一种采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料及其制备方法，第一步用快速成型技术制备所需结构的微点阵模板；第二步在模板表面进行化学镀或者电镀制备金属薄膜；第三步经烧蚀或化学刻蚀掉模板，得到超轻超轻空心管微点阵金属材料。采用本发明方法制得的金属材料具有超轻、高孔隙率、高强韧性、高比强度、高比刚度等一些优良的机械性能，兼具功能和结构双重作用，是一种性能优异的多功能工程材料。
【专利说明】一种采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微点阵金属材料，更特别地说，是指一种采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]人类社会的进步是以材料的发展为前提的，性能优异的材料促进了社会的发展，同时社会的高度发展也呼唤着新材料的问世。随着科技的发展，对材料的性能要求也越来越高，低密度材料也越来越受到人们重视，超轻材料具有优异的比强度、比刚度和耐热性，还具有良好的结构性能和物理及化学性能。此外，超轻材料还显示出优异的减震降噪性能、良好的吸能缓冲性能、突出的吸声和屏蔽性能、理想的过滤与吸附性能等许多独特的功能特性，被喻为结构一功能一体化材料。
[0003]3D打印也称为增材制造，它不需要刀具和模具，利用三维CAD模型在一台设备上可快速而精确地制造出复杂结构零件，从而实现“自由制造”，解决传统工艺难加工或无法加工的局限。目前三维造型可以是在Solidworks、UG、Pro/E和CAD等软件中实现。
[0004]材料之所以能够具有超轻的密度，原因在于固体材料是多孔的。不同多孔材料的孔隙率和孔径大小都不相同，一般孔隙率为20%~99%，孔径大小也从纳米级到毫米级。一般说来，纳米和微米级多孔材料侧重于材料的功能性质，如电学性质、磁性、光学性质，轻质处于第二位。而毫米级的多孔材料，除了质量很轻以外，轻质多孔金属材料优异的热力学等性质也可以满足不同民用和军用需求，有些材料还可以大量低成本生产。不同方法用于制备相对密度和孔径尺寸在不同范围内的某类材料。
[0005]点阵材料是由结点和结点间连接杆件单元组成的周期结构材料。其胞元构型类似于晶体材料的点阵结构，因此这种空间梁杆体系的周期结构被称作点阵材料。
[0006]点阵材料是近年来随着航空、航天大型构件结构的制备与加工成型技术不断的发展而出现的一类新颖、轻质的多功能材料，具有超轻、高孔隙率、高强韧性、高比强度、高比刚度、高能量吸收性等一些优良的机械性能，以及减震、电磁屏蔽、吸声等特殊性能，点阵材料兼具功能和结构双重作用，是一种性能优异的多功能工程材料。发展具有轻质、高效、高孔隙率的三维点阵结构材料，是推进材料和装备的轻量化、精确化、高效化，实现节能、净化的关键措施。
[0007]目前，实验室和工业界中主要使用的模板有生物材料模板、有机化合物模板和无机化合物模板等。其中，有机化合物，如各种塑料、合成纤维等由于其形貌和结构的可设计性和稳定性，被广泛用于无机纳米材料的合成中。模板法可以按照人们的意愿制备材料且能容易地获得良好的阵列。
【发明内容】
[0008]本发明的目的 之一是提供一种采用模板法制备超轻空心管微点阵金属材料的方法。通过本发明方法来制备超轻超轻空心管微点阵金属材料时，首先用快速成型技术制备所需结构的微点阵模板；然后在模板表面进行化学镀或者电镀，目的是在其表面形成均匀的金属薄膜，可通过沉积时间来控制各种复杂模型表面金属薄膜的厚度；最后烧蚀或化学刻蚀掉模板，得到的空心管微点阵金属材料，制得的金属材料的密度由微点阵模板的结构、尺寸、金属薄膜的厚度等因素来决定。
[0009]本发明的另一目的在于提供一种具有多孔立体结构的超轻超轻空心管微点阵金属材料。
[0010]本发明是一种采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的制备方法，其特征在于包括有下列制备步骤:
[0011]步骤一:构造立体微点阵模板；
[0012]采用3D成型技术制作出立体微点阵模板；
