储液仓组成，点阵金属为十四面壳体六孔连通点阵胞元拓展而成的整体密闭结构，储液仓与点阵金属相连通；点阵结构制备方法为：首先采用三维设计软件对点阵结构进行孔型结构工艺适应性设计，建立点阵结构的三维模型；然后对三维模型进行切片化处理，采用高体能量密度、低激光功率、低扫描速度为特征的选区激光熔化增材制造工艺制备点阵结构；再对所得点阵结构进行固溶处理；最后在常温条件下，灌注冷却液进入储液仓后将点阵金属开口冷压闭合。所得点阵结构具有点阵金属开口智能开合、预设响应温度可调控、质量轻、密度小、可设计性强的特点。

技术领域

本发明属于点阵金属的增材制造技术领域，具体涉及一种具有智能温控功能的4D打印点阵结构及制备方法。

背景技术

近年来，随着航空航天技术的不断发展，对飞行器高端耐温部件的需求不断增加。在高速、超声速等航天飞行器飞行过程中，由于飞行器燃烧的脉动和震荡极易引起飞行器外表面局部热流密度过大、温度过高，飞行器在飞行过程中由于与空气的摩擦力的存在，外表面温度往往高于1000K，这给精密的航空航天飞行器的正常工作埋下了极大的隐患。

为避免过高的外表面温度对航空航天飞行器飞行安全造成影响，国内外通常使用如下两种处理方式：第一种为被动冷却模式，通过提高航空航天材料结构耐高温性能，避免外部温度对飞行器内部结构造成影响，维持飞行器内部温度稳定，这种方法是如今最常用的局部“冷却”方式，此类耐高温材料普遍是高温合金和陶瓷材料复合成型，笨重的质量和庞大的体积严重阻碍了航空航天飞行器的进一步发展；第二种为主动冷却功能结构部件，通常通过电路控制结构中冷却液的喷射流量实现飞行器外表面的温度控制，这种温控结构部件通常包括电路、水箱、管道等多种设备零件，复杂的设备构造严重限制了其进一步的应用。

点阵结构由于其高自由度的可设计性为人熟知，通过点阵胞元、孔型结构、基体成分等特征调控，可实现复杂零件结构的多类型功能需求，以金属为基体材料的点阵金属是一种结构-功能一体化的新型有序多孔材料，与传统金属材料相比，点阵金属在轻量、强度和功能性等方面具有巨大优势，作为轻量化材料受到人们的广泛关注，点阵金属结构也常应用于航空航天、装备制造等军工领域。

然而传统的制备工艺难以满足复杂结构如金属点阵结构的精确成形，增材制造工艺（3D打印）为高性能金属点阵结构的设计提供了新的思路，4D打印的构件在3D打印的基础上，在特定环境如热、磁、光、声等刺激下，结构的形状、性能等方面可发生变化。通过研究发现，部分合金如Ni-Ti基、Cu基、Fe基等金属体系，在外界温度刺激下引起马氏体和奥氏体间的转变实现形状变化和回复，因此具有形状记忆效应。4D打印形状记忆合金为基体的点阵结构为实现温控功能结构部件的研发提供了新思路，突破了4D打印结构在温控领域实际应用的技术瓶颈，有益于航空航天飞行器的进一步迭代升级。

发明内容

针对现有技术的不足及航空航天产业对高性能温控结构部件的迫切需求。本发明提供了一种基于4D打印的智能温控点阵结构及其应用，突破了主动冷却点阵结构设计与制备的技术瓶颈，满足了航空航天领域等极端环境条件下对高温服役零部件的迫切需求。

本发明的目的之一是设计一种具有智能温控功能的点阵结构，点阵结构在室温环境下为内部充满冷却液的完全密闭点阵结构，其在环境温度达到预设响应温度后，点阵金属开口处自动打开，储液仓内部冷却液喷出进而实现温控功能。

本发明的另一目的是通过4D打印实现智能温控点阵结构的制备，并根据应用需求，通过改变增材制造工艺参数、热处理及相关后处理工艺参数等方式有效调控智能温控点阵结构的预设响应温度。基于选区激光熔化增材制造工艺，采用高体能量密度、低激光功率、低扫描速度等增材工艺参数有效提高镍钛基体材料相变温度，进而将智能温控点阵结构预设响应温度提高到应用水准。

本发明的技术方案为：