一种仿生鱼鳞结构的金属材料制备方法与流程

本发明涉及一种仿生材料的制备方法，具体是一种仿生鱼鳞结构的金属材料制备方法。

背景技术：

鱼鳞是一种附属品，不同鱼有着不同的鱼鳞结构，大致可以分为四类：盾鳞、齿鳞、硬鳞和圆鳞。虽然鱼鳞有着不同的分类，但是所有的鱼鳞有着共性，它们作为天然的材料，具有很好的强度，同时具有着超轻和超薄的柔韧性。研究表明，鱼鳞优异的力学性能与它的结构有着紧密的联系。鱼鳞实际上是典型的层状结构，层与层之间的分布十分紧密，呈叠层状分布，单个层片有着不规则的中间厚两边略薄，在排列的时候，两边薄的地方与中间厚的地方交替排列。美国加州大学伯克利分校罗伯特·里奇研究组揭示了巨骨舌鱼能抵御食人鱼可怕攻击的关键机制：鱼鳞特殊的螺旋胶合板微纳结构，能吸收外界能量并抵抗裂纹的扩张，因此才具有较好的综合力学性能。

通过生物材料制备出的仿生鱼鳞具有良好的综合力学性能，但是无法广泛应用在航空航天结构件领域中，首先是制造工艺十分的复杂，不利于工业化生产。生物材料的耐热性远低于金属复合材料，产量远低于金属材料，价格也远高于金属材料，因此对于航空航天大构件，还是以金属材料为主。

目前已经提出了许多加工技术来生产，比如使用逐层沉积、溶液浇铸和自组装来制造仿生有机/无机材料，这些技术基本上都是对于有机材料的制造，不适用于金属材料。

技术实现要素：

为解决现有仿生鱼鳞结构的制备缺陷，本发明提供一种仿生鱼鳞结构的金属材料制备方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种仿生鱼鳞结构的金属材料制备方法，其包括以下步骤：

(1)制备片状结构；

对铝材料加入磨球、乙醇、助磨剂进行磨制，之后过滤所述钢球得到铝粉液，并对所述铝粉液在乙醇溶液中超声分散，离心分离后干燥得到原材料，即所述片状结构；

(2)将所述原材料进行定向排列处理；

(3)对定向排列的原材料放入模具中进行热压，得到所述仿生鱼鳞结构。

作为上述方案的进一步改进，所述磨球和所述铝材料的质量比为10-25:1。

作为上述方案的进一步改进，所述乙醇的质量为所述铝材料质量的100％-300％。

作为上述方案的进一步改进，所述乙醇溶液的浓度为80-99.9％。

作为上述方案的进一步改进，所述助磨剂为硬脂酸，硬脂酸量为所述铝材料质量的1.5％-4％。

作为上述方案的进一步改进，所述铝材料容置于磨球罐中再加入磨球、乙醇、助磨剂进行磨制。

作为上述方案的进一步改进，热压时，热压温度为200-650℃，压力为40-220mpa。

作为上述方案的进一步改进，所述上层清液在真空干燥箱干燥，得到纳米片状铝粉。

作为上述方案的进一步改进，制备片状结构时：将铝粉作为铝材料放入球磨罐中，并按磨球和所述铝材料以质量比10-25：1的方式加入磨球，再加入为所述铝材料质量的100％-300％的乙醇，加入为所述铝材料质量的1.5％-4％的硬脂酸。

优选地，所述球磨罐以转速为100-300转/分，球磨4-10小时，得到铝粉末液。

作为上述方案的进一步改进，热压时：采用直径为50mm的压制模具首先预热100℃，将排列好的纳米片状铝粉放入所述压制模具中，压力在80mpa，加热温度为400℃，最终得到了仿生鱼鳞状铝。

本发明还提供另一种仿生鱼鳞结构的材料制备方法，所述材料制备方法包括以下步骤：

将铝粉作为铝材料放入球磨罐中，并按磨球和所述铝材料以质量比20：1的方式加入磨球；再加入乙醇，按所述铝材料的质量与乙醇质量之比为1:2的方式加入；加入硬脂酸，按所述铝材料的质量与硬脂酸质量之比为1:0.02的方式加入；以转速为250转/分，球磨5小时，得到铝粉末液，将所述铝粉末液在乙醇溶液中，超声分散，离心分离干燥，得到纳米片状铝粉，即原材料；

将纳米片状铝粉采用定向排列的方式排列；

采用直径为50mm的压制模具首先预热100℃，将排列好的纳米片状铝粉放入所述压制模具中，压力在80mpa，加热温度为400℃，最终得到了仿生鱼鳞状铝。

作为上述方案的进一步改进，所述铝材料的纯度为99.99％。

作为上述方案的进一步改进，乙醇的纯度为99.9％。

与现有仿生鱼鳞结构的制备方法相比，本发明具备如下有益效果：

(1)对比现有鱼鳞结构的制备方法，都是以非金属作为原材料，本发明引入了金属制备鱼鳞结构。相比之下，制备出来的金属表现出较高的强度和韧性，能抵御外界较强的载荷冲击，与之前的鱼鳞状的制备工艺相比，工艺流程简单，操作简单。