[0013]所述立体微点阵模板的结构包括有简单立方、体心立方、面心立方、简单六方、简单四方、体心四方、R心六方、简单正交、O心正交、体心正交、面心正交、简单斜方、O心单斜、简单三斜、(10，3)-α结构或者金刚石正四面体结构；
[0014]3D成型技术制作立体微点阵模板所选用的材料为高分子聚合物；
[0015]步骤二:在立体微点阵模板上制作金属膜材料，得到预成型结构体；
[0016]采用化学镀工艺在立体微点阵模板上制作金属膜材料，得到预成型结构体；
[0017]金属膜材料的成分可以是单一的、质量百分比纯度为99.0%~99.99%的镍、铜、铝、锌、锡、金、银、钯或者铬`；也可以是锌铁合金、锌钴合金、锌钛合金、锌铬合金、锌锰合金、锌镍合金、铜锡合金、铜镍铬合金或者银铟合金；
[0018]采用化学镀时，先配制化学镀液，然后用氨水调节化学镀液的pH值，pH=4.8~
5.1，设置化学镀反应温度为75~85°C，化学镀时间为2~10分钟；
[0019]步骤三:去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0020]将步骤二得到的预成型结构体采用烧蚀去除掉步骤一制得的立体微点阵模板，得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0021]烧蚀工艺条件为:采用马弗炉，体积百分比浓度为99.99%的氮气为保护气氛，以升温速度为10~20°c /min条件下升温到350~500°C，并在350~500°C温度下保温30~90分钟。
[0022]本发明的一种超轻空心管微点阵金属材料，该金属材料为超轻空心管微点阵结构。其结构单元中空心管的长为2~5mm ;空心管的直径为0.1~2mm ;厚度为100~1000nm0该金属材料可以是单一的、质量百分比纯度为99.0%~99.99%的镍、铜、铝、锌、锡、
金、银、钯或者铬；也可以是锌铁合金、锌钴合金、锌钛合金、锌铬合金、锌锰合金、锌镍合金、铜锡合金、铜镍铬合金或者银铟合金。
[0023]模板法是合成复合材料的一种非常重要的技术，可以利用其空间限域作用和结构导向作用对合成材料的尺寸形貌结构和排列等进行有效的调制。相比于其他方法，本发明模板法的优点有:⑴灵活性；⑵实验装置简单；⑶操作条件温和；⑷能够精确控制材料的尺寸形貌和结构，因此引起了广泛的关注。
[0024]本发明模板法的优点在于:
[0025]①本发明所使用的微点阵结构的可设计性强。[0026]②本发明所使用的光固化快速成型技术能制备出任何结构的微点阵结构模型，能达到的数量级是其他技术不能达到的，且周期短。
[0027]③本发明所使用的金属沉积方法所达到的效果好，金属层均匀，且能通过反应时间来控制金属层厚度。
[0028]④本发明所使用的刻蚀去模板法不易破坏金属层。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的流程图。
[0030]图2A是实施例1制得的(10，3) - α点阵结构模板结构照片。
[0031]图2Β是实施例1应用化学镀镍工艺制得的镀有镍金属膜材料的结构照片。
[0032]图2C是实施例1应用烧蚀工艺制得的镍金属膜的空心点阵结构照片。
[0033]图2D是实施例1制得的镍金属膜的空心点阵金属材料的电镜照片。
[0034]图2Ε是实施例1制得的镍金属膜膜厚的空心点阵金属材料的电镜照片。
[0035]图3是实施例2制得的金刚石点阵结构模板结构照片。
[0036]图4Α是实施例6制得的尼龙四面体点阵结构模板结构照片。
[0037]图4Β是实施例6应用电镀铜锡工艺制得的镀有铜锡合金膜材料的四面体点阵结构照片。
[0038]图4C是实施例6应用烧蚀工艺制得的铜锡合金膜的空心点阵结构照片。
【具体实施方式】
[0039]下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0040]参见图1所示，采用模板法制备本发明的超轻空心管微点阵金属材料的步骤有:
[0041]步骤一:构造立体微点阵模板；
[0042]采用3D成型技术制作出立体微点阵模板。
