负泊松比高磁致伸缩材料及其增材制造方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种负泊松比高磁致伸缩材料及其增材制造方法，为功能材料领域，是机械工程、信息、材料科学交叉的领域。

背景技术：

磁致伸缩材料是指在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，实现将电磁能转换成机械能或声能，相反也可以将机械能转换成电磁能。它是重要的能量与信息转换功能材料，在水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。

磁致伸缩材料的主要制备方法是定向凝固法，通过控制材料的晶粒取向，生成单方向生长的柱状晶，甚至单晶，不产生横向晶界或横向晶界较少，从而提高材料的磁致伸缩性能，但是单晶成本高，尺寸也受到限制，而且不易加工。工业生产中在器件上广泛应用还是多种元素化合而成的多晶合金材料，但合金的晶粒取向杂乱无章，会使材料的磁致伸缩性能降低，从而又难以实现理想的磁致伸缩效果，且磁致伸缩材料多属于硬脆材料，传统机械加工较难，不易加工制造成复杂结构零件。

负泊松比结构材料是指在受到单向拉伸时，材料会发生侧向的膨胀，通过改变负泊松比结构的设计参数，可以改变负泊松比值的大小，伴随着这种特殊的拉涨现象，负泊松比结构材料表现出更加出色的力学和物理性能，当负泊松比值小于-1时，可以通过横向形变实现纵向变形的放大，负泊松比结构微多孔结构，多孔结构可显著提高硬脆性材料的塑性。但负泊松比结构材料微观结构复杂且排列有序，采用传统机械加工方法，通常难以加工出大块复杂结构的负泊松比结构零件。

综上所述，现有的磁致伸缩材料存在磁致伸缩性能不理想，材料硬度高，脆性大，不易采用传统机械加工方法加工的问题，材料的强度不可设计；材料的微结构单元采用负泊松比结构设计，可以实现材料位移的放大，同时提高材料的力学和物理性能，但是因为负泊松比结构材料微观结构复杂，难以采用传统机械加工方法制造。本发明针对以上问题，将磁致伸缩材料与负泊松比结构相结合，采用泊松比小于-1微结构单元设计，可设计成形材料x、y方向上的力学强度，按需放大材料的线磁致伸缩效应和体磁致伸缩效应，采用喷射成形增材制造技术成形，可直接近净成形出任意结构的零件，结合后处理工艺，可提高成形样件的综合力学性能，从而实现高磁致伸缩性能的磁致伸缩零件增材制造。

技术实现要素：

本发明提供一种负泊松比高磁致伸缩材料及其增材制造方法，将磁致伸缩材料与负泊松比结构相结合，采用喷射成形增材制造技术成形，以解决现有磁致伸缩合金材料磁致伸缩效果不理想，材料综合力学性能较差，采用传统机械加工方法加工较难的问题，实现高磁致伸缩性能，强度可设计，任意复杂结构磁致伸缩材料零件的增材制造。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明所述的负泊松比高磁致伸缩材料，由泊松比小于-1，体积为0.1-1mm³，x、y方向上强度可设计的四韧带同向手性蜂窝结构累加成面，由面累加成体而成；

本发明所述的负泊松比高磁致伸缩材料的增材制造方法，包括下列步骤：

步骤1、配置TbFe₂磁致伸缩合金粉末凝胶，粉末粒径为10-120μm，体积分数为55％-70％，凝胶体系的体积分数为30％-45％，凝胶体系的配比为，单体甲基丙烯酸羟乙酯的体积为45-55份，交联剂二乙二醇二丙烯酸酯的体积为10-20份，引发剂异丙苯过氧化氢和二甲基氨苯的体积分别1-2份，分散剂1.5-2g/ml的聚乙烯比咯烷酮1，2-丙二醇溶液的体积为30-35份，将磁致伸缩合金粉末与凝胶体系加入磁力搅拌器中，搅拌0.5-1小时，制得TbFe₂磁致伸缩合金粉末凝胶；

