CN113930734A - 一种基于4d打印技术的热电复合材料的制备方法 - Google Patents

一种基于4d打印技术的热电复合材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113930734A
CN113930734A CN202111093131.5A CN202111093131A CN113930734A CN 113930734 A CN113930734 A CN 113930734A CN 202111093131 A CN202111093131 A CN 202111093131A CN 113930734 A CN113930734 A CN 113930734A
Authority
CN
China
Prior art keywords
shape memory
memory alloy
printing technology
composite material
steps
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111093131.5A
Other languages
English (en)
Inventor
周燕
王晓强
马国财
李霏
文世峰
蔡志娟
段隆臣
史玉升
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Geosciences
Beijing Institute of Electronic System Engineering
Original Assignee
China University of Geosciences
Beijing Institute of Electronic System Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Geosciences, Beijing Institute of Electronic System Engineering filed Critical China University of Geosciences
Priority to CN202111093131.5A priority Critical patent/CN113930734A/zh
Publication of CN113930734A publication Critical patent/CN113930734A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/086—Oxides of zinc, germanium, cadmium, indium, tin, thallium or bismuth

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，包括如下步骤：以形状记忆合金粉末为原料，采用4D打印技术制得上下表面具有多个凸起结构的形状记忆合金部件；采用压头对形状记忆合金部件的上下表面进行整平处理；通过磁控溅射方法，将挠曲效应材料贴合设置在形状记忆合金部件的上下表面；将电极材料镀在形状记忆合金部件的上下表面。本发明利用微结构增材制造工艺在形状记忆合金表面制作微小凸起结构，将其表面整平处理后，通过磁控溅射方法将挠曲效应材料薄膜结合在形状记忆合金表面，随后在最外层镀电极材料，通过形状记忆合金在热场下的形状记忆效应，引导薄膜挠曲变形产生电效应，实现电信号的输出，热电转换效率显著提升。