[0043]在本发明中，3D成型技术包括有光固化立体成型技术(SLA)、选择性激光烧结(SLS)或者熔积成型(FDM)。
[0044]在本发明中，光固化立体成型技术(SLA)的工艺参数为:填充扫描速度为300~500mm/s,扫描间距为0.1~0.5mm,光斑补偿直径为0.1~0.2mm,支撑扫描速度为80~120mm/s，跳跨速度为400~700mm/s，层间等待时间为2~5s，工作台进给速度为3~IOmm/s,工作台浸入深度为5~10mm。
[0045]在本发明中，选择性激光烧结(SLS)的工艺参数为:激光功率为15~40W，预热温度70~150°C，切片厚度0.1~2_，扫描速度1200~2000mm/s。
[0046]在本发明中，熔积成型(FDM)的工艺参数为:分层厚度为0.05~1.0mm，喷嘴温度150 ~350°C。
[0047]在本发明中，经3D成型技术得到的立体微点阵模板的结构包括有简单立方、体心立方、面心立方、简单六方、简单四方、体心四方、R心六方、简单正交、O心正交、体心正交、面心正交、简单斜方、O心单斜、简单三斜、(10, 3)-α结构或者金刚石正四面体结构。 [0048]制作立体微点阵模板所选用的材料为高分子聚合物。所述高分子聚合物可以是:ΕΧ-200型复合光敏树脂、DSM somosl4120型复合光敏树脂、DSM somoslll20型复合光敏树脂、丙烯酸酯树脂、环氧树脂、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或者光刻胶等。
[0049]步骤二:在立体微点阵模板上制作金属膜材料，得到预成型结构体；
[0050]在本发明中，采用化学镀或者电镀工艺在立体微点阵模板上制作金属膜材料，得到预成型结构体。在采用化学镀或者电镀工艺制作金属膜材料时，需要通过调节成型工艺参数来保证在立体微点阵模板上制得的金属材料的均匀性。
[0051]在本发明中，金属膜材料的成分可以是单一的、质量百分比纯度为99.0%~99.99%的镍、铜、铝、锌、锡、金、银、钯或者铬；也可以是锌铁合金、锌钴合金、锌钛合金、锌铬合金、锌猛合金、锌镍合金、铜锡合金、铜镍铬合金或者银铟合金。
[0052]采用化学镀时，先配制化学镀液，然后用氨水调节化学镀液的pH值，pH=4.8~
5.1，设置化学镀反应温度为75~85°C，化学镀时间为2~10分钟。
[0053]采用电镀时，先配制电镀液，然后用氨水调节化学镀液的pH值，pH=6.0~6.2，设置电镀时间为2~10分钟。
[0054]步骤三:去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0055]在本发明中，将步骤二得到的预成型结构体采用烧蚀或者化学刻蚀去除掉步骤一制得的立体微点阵模板，得到超轻超轻空心管微点阵材料。
[0056]烧蚀工艺条件 为:采用马弗炉，体积百分比浓度为99.99%的氮气为保护气氛，以升温速度为10~20°C /min条件下升温到350~500°C，并在350~500°C温度下保温30~90分钟。
[0057]化学刻蚀工艺条件为:在刻蚀液下处理30~90分钟。所述刻蚀液可以是氢氧化钠、硫酸等。
[0058]在本发明的图1中，L表示结构单元中空心管的长，L = 2~5mm ;D表示空心管的直径，D = 0.1~2mm ；h表示制备在模板上的金属材料的厚度，h = 100~lOOOnm。
[0059]在以下实施例中进一步说明本发明的优点和其他细节，但实施例中引用的具体材料和结构尺寸以及其他条件和细节不应该认为是对本发明进行了不恰当的限制。
[0060]实施例1
[0061]步骤一:构造立体微点阵模板；
[0062]采用光固化成形(StereoLithography Appearance, SL 或 SLA)制备(10，3) - α点阵结构模板，参见图2Α所示。
[0063]光固化成形用的工艺参数为:填充扫描速度:300mm/s,扫描间距:0.1mm,光斑补偿直径:0.2mm,支撑扫描速度:100mm/s,跳跨速度:600mm/s,层间等待时间:5s,工作台进给速度:5mm/s,工作台浸入深度:6_。