(2)与现有生物相容性的羟基磷灰石微纳米纤维相比，金属材料具有优越的延展性，通过构建仿生鱼鳞的微观结构，使得金属材料在具有高强度同时具有高韧性和具有大批量生产的可能。

(3)本发明通过热压法制备出来的材料，致密性良好，可以直接用于产品的二次加工。

附图说明

图1为本发明实施例的仿生鱼鳞结构的材料制备方法的制备流程图。

图2为采用图1中的制备方法获得的仿生鱼鳞结构的微观结构示意图。

图3为采用图1中的制备方法获得的仿生鱼鳞结构与鱼鳞的对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本发明的仿生鱼鳞结构的材料制备方法主要包括三个步骤：

(1)制备片状结构；

(2)将所述原材料进行定向排列处理；

(3)对定向排列的原材料放入模具中进行热压，得到所述仿生鱼鳞结构，如图2和图3所示。

针对步骤(1)，在制备片状结构时，首先，对铝材料加入磨球、乙醇、助磨剂进行磨制。铝材料可采用纯度为99.99％的铝粉，磨球和铝材料的质量可比为10-25:1，乙醇的纯度尽量采用99.9％，乙醇的质量可为所述铝材料质量的100％-300％。助磨剂可为硬脂酸，硬脂酸量可为所述铝材料质量的1.5％-4％。

因此，可将铝粉作为铝材料放入球磨罐中，并按磨球和所述铝材料以质量比10-25：1的方式加入磨球，再加入为所述铝材料质量的100％-300％的乙醇，加入为所述铝材料质量的1.5％-4％的硬脂酸。球磨罐尽量以转速为100-300转/分进行球磨，球磨最好4-10小时左右，得到铝粉末液。当然只要能得到片状铝粉末液，球磨的转速和时间并没有特别的限制，在本实施例中，根据经验球磨罐以转速为250转/分，球磨5小时，就可得到片状铝粉末液。

接着，所述铝粉末液在乙醇溶液中超声分散，离心分离后得到原材料，即所述片状结构。乙醇溶液的浓度可为80-99.9％，取量并没有特别限制，只要满足所述铝粉末液能在乙醇溶液中超声分散即可。

针对步骤(2)，将原材料进行定向排列处理，其排列顺序可根据实际的鱼鳞结构决定。

针对步骤(3)，热压时，热压温度可为200-650℃，压力可为40-220mpa。如采用直径为50mm的压制模具首先预热100℃，将排列好的纳米片状铝粉放入所述压制模具中，压力在80mpa，加热温度为400℃，最终得到了仿生鱼鳞状铝。

本发明通过球磨制备出片状纳米金属粉，再通过对于金属粉的热压制备出鱼鳞状结构材料，生产效率高，有利于工业化生产。制备出的鱼鳞结构的层状材料是一种新型的层状复合，其特点分布紧密，片内层都按照一定的角度排列。

实施例2

在本实施例中，仿生鱼鳞结构的材料制备方法具体步骤如下。

(1)制备片状结构，将一定量的金属材料加入到球磨罐中加入一定比例的磨球和乙醇，以及助磨剂在一定转速下球磨足够长的时间，磨制好以后，制得的粉末液在乙醇溶液中超声分散，离心分离后得到原材料。

(2)将原材料进行定向排列处理。

(3)热压法对于定向排列的原材料放入模具中进行热压，得到所述的仿生鱼鳞结构。

所述的球料比为10-25：1。

所述的助磨剂为硬脂酸，硬脂酸量为原料质量的1.5％-4％。

所述的乙醇纯度为99.9％，乙醇量为原料质量的100％-300％。

所述的热压温度为200-650℃，压力为40-220mpa。

实施例3

在本实施例中，仿生鱼鳞结构的材料制备方法具体步骤如下。

将纯度为99.99％的铝粉放入球磨罐中，并按磨球和物料按照质量之比20：1加入磨球，再加入纯度为99.9％的乙醇按照质量之比1:2，加入助磨剂硬脂酸按照质量之比1:0.02加入，以转速为250转/分，球磨5小时，得到粉末液，将所制得的材料在乙醇溶液中，超声分散得到纳米片状铝粉。

将纳米片状铝粉，采用定向排列的方式，按一定的顺序排列。

压制模具首先预热100℃，将排列好的纳米铝粉放入直径为50mm的压制模具中，压力在80mpa，加热温度为400℃，最终得到了仿生鱼鳞状铝。

结合以上三个实施例，本发明公开的仿生鱼鳞结构的材料制备方法，将一定量的金属材料加入到球磨罐中加入一定比例的磨球和乙醇，以及助磨剂在一定转速下球磨足够长的时间，磨制好以后，将钢球过滤出来，制得的粉末液在乙醇溶液中超声分散得到原材料。与生物相容性的羟基磷灰石微纳米纤维，金属材料具有优越的延展性，通过构建仿生鱼鳞的微观结构，使得金属材料在具有高强度同时具有高韧性和具有大批量生产的可能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。