Description

一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法。
背景技术
能量回收是一种有效的能量利用手段，能够从环境中获取能量并收集利用，在应对能源消耗上，是一种极具前景的方法，如环境中的机械能可以通过压电效应转变为电能，太阳能回收，车量振动能量回收等。热能是生活中最丰富、最普及的能源之一，而废热的转换与收集却十分困难，现有的热能回收技术尚不成熟，且花费昂贵、效率低下。此外，热电转换在热力学上是不可逆的过程，因而热电转换需要通过特殊的材料或者结构设计来实现。传统方法所制备的热电复合材料的热电转换效率较低，制约了行业发展。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，可以在形状记忆合金表面成型精细的微观结构，极大提高了热电复合材料的转换效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、以形状记忆合金粉末为原料，采用4D打印技术制得上下表面具有多个凸起结构的形状记忆合金部件；
S2、采用压头对步骤S1制得的形状记忆合金部件的上下表面进行整平处理；
S3、通过磁控溅射方法，将挠曲效应材料贴合设置在经步骤S2加工后的形状记忆合金部件的上下表面；
S4、将电极材料镀在经步骤S3加工后的形状记忆合金部件的上下表面。
进一步的，步骤S1所制得形状记忆合金部件表面的凸起结构的高度为200μm-500μm、间距为100μm-200μm。
进一步的，所述4D打印技术为微尺度SLM加工技术，4D打印技术所采用的激光功率为100W-400W、所采用的扫描速度为300mm/s-1000mm/s。
进一步的，所述形状记忆合金粉末为NiTi基形状记忆合金粉末或Cu基形状记忆合金粉末。
进一步的，经步骤S3加工后的形状记忆合金部件表面的挠曲效应材料的厚度为200nm-400nm。
进一步的，所述挠曲效应材料为氧化锌、锂参杂氧化锌、铝参杂氧化锌中的一种。
进一步的，经步骤S4加工后的形状记忆合金部件表面的电极材料的厚度为200nm-400nm。
进一步的，所述电极材料为铜电极、石墨电极、银电极、铅电极中的一种。
本发明的有益效果为：
1、以形状记忆合金为主要载体，并采用4D打印技术制备，结合挠曲电效应，利用外温引起形状记忆合金发生形变诱发挠曲电效应，进而产生电能，实现了热电复合材料结构与功能一体的4D打印；
2、通过微尺度4D打印技术，实现了零件表面多个微小凸起结构的制备，相比传统制造方法，在凸起结构的制备上有明显的优势，而且微小凸起的挠曲生电效应更加显著，数量显著的微小凸起能够提高热电转换效率；
3、通过不同材料和结构的设计，间接地实现了热电转换，相比传统的热电材料，开发难度较小，可以作为热电转换的一种指导思路。
附图说明
图1为本发明所制得热电复合材料的结构示意图；
图2为本发明形状记忆合金部件的结构示意图(表面具有多个凸起结构)；
图3为本发明所制得热电复合材料的热电转换原理图。
标注说明：1、电极材料，2、挠曲效应材料，3、形状记忆合金部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1-3所示，一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、以形状记忆合金粉末为原料，采用4D打印技术制得上下表面具有多个凸起结构的形状记忆合金部件3。其中，上述步骤所制得形状记忆合金部件3表面的凸起结构的高度为200μm-500μm、间距为100μm-200μm；4D打印技术为微尺度SLM加工技术，4D打印技术所采用的激光功率为100W-400W、所采用的扫描速度为300mm/s-1000mm/s；形状记忆合金粉末为NiTi基形状记忆合金粉末或Cu基形状记忆合金粉末；
S2、采用压头对步骤S1制得的形状记忆合金部件3的上下表面进行整平处理；
S3、通过磁控溅射方法，将挠曲效应材料2贴合设置在经步骤S2加工后的形状记忆合金部件3的上下表面。其中，上述步骤加工后的形状记忆合金部件3表面的挠曲效应材料2的厚度为200nm-400nm；挠曲效应材料2为氧化锌、锂参杂氧化锌、铝参杂氧化锌中的一种；
S4、将电极材料1镀在经步骤S3加工后的形状记忆合金部件3的上下表面。其中，上述步骤加工后的形状记忆合金部件3表面的电极材料1的厚度为200nm-400nm；电极材料1为铜电极、石墨电极、银电极、铅电极中的一种。
具体的，通过上述方法制备而成的热电复合材料的热电转换原理为：
随着外界温度升高，形状记忆合金部件3由马氏体向奥氏体转变，进而产生形状记忆效应，其中储存的微小凸起结构有恢复的趋势，带动贴合于表面的薄膜产生挠曲形变，该挠曲形变进而产生电荷，达到热能-电能的转换，最后，将电能通过两端电极进行输出。
下面以实施例1-4对本发明进行作进一步地详细说明。
实施例1：
S1、选取NiTi基形状记忆合金粉末为原材料，平均粒径为37μm。采用三维软件设计出表面具备均匀凸起结构的零件模型，凸起结构的高度为200μm，凸起结构的间距为100μm。将零件模型导入4D打印设备，采用微尺度SLM加工技术成型形状记忆合金部件3，激光功率为100W，扫描速度为300mm/s；
S2、采用压头对形状记忆合金部件3的表面进行整平处理；
S3、选取氧化锌作为挠曲效应材料2，通过磁控溅射的方法，使其紧密贴合于上述形状记忆合金部件3的表面，形成薄膜，控制薄膜的厚度为200nm；
S4、选取铜电极作为电极材料1，将其镀在挠曲效应材料2所形成薄膜的表面，控制电极材料1的厚度为200nm，最终获得热电复合材料。
实施例2：