[0064]光固化成形用的模板材料为:DSM somosl4120复合光敏树脂,其主要成分为环氧丙烯酸。这类树脂模型的表面光滑，有利于在其表面化学镀镍。
[0065](10, 3)-α点阵结构模板尺寸为:长(a)为23.22mm、宽(b)为23.20mm、高(c)为23.1 Qmnin
[0066]参见图2A所示，从纵向上观察，能够清晰见到圆柱状的孔道(即空心管)，很类似于弹簧结构和iso-truss结构中的孔道结构；从横向上观察，也能看见曲线状的结构。经实施例I的第一步骤制得的此结构具有很高的结构稳定性，和具有弹性和抗破坏性的物理稳定性质。
[0067]本实例的三维造型采用了 Solidworks2012版本软件中进行3D结构制图。
[0068]步骤二:在立体微点阵模板上化学镀镍材料，得到预成型结构体；
[0069](201)将(10，3)-α点阵结构模板放入高锰酸钾和氢氧化钠溶液中，进行表面粗化10分钟，得到第一中间模板；
[0070]所述制备1L的高锰酸钾和氢氧化钠溶液需要60g的高锰酸钾和30g的氢氧化钠，用去离子水配制到1L。
[0071](202)将第一中间模板放入含盐酸和氯化亚锡的活化液中，进行活化处理20分钟，得到第二中间模板；
[0072]所述制备IL的盐酸和氯化亚锡活化液需要15g的氯化亚锡和质量百分比浓度37.5%为40ml的盐酸，用去离子水配制到1L。
[0073](203)将第二中间模板放入化学镀镍溶液中进行化学镀，用氨水调节pH=4.9，反应温度为80°C，化学镀时间为3分钟，制得镍膜厚度为500纳米的预成型结构体，参见图2B所
/Jn 。
[0074]所述IL的化学镀镍溶液中需要35g的NiSO4.6H20 (六水合硫酸镍)，35g的NaH2PO2.Η20 (—水次磷酸钠)，25g的C3H5NaO3 (乳酸钠)，30g的NH4Cl (氯化铵)，分析纯IOml的N(C2H4OH)3 (三乙醇胺)，用去离子水配制到1L。
[0075]参见图2B所示，镍金属膜材料被均匀地化学镀在了(10，3)-α点阵结构模板上。
[0076]步骤三:烧蚀去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0077]将步骤(203)制得的预成型结构体放入马弗炉中，体积百分比浓度为99.99%的氮气为保护气氛，以升温速度为20°C /min条件下升温到500°C，并在500°C温度下保温I小时，随马弗炉冷却后，取出得到螺旋状空心管点阵镍材料，参见图2C所示。
[0078]将实施例1制得的螺旋状空心管点阵镍材料进行称量，计算出密度为8mg/cm3，该制得的螺旋状空心管点阵镍材料具有超轻的特性。
[0079]将实施例1制得的螺旋状空心管点阵镍材料经电镜扫描，如图2D和图2E所示，其螺旋状空心管点阵镍材料结构单元的长度(L)为4mm、直径(D)为0.8mm、厚度(h)为400nm。
[0080]将实施例1制得的螺旋状空心管点阵镍材料进行压缩测试，仪器型号INSTR0N6656力学试验机，移动速度为5 μ m/s，最大压缩应力为1.2MPa。
[0081]实施例2
[0082]步骤一:构造立体微点阵模板；
[0083]采用光固化成形(Stereo Lithography Appearance, SL或SLA)制备金刚石点阵结构模板，三维制图为Solidworks2012版本软件，构型结构参见图3所示。
[0084]光固化成形用的工艺参数为:填充扫描速度:300mm/s,扫描间距:0.1mm,光斑补偿直径:0.2mm,支撑扫描速度:100mm/s,跳跨速度:600mm/s,层间等待时间:5s,工作台进给速度:5mm/s,工作台浸入深度:6_。
[0085]光固化成形用的模板材料为:DSM somosl4120复合光敏树脂,其主要成分为环氧丙烯酸。这类树脂模型的表面光滑，有利于在其表面化学镀镍。
[0086]金刚石点阵结构模板尺寸为:长为27.9183mm、宽为18.8045mm、高为9.6165mm。[0087]参见图3所示，从纵向上观察，能够清晰见到圆柱状的孔道，很类似于弹簧结构和iso-truss结构中的孔道结构；从横向上观察，也能看见曲线状的结构。经实施例2的第一步骤制得的此结构具有很高的结构稳定性，和具有弹性和抗破坏性的物理稳定性质。