步骤2、设计泊松比小于-1的四韧带同向手性蜂窝微结构单元模型，如图所示，微结构单元蜂窝壁的宽度为w，连接圆柱的韧带长度为L，圆柱的半径为r，微结构单元的厚度为b，相邻圆柱中心之间的距离为R，拉伸时圆柱转过角度为φ，α＝L/r,β＝w/r,γ＝b/r为结构单元几何参数的无量纲表达形式；

则四韧带同向手性蜂窝结构在x、y方向的应变ε_x、ε_y为：

泊松比v_xy为：

由(3)式可得，当L_x>L_y时，v_xy<-1,

式中L_x、L_y分别为x、y方向上的韧带长度，

通过能量原理计算四韧带同向手性蜂窝结构的弹性性模量，

式中U为单元的应变能，

E_i为在i方向上的杨氏模量，

ε_i为在i方向上的应变，

n为单元的韧带数量，

V为体元的体积，

i为x方向或者y方向，

当受力拉伸时，韧带只发生弯曲变形，即只有弯矩做功，根据标准梁理论，储存在单个韧带中的能量等于韧带两端弯矩M所做的功，即：

式中是弯矩M引起的韧带两端转过的角度，

四韧带同向手性蜂窝结构在x、y方向上的有效韧带长度L_ex、L_ey为：

根据梁弯曲理论，有

I＝bw³/12.......(9)

W_rib＝E_sbw³/2L_e.......(10)

式中式中E_s为成形材料的杨氏模量，I为韧带的惯性矩，L_e为有效韧带长度，

联立式(4)-(10)，得：

将上式化简成无量纲形式有

式中E_x，E_y分别为四韧带同向手性蜂窝结构在x、y方向上的杨氏模量，

根据式(3)(13)(14)，通过设计计算，可得所需强度的泊松比小于-1的四韧带同向手性蜂窝微结构单元；

步骤3、采用CATIA软件建立负泊松比微结构单元模型，并由该微结构单元累积成所要成形零件的三维形状，完成成形零件的宏微观结构建模；

步骤4、将零件的三维模型文件以STL格式输入到气动喷射成形增材制造系统；

步骤5、启动气动喷射成形增材制造系统，采用TbFe₂磁致伸缩合金粉末凝胶为原材料，设定成形基板温度为40-60℃，成形室温度为70-80℃，通过控制电磁阀的开启/关闭调节喷射时间的长短，借助减压阀调节气压的大小，喷射速度设定为30-70mm/s，层厚设定为0.1-0.5mm；

步骤6、利用气动喷射成形增材制造系统进行TbFe₂磁致伸缩合金零件绿体的成形，根据三维模型切片处理的层轮廓信息，成形平台做XY方向运动，喷头喷射出TbFe₂磁致伸缩合金粉末凝胶，成形完一层后，喷头上升一个层厚的高度，再进行下一层切片轮廓的成形，如此层层叠加，直至最后成形出零件三维模型的绿体；

步骤7、将绿体从成形平台上取下，置于真空箱中干燥，干燥温度为60-140℃，干燥时间为2-6小时；

步骤8、将干燥后的绿体置于真空炉中保温脱脂，以5-8℃/min的温升速率升温到220-240℃并保温0.5-1.5h，再升温到375-425℃并保温0.5-1.5h，再升温到450-500℃并保温0.5-1.5h，完成脱脂过程，然后以5-8℃/min的温升速率升温至1200-1300℃并保温2-3h，完成烧结过程；

步骤9、将烧后的TbFe₂磁致伸缩合金零件取出放入热等静压机中进行致密化处理，保温温度为800-1200℃，保温时间为1-2h，填充气体为氩气，压强为100Mpa，完成零件的致密化后处理。