S1、选取NiTi基形状记忆合金粉末为原材料，平均粒径为37μm。采用三维软件设计出表面具备均匀凸起结构的零件模型，凸起结构的高度为300μm，凸起结构的间距为150μm。将零件模型导入4D打印设备，采用微尺度SLM加工技术成型形状记忆合金部件3，激光功率为200W，扫描速度为400mm/s；
S2、采用压头对形状记忆合金部件3的表面进行整平处理；
S3、选取锂参杂氧化锌作为挠曲效应材料2，通过磁控溅射的方法，使其紧密贴合于上述形状记忆合金部件3的表面，形成薄膜，控制薄膜的厚度为300nm；
S4、选取铜电极作为电极材料1，将其镀在挠曲效应材料2所形成薄膜的表面，控制电极材料1的厚度为300nm，最终获得热电复合材料。
实施例3：
S1、选取Cu基形状记忆合金粉末为原材料，平均粒径为40μm。采用三维软件设计出表面具备均匀凸起结构的零件模型，凸起结构的高度为400μm，凸起结构的间距为200μm。将零件模型导入4D打印设备，采用微尺度SLM加工技术成型形状记忆合金部件3，激光功率为300W，扫描速度为500mm/s；
S2、采用压头对形状记忆合金部件3的表面进行整平处理；
S3、选取铝参杂氧化锌作为挠曲效应材料2，通过磁控溅射的方法，使其紧密贴合于上述形状记忆合金部件3的表面，形成薄膜，控制薄膜的厚度为400nm；
S4、选取石墨电极作为电极材料1，将其镀在挠曲效应材料2所形成薄膜的表面，控制电极材料1的厚度为400nm，最终获得热电复合材料。
实施例4：
S1、选取Cu基形状记忆合金粉末为原材料，平均粒径为40μm。采用三维软件设计出表面具备均匀凸起结构的零件模型，凸起结构的高度为500μm，凸起结构的间距为200μm。将零件模型导入4D打印设备，采用微尺度SLM加工技术成型形状记忆合金部件3，激光功率为400W，扫描速度为800mm/s；
S2、采用压头对形状记忆合金部件3的表面进行整平处理；
S3、选取氧化锌作为挠曲效应材料2，通过磁控溅射的方法，使其紧密贴合于上述形状记忆合金部件3的表面，形成薄膜，控制薄膜的厚度为400nm；
S4、选取铜电极作为电极材料1，将其镀在挠曲效应材料2所形成薄膜的表面，控制电极材料1的厚度为400nm，最终获得热电复合材料。
本发明利用微结构增材制造工艺在形状记忆合金表面制作微小凸起结构，将其表面整平处理后，通过磁控溅射方法将挠曲效应材料薄膜结合在形状记忆合金表面，随后在最外层镀电极材料1，通过形状记忆合金在热场下的形状记忆效应，引导薄膜挠曲变形产生电效应，实现电信号的输出。该方法采用4D打印技术，可以在形状记忆合金表面成型精细的微观结构，极大提高了热电复合材料的转换效率。
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、以形状记忆合金粉末为原料，采用4D打印技术制得上下表面具有多个凸起结构的形状记忆合金部件；
S2、采用压头对步骤S1制得的形状记忆合金部件的上下表面进行整平处理；
S3、通过磁控溅射方法，将挠曲效应材料贴合设置在经步骤S2加工后的形状记忆合金部件的上下表面；
S4、将电极材料镀在经步骤S3加工后的形状记忆合金部件的上下表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1所制得形状记忆合金部件表面的凸起结构的高度为200μm-500μm、间距为100μm-200μm。
3.根据权利要求2所述的一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，其特征在于：所述4D打印技术为微尺度SLM加工技术，4D打印技术所采用的激光功率为100W-400W、所采用的扫描速度为300mm/s-1000mm/s。
4.根据权利要求3所述的一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，其特征在于：所述形状记忆合金粉末为NiTi基形状记忆合金粉末或Cu基形状记忆合金粉末。
5.根据权利要求1所述的一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，其特征在于：经步骤S3加工后的形状记忆合金部件表面的挠曲效应材料的厚度为200nm-400nm。
6.根据权利要求6所述的一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，其特征在于：所述挠曲效应材料为氧化锌、锂参杂氧化锌、铝参杂氧化锌中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，其特征在于：经步骤S4加工后的形状记忆合金部件表面的电极材料的厚度为200nm-400nm。
8.根据权利要求7所述的一种基于4D打印技术的热电复合材料的制备方法，其特征在于：所述电极材料为铜电极、石墨电极、银电极、铅电极中的一种。
CN202111093131.5A 2021-09-17 2021-09-17 一种基于4d打印技术的热电复合材料的制备方法 Pending CN113930734A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111093131.5A CN113930734A (zh) 2021-09-17 2021-09-17 一种基于4d打印技术的热电复合材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111093131.5A CN113930734A (zh) 2021-09-17 2021-09-17 一种基于4d打印技术的热电复合材料的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113930734A true CN113930734A (zh) 2022-01-14

