CN112848616A - 一种微纳米级工程立体结构材料及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳米级工程立体结构材料及其制作方法,其中,所述微纳米级工程立体结构材料的宏观结构是板材或棒材;所述微纳米级工程立体结构材料的微观结构是膜片,所述膜片由毫微米级厚度的基片和微纳米级厚度、微米级长宽的微纳米级的薄膜组成,在所述基片表面采用真空镀膜、溶胶凝胶、外延生长或原子层沉积等表面工程技术形成一层所述的微纳米级的薄膜,形成所述的膜片。本发明方法制作的微纳米级工程立体结构材料具有较轻的重量,较强的强度。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米级工程材料与器件技术领域,特别涉及一种阵列排布的微纳米级工程立体结构材料及其制作方法。
背景技术
一方面,随着现代材料技术与结构分析、操纵技术的发展,只有采用气相沉积结合原子级显微镜技术等能够实现的在材料表面进行微纳米堆积、操作,但无法建立三维空间的、尤其是内部存在复杂多孔体系的微纳米级立体结构。
另一方面,微纳米光学、结合光敏树脂和3D打印,能够实现光敏树脂基的微纳米超轻结构,即在光敏树脂基的微纳米超轻结构材料基础上,利用原子层气相沉积等技术,在所述超轻结构材料的内外表面,沉积微纳米厚度的金属或陶瓷薄膜,然后去除作为基板的光敏树脂基材料,获得超轻超强工程结构材料,是当前诸多科研单位竞相开展的热门研究课题;但是,所述方法存在制备速率慢、制备器件小、工艺控制难等不足,难以实现工业应用等难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳米级工程立体结构材料及其制作方法,解决现有技术中的微纳米级工程立体结构材料不易获得的技术难题;提供一种方法简单、可大规模量产、尺度可以与传统工程立体结构材料相匹配、微观结构有序、材料和微孔组成与结构可精确控制的微纳米级工程立体结构材料及其制作方法。
为解决上述问题,本发明提供了一种微纳米级工程立体结构材料,其中,所述微纳米级工程立体结构材料的宏观结构是板材或棒材;所述微纳米级工程立体结构材料的微观结构是膜片,所述膜片由毫微米级厚度的基片和微纳米级厚度、微米级长宽的微纳米级的薄膜组成,在所述基片表面采用真空镀膜、溶胶凝胶、外延生长或原子层沉积等表面工程技术形成一层所述的微纳米级的薄膜,形成所述的膜片;多个所述膜片叠加、压实形成一次膜体;沿着垂直于所述一次膜体的薄膜层的方向对所述一次膜体进行切割,形成二次膜片;将多个所述二次膜片,以一定的角度错位叠加、压实,形成二次膜体;将形成的所述二次膜体,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体中的所述基片,形成所述的微纳米级工程立体结构材料的宏观结构。
优选地,所述宏观结构具有可二次加工性能。
优选地,所述微纳米级的薄膜的厚度在1至1000纳米之间,长宽在1至1000微米之间。
根据本发明的另一方面,提供了一种制作所述的微纳米级工程立体结构材料的方法,其中,所述方法包括以下步骤:
第一、选择毫微米级厚度的薄膜作为基片;
第二、采用真空镀膜、溶胶凝胶、外延生长或原子层沉积等表面工程技术,在所述基片表面形成一层微纳米级厚度的薄膜,形成一次膜片;
第三、多个所述一次膜片叠加在一起,压实形成一次膜体;
第四、沿着垂直于所述一次膜体的薄膜层的方向对所述一次膜体进行切割,形成二次膜片;
第五、将多个所述二次膜片,以一定的角度错位叠加、压实,形成二次膜体;
第六、将形成的所述二次膜体,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体中的所述基片,形成所述的微纳米级工程立体结构材料。
优选地,所述一定的角度是指在所述二次膜片中,存在平行的膜层线,两个所述二次膜片叠加时,二者的膜层线存在一定的角度,即二者不再是平行线。
优选地,所述第五步骤可以是将所述二次膜片,以与膜层线一定的角度卷绕起来形成丝材,利用编织、纺织等技术形成二次膜体材。