进一步，骤1中的磁致伸缩合金可以是TbFe₂、SmFe₂、Tb(CoFe)₂、TbFe₃、DyFe₂和Pr₂Co₁₇等合金中的一种或几种。

进一步，骤2中的负泊松比结构可以为泊松比小于-1的四韧带手性蜂窝结构或星形蜂窝结构等。

进一步，步骤3中的宏微观结构建模可以用SolidWorks、Pro/E和UG等其他三维建模软件建模。

进一步，步骤8中的脱脂烧结过程，可以用脱脂烧结一体炉连续完成，也可以分步完成，可以先用脱脂炉脱脂，再用烧结炉进行烧结。

进一步，步骤9中的热等静压机中的填充气体可以是氮气、氩气等惰性气体，致密化处理也可以采用低热等静压工艺。

本发明的增益效果：将磁致伸缩材料与负泊松比结构相结合，采用泊松比小于-1微结构单元设计，放大材料的线磁致伸缩效应和体磁致伸缩效应，设计成形材料x、y方向上的力学强度，降低成形材料的脆性，采用增材制造技术制造，可直接近净成形零件，解决现有磁致伸缩合金材料采用传统机械加工方法加工较难的问题，结合后处理工艺，可提高成形样件的综合力学性能，实现高磁致伸缩性能，强度可设计，任意复杂结构磁致伸缩材料零件的增材制造。

附图说明

图1是负泊松比高磁致伸缩材料成形工艺流程图；

图2a是负泊松比高磁致伸缩材料四韧带同向手性蜂窝微结构单元主视图；

图2b是负泊松比高磁致伸缩材料四韧带同向手性蜂窝微结构单元立体图；

图3是泊松比小于-1的磁致伸缩效果图；

图4是本发明负泊松比高磁致伸缩材料宏微观结构模型图；

图5是负泊松比磁致伸缩合金绿体成形原理简图。

具体实施方式

理想的磁致伸缩材料应具有显著的磁致伸缩性能，材料具有较好的综合力学性能。本发明将磁致伸缩材料与负泊松比结构相结合，采用泊松比小于-1微结构单元设计，可按需放大材料的线磁致伸缩效应和体磁致伸缩效应，采用喷射成形增材制造技术成形，可直接近净成形出任意结构的样件，结合后处理工艺，可提高成形样件的综合力学性能，从而实现高磁致伸缩性能的磁致伸缩材料增材制造。

本发明所述的负泊松比高磁致伸缩材料，由泊松比小于-1，体积为0.1-1mm³，x、y方向上强度可设计的四韧带同向手性蜂窝结构累加成面，由面累加成体而成；

如图1成形工艺流程图所示，本发明的具体步骤如下：

步骤1配置TbFe₂磁致伸缩合金粉末凝胶，粉末粒径为10-120μm，体积分数为55％-70％，凝胶体系的体积分数为30％-45％，凝胶体系的配比为，单体甲基丙烯酸羟乙酯的体积为45-55份，交联剂二乙二醇二丙烯酸酯的体积为10-20份，引发剂异丙苯过氧化氢和二甲基氨苯的体积分别1-2份，分散剂1.5-2g/ml的聚乙烯比咯烷酮1，2-丙二醇溶液的体积为30-35份，将磁致伸缩合金粉末与凝胶体系加入磁力搅拌器中，搅拌0.5-1小时，制得TbFe₂磁致伸缩合金粉末凝胶，磁致伸缩合金也可以是TbFe₂、SmFe₂、Tb(CoFe)₂、TbFe₃、DyFe₂和Pr₂Co₁₇等合金中的一种或几种；

步骤2设计泊松比小于-1的四韧带同向手性蜂窝微结构单元模型，如图2所示，微结构单元蜂窝壁的宽度为w，连接圆柱的韧带长度为L，圆柱的半径为r，微结构单元的厚度为b，相邻圆柱中心之间的距离为R，拉伸时圆柱转过角度为φ，α＝L/r,β＝w/r,γ＝b/r为结构单元几何参数的无量纲表达形式