[0088]步骤二:在立体微点阵模板上化学镀镍材料，得到预成型结构体；
[0089](201)将金刚石点阵结构模板放入高锰酸钾和氢氧化钠溶液中，进行表面粗化15分钟，得到第一中间模板；
[0090]所述制备IL的高锰酸钾和氢氧化钠溶液需要60g的高锰酸钾和30g的氢氧化钠，用去离子水配制到1L。
[0091](202)将第一中间模板放入含盐酸和氯化亚锡的活化液中，进行活化处理15分钟，得到第二中间模板；
[0092]所述制备IL的盐酸和氯化亚锡活化液需要15g的氯化亚锡和质量百分比浓度37.5%为40ml的盐酸，用去离子水配制到1L。
[0093](203)将第二中间模板放入化学镀镍溶液中进行化学镀，用氨水调节pH=4.9，反应温度为80°C，化学镀时间为3分钟，制得镍膜厚度为500纳米的预成型结构体。镍金属材料被均匀地化学镀在了金刚石点阵结构模板上。
[0094]所述IL的化学镀镍溶液中需要35g的NiSO4.6H20 (六水合硫酸镍)，35g的NaH2PO2.Η20 (—水次磷酸钠)，25g的C3H5NaO3 (乳酸钠)，30g的NH4Cl (氯化铵)，分析纯IOml的N(C2H4OH)3 (三乙醇胺)，用去离子水配制到1L。
[0095]步骤三:烧蚀去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0096]将步骤(203)制得的预成型结构体放入马弗炉中，体积百分比浓度为99.99%的氮气为保护气氛，以升温速度为20°C /min条件下升温到500°C，并在500°C温度下保温I小时，随马弗炉冷却后，取出得到螺旋状空心管点阵镍材料。
[0097]将实施例2制得的空心管微点阵镍材料经电镜扫描，其结构单元的长度(L)为5_、直径(D)为 1.0mm、厚度(h)为 600nm。
[0098]实施例3
[0099]步骤一:构造立体微点阵模板；
[0100]采用选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)制备螺旋状复合光敏树脂ABS的微点阵结构模板。
[0101]选择性激光烧结(SLS)的工艺参数为:激光功率:20W，预热温度90°C，切片厚度0.2mm,扫描速度 1800mm/s。
[0102]选择性激光烧结(SLS)用模板材料为:ABS树脂。这类树脂模型的表面光滑，有利于在其表面化学镀铜。
[0103]步骤二:在立体微点阵模板上制作铜膜材料，得到预成型结构体；
[0104](201)将螺旋结构模板放入除油溶液中含氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠和十二烷基磺酸钠的溶液中，进行表面除油30分钟，得到第一中间模板；
[0105]所述制备IL的除油溶液需要5g的氢氧化钠、20g的碳酸钠、20g的磷酸钠和Ig的十二烷基磺酸钠，用去离子水配制到1L。
[0106](202)将第一中间模板放入含铬酐和浓硫酸的粗化液中，进行粗化处理20分钟，得到第二中间模板；[0107]所述制备IL的铬酐和浓硫酸的粗化液需要400g的铬酐和400ml质量百分比浓度为98%的浓硫酸，用去离子水配制到1L。
[0108](203)将第二中间模板放入含氯化亚锡和浓盐酸的敏化液中，进行敏化处理3分钟，得到第三中间模板；
[0109]所述制备IL的氯化亚锡和浓盐酸的敏化液需要IOg的氯化亚锡和70ml质量百分比浓度为37.5%的浓盐酸，用去离子水配制到1L。
[0110](204)将第三中间模板放入含硝酸银和氨水的活化液中，进行活化处理5分钟，得到第四中间模板；
[0111]所述制备IL的硝酸银和氨水的活化液需要2g的硝酸银和150ml氨水，用去离子水配制到1L。
[0112](205)将第四中间模板放入化学镀铜溶液中进行化学镀，反应温度为室温，化学镀时间为30分钟，制得镍膜厚度为500纳米的预成型结构体。