优选地,在第五步骤之后,还可以重复第四、第五步骤,形成三次膜体,依此类推。
优选地,还可以重复所述卷绕步骤,形成三次膜体材,依此类推。
优选地,在第六步骤之前,通过在所述二次膜体上加载电流,将各层膜片相互接触的位置形成焊接点。
优选地,在第六步骤之前,各层膜片之间通过溶剂溶解的作用,溶剂在所述基片上边溶解部分所述基片边形成粘结剂,将各层膜片相互接触的位置形成粘接点。
本发明相对现有技术的有益效果在于:本发明的微纳米级工程立体结构材料结合材料科学和工程力学原理,与同样大小的实心甚至花岗岩山体相比,其承受各种冲击的能力更强;而且其内部的工程结构,可以采用空心结构使其用材、重量大大降低;在微纳米尺度,也可以采用微纳米级膜片、微纳米级空洞,实现微纳米级构件的极轻量化,极轻量化的微纳米级构件有规律的重复搭建,可以获得宏观的超轻超强的微纳米级工程结构材料。
附图说明
图1是本发明公开的微纳米级工程结构材料的微观结构的平面示意图,图中,不同灰度的色块代表不同材料的微纳米级膜片,其中基片已被去除;
图2a至图2f是本发明公开的微纳米工程结构材料的制备过程示意图;
图中,A为基片;B为薄膜;C为一次膜片;D为叠加热压在一起的一次膜体;E为从D上面切割获得的A/B复合的二次膜片;F为E再次叠加热压在一起的二次膜体(其中,相邻的二次膜片E,其中的A/B的方向垂直);G为获得的最终的微纳米级工程结构材料(Gx为从x轴方向看到的G;Gy为从y轴方向看到的G)。
具体实施方式
以下结合附图,对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的部分实施例,而不是全部实施例。
如图1所示,一种微纳米级工程立体结构材料G,其中,所述微纳米级工程立体结构材料G的宏观结构是板材或棒材;所述微纳米级工程立体结构材料G的微观结构是膜片C,所述膜片C由毫微米级厚度的基片A和微纳米级厚度、微米级长宽的微纳米级的薄膜B组成,在所述基片A表面采用真空镀膜、溶胶凝胶、外延生长或原子层沉积等表面工程技术形成一层所述的微纳米级的薄膜B,形成所述的膜片C;多个所述膜片C叠加、压实形成一次膜体D;沿着垂直于所述一次膜体D的薄膜层的方向对所述一次膜体D进行切割,形成二次膜片E;将多个所述二次膜片E,以一定的角度错位叠加、压实,形成二次膜体F;将形成的所述二次膜体F,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体中的所述基片A,形成所述的微纳米级工程立体结构材料G的宏观结构。不同的色块代表不同材料的微纳米级膜片C,其中基片A已被去除。
优选地,所述宏观结构具有可二次加工性能。所述可二次加工性能是指所述微纳米级工程立体结构材料G的宏观结构能够任意的切割形成需要的形状,从而,所述微纳米级工程立体结构材料G能够作为超轻超强材料应用于航空、航天、军工、先进制造等技术领域。
优选地,所述微纳米级的薄膜B的厚度在1至1000纳米之间,长宽在1至1000微米之间。所述微纳米级的薄膜B的组分、组织结构不限,为任何可在使用环境下作为薄膜B存在或者可形成薄膜B存在的物质组成及其组织结构。
根据本发明的另一方面,提供了一种制作所述的微纳米级工程立体结构材料G的方法,其中,所述方法包括以下步骤:
第一、选择毫微米级厚度的薄膜作为基片A;
第二、采用真空镀膜、溶胶凝胶、外延生长或原子层沉积等表面工程技术,在所述基片A表面形成一层微纳米级厚度的薄膜B,形成一次膜片C;
第三、多个所述一次膜片C叠加在一起,压实形成一次膜体D;
第四、沿着垂直于所述一次膜体D的薄膜层的方向对所述一次膜体D进行切割,形成二次膜片E;
第五、将多个所述二次膜片E,以一定的角度错位叠加、压实,形成二次膜体F;
第六、将形成的所述二次膜体F,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体F中的所述基片A,形成所述的微纳米级工程立体结构材料G。
优选地,所述一定的角度是指在所述二次膜片E中,存在平行的膜层线,两个所述二次膜片E叠加时,二者的膜层线存在一定的角度,即二者不再是平行线。