则四韧带同向手性蜂窝结构在x、y方向的应变ε_x、ε_y为：

泊松比v_xy为：

由(3)式可得，当L_x>L_y时，v_xy<-1,磁致伸缩效果如图3所示，

式中L_x、L_y分别为x、y方向上的韧带长度，

通过能量原理计算四韧带同向手性蜂窝结构的弹性性模量，

式中U为单元的应变能，

E_i为在i方向上的杨氏模量，

ε_i为在i方向上的应变，

n为单元的韧带数量，

V为体元的体积，

i为x方向或者y方向，

当受力拉伸时，韧带只发生弯曲变形，即只有弯矩做功，根据标准梁理论，储存在单个韧带中的能量等于韧带两端弯矩M所做的功，即：

式中是弯矩M引起的韧带两端转过的角度，

四韧带同向手性蜂窝结构在x、y方向上的有效韧带长度L_ex、L_ey为：

根据梁弯曲理论，有

I＝bw³/12.......(9)

W_rib＝E_sbw³/2L_e.......(10)

式中式中E_s为成形材料的杨氏模量，I为韧带的惯性矩，L_e为有效韧带长度，

联立式(4)-(10)，得：

将上式化简成无量纲形式有

式中E_x，E_y分别为四韧带同向手性蜂窝结构在x、y方向上的杨氏模量，

根据式(3)(13)(14)，通过设计计算，可得所需强度的泊松比小于-1的四韧带同向手性蜂窝微结构单元，负泊松比微结构单元也可以为泊松比小于-1的四韧带手性蜂窝结构或星形蜂窝结构等；

步骤3采用CATIA软件建立负泊松比微结构单元模型，并由该微结构单元累积成所要成形零件的三维形状，完成成形零件的宏微观结构建模，如图4所示，宏微观结构建模也可以用SolidWorks、Pro/E和UG等其他三维建模软件建模；

步骤4将零件的三维模型文件以STL格式输入到气动喷射成形增材制造系统；

步骤5启动气动喷射成形增材制造系统，采用TbFe₂磁致伸缩合金粉末凝胶为原材料，设定成形基板温度为40-60℃，成形室温度为70-80℃，通过控制电磁阀的开启/关闭调节喷射时间的长短，借助减压阀调节气压的大小，喷射速度设定为30-70mm/s，层厚设定为0.1-0.5mm；

步骤6利用气动喷射成形增材制造系统进行TbFe₂磁致伸缩合金零件绿体的成形，如图5所示，根据三维模型切片处理的层轮廓信息，成形平台做XY方向运动，喷头喷射出TbFe₂磁致伸缩合金粉末凝胶，成形完一层后，喷头上升一个层厚的高度，再进行下一层切片轮廓的成形，如此层层叠加，直至最后成形出零件三维模型的绿体；

步骤7将绿体从成形平台上取下，置于真空箱中干燥，干燥温度为60-140℃，干燥时间为2-6小时；

步骤8将干燥后的绿体置于真空炉中保温脱脂，以5-8℃/min的温升速率升温到220-240℃并保温0.5-1.5h，再升温到375-425℃并保温0.5-1.5h，再升温到450-500℃并保温0.5-1.5h，完成脱脂过程，然后以5-8℃/min的温升速率升温至1200-1300℃并保温2-3h，完成烧结过程，脱脂烧结过程，也可以用脱脂烧结一体炉连续完成，也可以分步完成，可以先用脱脂炉脱脂，再用烧结炉进行烧结；

步骤9将烧后的TbFe₂磁致伸缩合金零件取出放入热等静压机中进行致密化处理，保温温度为800-1200℃，保温时间为1-2h，填充气体为氩气，压强为100Mpa，完成零件的致密化后处理，热等静压机中的填充气体也可以是氮气、氩气等惰性气体，致密化处理也可以采用低热等静压工艺。