[0113]所述IL的化学镀铜溶液中需要6g的硫酸铜，20g的酒石酸氢钾，18g的氢氧化钠，
0.2g的2-硫基苯并噻唑和3g氯化铵和5ml的乙二醒,用去离子水配制到1L。
[0114]步骤三:烧蚀去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0115]将步骤(205)制得的预成型结构体放入马弗炉中，体积百分比浓度为99.99%的氮气为保护气氛，以升温速度为20°C /min条件下升温到500°C，并在500°C温度下保温I小时，随马弗炉冷却后，取`出得到螺旋状空心管点阵铜材料。
[0116]将实施例3制得的空心管点阵铜材料经电镜扫描，其结构单元的长度(L)为
3.5mm、直径(D)为 1.1mm、厚度(h)为 630nm。
[0117]实施例4
[0118]步骤一:构造立体微点阵模板；
[0119]采用熔积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)制备四面体点阵结构模板。
[0120]熔积成型用的工艺参数为:分层厚度:0.1mm，喷嘴温度230°C。
[0121]熔积成型用的模板材料为:DSM somosl4120复合光敏树脂，其主要成分为环氧丙烯酸。这类树脂模型的表面光滑，有利于在其表面化学镀铜。
[0122]步骤二:在立体微点阵模板上化学镀铜膜材料，得到预成型结构体；
[0123](201)将(10，3)-α点阵结构模板放入高锰酸钾和氢氧化钠溶液中，进行表面粗化10分钟，得到第一中间模板；
[0124]所述制备IL的高锰酸钾和氢氧化钠溶液需要60g的高锰酸钾和30g的氢氧化钠，用去离子水配制到1L。
[0125](202)将第一中间模板放入含盐酸和氯化亚锡的活化液中，进行活化处理20分钟，得到第二中间模板；
[0126]所述制备IL的盐酸和氯化亚锡活化液需要15g的氯化亚锡和质量百分比浓度37.5%为40ml的盐酸，用去离子水配制到1L。
[0127](203)将第二中间模板放入化学镀镍溶液中进行化学镀，用氨水调节pH=4.9，反应温度为80°C，化学镀时间为3分钟，制得镍膜厚度为500纳米的预成型结构体，参见图1A所
/Jn ο
[0128]所述IL的化学镀镍溶液中需要35g的NiS04*6H20 (六水合硫酸镍)，35g的NaH2PO2.Η20 (—水次磷酸钠)，25g的C3H5NaO3 (乳酸钠)，30g的NH4Cl (氯化铵)，分析纯IOml的N(C2H4OH)3 (三乙醇胺)，用去离子水配制到1L。
[0129]步骤三:烧蚀去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0130]将步骤(203)制得的预成型结构体放入马弗炉中，体积百分比浓度为99.99%的氮气为保护气氛，以升温速度为20°C /min条件下升温到500°C，并在500°C温度下保温I小时，随马弗炉冷却后，取出得到螺旋状空心管点阵铜材料。
[0131]将实施例4制得空心管点阵铜材料经电镜扫描，其结构单元的长度(L)为2.7mm、直径(D)为0.3mm、厚度(h)为400nm。
[0132]实施例5
[0133]步骤一:构造立体微点阵模板；
[0134]采用选择性激光烧结(SelectiveLaser Sintering, SLS)制备(10，3)-α 微点阵结构模板。
[0135]选择性激光烧结(SLS)的工艺参数为:激光功率:20W，预热温度90°C，切片厚度
0.2mm,扫描速度 1800mm/s。
[0136]选择性激光烧结用的模板材料为:EX-200型复合光敏树脂。
[0137]步骤二:在立体微 点阵模板上电镀锌镍膜材料，得到预成型结构体；
[0138]将(10，3)-α点阵结构模板放电镀锌镍溶液中，用氨水调节ρΗ=4.5，电镀时间为3分钟，制得锌镍膜厚度为500纳米的预成型结构体。
[0139]所述IL的电镀锌镍溶液中需要100g的氯化镍、80g的氯化锌、150g的氯化钾、50g的氯化铵、20g的硼酸和0.06g的十二烷基硫酸钠，用去离子水配制到1L。