优选地,所述第五步骤可以是将所述二次膜片E,以与膜层线一定的角度卷绕起来形成丝材,利用编织、纺织等技术形成二次膜体材。
优选地,在第五步骤之后,还可以重复第四、第五步骤,形成三次膜体,依此类推。
优选地,还可以重复所述卷绕步骤,形成三次膜体材,依此类推。
优选地,在第六步骤之前,通过在所述二次膜体F上加载电流,将各层膜片相互接触的位置形成焊接点。将形成的所述二次膜体F,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体F中的所述基片A,但形成的所述焊接点保留,形成所述的微纳米级工程立体结构材料G。
优选地,在第六步骤之前,各层膜片之间通过溶剂溶解的作用,溶剂在所述基片A上边溶解部分所述基片A边形成粘结剂,将各层膜片相互接触的位置形成粘接点。将形成的所述二次膜体F,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体F中的所述基片A,但形成的所述粘接点保留,形成所述的微纳米级工程立体结构材料G。
具体地,一种制作所述的微纳米级工程立体结构材料G的方法如下,选择毫微米级厚度的薄膜作为基片A,利用真空镀膜技术在基片A表面沉积微纳米厚度的薄膜B,获得一次膜片C。多片一次膜片C叠加堆积在一起,形成堆积的一次膜体D。沿着垂直于薄膜B的方向,切割一次膜体D,获得切割的二次膜片E,其厚度为微纳米级。从横断面看,二次膜片E里面的薄膜B形成的线,有两个方向,可分别形成X和Y方向,二者垂直,分别称为E-X、E-Y。将E-X和E-Y交错叠加在一起,形成二次膜体F,二次膜体F里面,薄膜B在相邻的叠加片中,是相互垂直的,即分别为X、Y方向。可以将所述二次膜体F切割成需要的规则形状,例如建筑用方砖形状。然后,通过在所述二次膜体F上加载电流,将各层膜片相互接触的位置形成焊接点。将形成的所述二次膜体F,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体F中的所述基片A,但形成的所述焊接点保留,形成超轻超强的、由条状薄膜B组成的所述的微纳米级工程立体结构材料G。通过改变基片A的大小、堆积叠加层数的多少,可以获得任意大小的微纳米级工程结构材料G,对微纳米级工程结构材料G进行各种机械加工,可获得任意形状、大小的、微纳米级精确控制的超轻超强工程结构材料组成的器件。
本发明相对现有技术的有益效果在于:本发明的微纳米级工程立体结构材料结合材料科学和工程力学原理,与同样大小的实心甚至花岗岩山体相比,其承受各种冲击的能力更强;而且其内部的工程结构,可以采用空心结构使其用材、重量大大降低;在微纳米尺度,也可以采用微纳米级膜片、微纳米级空洞,实现微纳米级构件的极轻量化,并且极轻量化的微纳米级构件有规律的重复、搭建,可以获得宏观的超轻超强的微纳米级工程结构材料。
实施例一:
厚度3微米、长宽为4厘米的PMMA作为基片A;利用磁控溅射镀膜技术沉积金属Ti作为薄膜B,沉积工艺为:工作压强0.5Pa、工艺气体为Ar,Ti靶材表面的等离子体功率密度为0.5W/cm2、沉积时间为20min,获得的Ti薄膜厚度为1微米;将1万片镀膜PMMA膜片C叠加、热压在一起,获得一个长宽高均为4cm的Ti/PMMA复合的一次膜体D;垂直于Ti薄膜B的平面方向,对一次膜体D切割,获得Ti薄膜/PMMA薄膜复合的二次膜片E,二次膜片E的厚度为4微米,长宽尺寸为4厘米;二次膜片E的表面,平行于Ti薄膜的方向,称为E-x,垂直于Ti二次膜片的方向,称为E-y,将二次膜片E以E-x、E-y交错堆积的方式,叠加在一起并热压成型,获得堆积热压的二次膜体F;将二次膜体F置于有机溶剂丙酮中,二次膜体F中的PMMA被部分溶解,各层膜片之间通过溶剂溶解的作用,溶剂在所述基片A上边溶解部分所述基片A边形成粘结剂,将各层膜片相互接触的位置形成粘接点,然后,将形成的所述二次膜体F,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体F中的所述基片A,但形成的所述粘接点保留,形成所述的微纳米级工程立体结构材料G。