Family

ID=79275978

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111093131.5A Pending CN113930734A (zh) 2021-09-17 2021-09-17 一种基于4d打印技术的热电复合材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113930734A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109648082A (zh) * 2019-01-24 2019-04-19 华南理工大学 一种钛镍形状记忆合金的4d打印方法及应用
CN111235538A (zh) * 2020-02-28 2020-06-05 西安交通大学 形状记忆合金诱导可调控挠曲电效应的复合材料制备方法
CN113210626A (zh) * 2021-05-13 2021-08-06 江苏海宇机械有限公司 一种4d打印功能梯度钛镍形状记忆合金构件的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109648082A (zh) * 2019-01-24 2019-04-19 华南理工大学 一种钛镍形状记忆合金的4d打印方法及应用
CN111235538A (zh) * 2020-02-28 2020-06-05 西安交通大学 形状记忆合金诱导可调控挠曲电效应的复合材料制备方法
CN113210626A (zh) * 2021-05-13 2021-08-06 江苏海宇机械有限公司 一种4d打印功能梯度钛镍形状记忆合金构件的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
中国兵器工业集团第二一○研究所: "《先进制造领域科技发展报告》", 30 April 2018, pages: 129 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102185521A (zh) 一种利用海浪发电的装置
CN108155831B (zh) 一种用于采集风能的压电-摩擦电复合型能量采集器
CN102263272B (zh) 燃料电池金属双极板的电磁力驱动软模成形方法
CN103701364B (zh) 一种风致振动宽频带压电发电装置
CN103684044B (zh) 压电薄膜发电器及其制作方法
CN101711089A (zh) Pcb板金属化台阶槽的制备方法
CN104079207B (zh) 一种捕获垂直方向波浪能的压电发电装置及方法
CN101997444A (zh) 新型压电能量回收装置
CN104065303B (zh) 压电双稳态能量收集器
CN102290527B (zh) 一种弯曲形压电单晶片的制备方法
CN113930734A (zh) 一种基于4d打印技术的热电复合材料的制备方法
CN102522491A (zh) 具有驱动和传感能力的聚合物器件及其制备和应用
CN104079208B (zh) 一种在低速水流冲击下压电发电装置及方法
CN200979890Y (zh) 一种螺旋型压电陶瓷换能器
CN203503972U (zh) 降低应力的激光器芯片结构和热沉结构
CN104539191B (zh) 一种基于海浪发电的供电系统
CN113507235A (zh) 一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法
CN102832334A (zh) 一种对峙型纳米发电元器件制备方法
CN205283430U (zh) 一种刚柔复合梁风能发电装置
US20090117718A1 (en) Methods for infusing one or more materials into nano-voids if nanoporous or nanostructured materials
CN102348343A (zh) 壳体及其制造方法
CN103580536B (zh) 一种双体交替工作压电电扇
CN203225679U (zh) 一种悬臂杠杆式压电发电组件
CN204928623U (zh) 一种多层压电陶瓷片同时工作的压电风扇
CN204928622U (zh) 压电陶瓷风扇叶片的连接结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20220114

RJ01 Rejection of invention patent application after publication