[0140]步骤三:化学刻蚀去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0141]将步骤二制得的预成型结构体在0.5mol/L的NaOH溶液中溶解lh，即化学刻蚀去除掉(10，3)-α微点阵结构模板处理了 lh，然后用去离子水冲洗，即得到点阵材料。
[0142]将实施例5制得的点阵锌镍材料经电镜扫描，其结构单元的长度(L)为5mm、直径(D)为 1.65_、厚度(h)为 910nm。
[0143]实施例6
[0144]步骤一:构造立体微点阵模板；
[0145]采用光固化成形(Stereo Lithography Appearance, SL或SLA)制备四面体尼龙点阵结构模板，三维制图为Solidworks 2012版本软件，构型结构参见图4A所示。
[0146]光固化成形用的工艺参数为:填充扫描速度:400mm/s,扫描间距:0.1mm,光斑补偿直径:0.2mm,支撑扫描速度:60mm/s,跳跨速度:500mm/s,层间等待时间:5s,工作台进给速度:5mm/s,工作台浸入深度:6_。
[0147]光固化成形用的模板材料为:尼龙。
[0148]四面体尼龙点阵结构模板尺寸为:长为27.92臟、宽为18.80mm、高为9.62mm。
[0149]参见图4A所示，从纵向上观察，能够清晰见到圆柱状的孔道，很类似于弹簧结构和iso-truss结构中的孔道结构；从横向上观察，也能看见曲线状的结构。经实施例6的第一步骤制得的此结构具有很高的结构稳定性，和具有弹性和抗破坏性的物理稳定性质。
[0150]步骤二:在立体微点阵模板上电镀铜锡合金膜材料，得到预成型结构体；
[0151]将四面体结构模板放入电镀铜锡溶液中进行电镀，用氨水调节pH=6.2，电镀时间为3分钟，制得铜镍铬合金膜厚度为500纳米的预成型结构体。
[0152]所述制备IL的电镀铜锡溶液需要22g的硫酸锡，25g的硫酸铜，100g的柠檬酸铁铵，50g的硫酸铵，用去离子水配制到1L。
[0153]参见图4B所示，铜锡合金膜材料被均匀地化学镀在了四面体尼龙点阵结构模板上。
[0154]步骤三:烧蚀去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料；
[0155]将步骤(203)制得的预成型结构体放入马弗炉中，体积百分比浓度为99.99%的氮气为保护气氛，以升温速度为20°C /min条件下升温到500°C，并在500°C温度下保温I小时，随马弗炉冷却后，取出得到螺旋状空心管点阵铜锡合金膜材料，参见图4C所示。
[0156]将实施例6制得的螺旋状空心管点阵铜锡合金材料经电镜扫描，其螺旋状空心管点阵铜锡合金膜材料的长度(L )为4.2mm、直径(D)为0.6mm、厚度(h)为510nm。
【权利要求】
1.一种采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的制备方法，其特征在于包括有下列制备步骤: 步骤一:构造立体微点阵模板； 采用3D成型技术制作出立体微点阵模板； 所述立体微点阵模板的结构包括有简单立方、体心立方、面心立方、简单六方、简单四方、体心四方、R心六方、简单正交、O心正交、体心正交、面心正交、简单斜方、O心单斜、简单三斜、(10，3)-α结构或者金刚石正四面体结构； 3D成型技术制作立体微点阵模板所选用的材料为高分子聚合物； 步骤二:在立体微点阵模板上制作金属膜材料，得到预成型结构体； 采用化学镀工艺在立体微点阵模板上制作金属膜材料，得到预成型结构体； 金属膜材料的成分可以是单一的、质量百分比纯度为99.0%~99.99%的镍、铜、铝、锌、锡、金、银、钯或者铬；也可以是锌铁合金、锌钴合金、锌钛合金、锌铬合金、锌锰合金、锌镍合金、铜锡合金、铜镍铬合金或者银铟合金； 采用化学镀时，先配制化学镀液，然后用氨水调节化学镀液的PH值，ρΗ=4.8~5.1，设置化学镀反应温度为75~85°C，化学镀时间为2~10分钟； 步骤三:去除3D模板后得到超轻超轻空心管微点阵材料； 将步骤二得到的预成型结构体采用烧蚀去除掉步骤一制得的立体微点阵模板，得到超轻超轻空心管微点阵材料； 烧蚀工艺条件为:采用马弗炉，体积百分比浓度为99.99%的氮气为保护气氛，以升温速度为10~20°C /min条件下升温到350~500°C，并在350~500°C温度下保温30~90分钟。