从而获得由厚度1微米、宽度4微米的金属Ti薄膜交错构成的超轻超强的微纳米级工程结构材料G。基于金属位错理论等,简单计算可知,微纳米级工程结构材料G的密度仅为Ti的1/4,而其强度甚至比纯Ti的性能都要高得多。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明,应当理解,以上所述的仅为本发明的具体实施例而已,并且不用于限定本发明的保护范围。特别指出,对于本领域技术人员来说,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微纳米级工程立体结构材料,其特征在于,所述微纳米级工程立体结构材料的宏观结构是板材或棒材;所述微纳米级工程立体结构材料的微观结构是膜片,所述膜片由毫微米级厚度的基片和微纳米级厚度、微米级长宽的微纳米级的薄膜组成,在所述基片表面采用真空镀膜、溶胶凝胶、外延生长或原子层沉积等表面工程技术形成一层所述的微纳米级的薄膜,形成所述的膜片;多个所述膜片叠加、压实形成一次膜体;沿着垂直于所述一次膜体的薄膜层的方向对所述一次膜体进行切割,形成二次膜片;将多个所述二次膜片,以一定的角度错位叠加、压实,形成二次膜体;将形成的所述二次膜体,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体中的所述基片,形成所述的微纳米级工程立体结构材料的宏观结构。
2.根据权利要求1所述的微纳米级工程立体结构材料,其特征在于,所述宏观结构具有可二次加工性能。
3.根据权利要求1或2所述的微纳米级工程立体结构材料,其特征在于,所述微纳米级的薄膜的厚度在1至1000纳米之间,长宽在1至1000微米之间。
4.一种制作根据权利要求1至3中任意一项所述的微纳米级工程立体结构材料的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
第一、选择毫微米级厚度的薄膜作为基片;
第二、采用真空镀膜、溶胶凝胶、外延生长或原子层沉积等表面工程技术,在所述基片表面形成一层微纳米级厚度的薄膜,形成一次膜片;
第三、多个所述一次膜片叠加在一起,压实形成一次膜体;
第四、沿着垂直于所述一次膜体的薄膜层的方向对所述一次膜体进行切割,形成二次膜片;
第五、将多个所述二次膜片,以一定的角度错位叠加、压实,形成二次膜体;
第六、将形成的所述二次膜体,利用化学腐蚀或燃烧气化的方式,去除所述二次膜体中的所述基片,形成所述的微纳米级工程立体结构材料。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述一定的角度是指在所述二次膜片中,存在平行的膜层线,两个所述二次膜片叠加时,二者的膜层线存在一定的角度,即二者不再是平行线。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述第五步骤可以是将所述二次膜片,以与膜层线一定的角度卷绕起来形成丝材,利用编织、纺织等技术形成二次膜体材。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在第五步骤之后,还可以重复第四、第五步骤,形成三次膜体,依此类推。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,还可以重复所述卷绕步骤,形成三次膜体材,依此类推。
9.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在第六步骤之前,通过在所述二次膜体上加载电流,将各层膜片相互接触的位置形成焊接点。
10.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,在第六步骤之前,各层膜片之间通过溶剂溶解的作用,溶剂在所述基片上边溶解部分所述基片边形成粘结剂,将各层膜片相互接触的位置形成粘接点。
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