2.根据权利要求1所述的采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的制备方法，其特征在于:3D成型技术包括有光固化立体成型技术(SLA)、选择性激光烧结(SLS)或者熔积成型(TOM)； 光固化立体成型技术(SLA)的工艺参数为:填充扫描速度为300~500mm/s，扫描间距为0.1~0.5mm,光斑补偿直径为0.1~0.2mm,支撑扫描速度为80~120mm/s,跳跨速度为400~700mm/s,层间等待时间为2~5s,工作台进给速度为3~10mm/s,工作台浸入深度为5~10mm ； 选择性激光烧结(SLS)的工艺参数为:激光功率为15~40W，预热温度70~150°C，切片厚度0.1~2_，扫描速度1200~2000mm/s ； 熔积成型(FDM)的工艺参数为:分层厚度为0.05~1.0mm，喷嘴温度150~350°C。
3.根据权利要求1所述的采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的制备方法，其特征在于:所述高分子聚合物可以是:EX-200型复合光敏树脂、DSM somosl4120型复合光敏树脂、DSM somos11120型复合光敏树脂、丙烯酸酯树脂、环氧树脂、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(Ρ0Μ)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或者光刻胶。
4.根据权利要求1所述的采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的制备方法，其特征在于:在步骤二中采用电镀工艺在立体微点阵模板上制作金属膜材料，得到预成型结构体；采用电镀时，先配制电镀液，然后用氨水调节化学镀液的PH值，pH=6.0~6.2，设置电镀时间为2~10分钟。
5.根据权利要求1所述的采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的制备方法，其特征在于:在步骤三中，将步骤二得到的预成型结构体采用采用化学刻蚀去除掉步骤一制得的立体微点阵模板，得到超轻超轻空心管微点阵材料； 化学刻蚀工艺条件为:在刻蚀液下处理30~90分钟；所述刻蚀液可以是氢氧化钠、硫酸。
6.根据权利要求1、4、或5所述的采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的制备方法，其特征在于:制得的超轻空心管微点阵金属材料的结构单元中空心管的长为2~5mm ;空心管的直径为0.1~2mm ;厚度为100~lOOOnm。
7.根据权利要求1、4、或5所述的采用模板法构筑超轻空心管微点阵金属材料的制备方法，其特征在于:制得的超轻空心管微点阵金属材料的密度为8mg/cm3，具有超轻的特性。
8.一种依据权利要求1、4、或5所述的制备方法制得的超轻空心管微点阵金属材料，其特征在于:该金属材料可以是单一的、质量百分比纯度为99.0%~99.99%的镍、铜、铝、锌、锡、金、银、钯或者铬；也可以是锌铁合金、锌钴合金、锌钛合金、锌铬合金、锌锰合金、锌镍合金、铜锡合金、铜镍铬合金或者银铟合金。
9.根据权利要求8所述的超轻空心管微点阵金属材料，其特征在于:该金属材料为超轻空心管微点阵结构。
10.根据权利要求8所述的超轻空心管微点阵金属材料，其特征在于:该金属材料的结构单兀中空心管的长为2~5mm ;空心管的直径为0.1~2mm ;厚度为100~lOOOnm。
【文档编号】C23C18/31GK103805972SQ201410023584
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】杨青林, 徐晶晶, 郭林, 江雷 申请人:北京航空航天大学