CN114013054B - 一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法，它属于异质材料连接技术领域。本发明要解决现有技术难以实现金属与高分子的高强度连接问题。制备方法：一、3D打印仿生结构金属；二、金属‑塑料异质材料的制备。本发明用于基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备。
Description
技术领域
本发明属于异质材料连接技术领域。
背景技术
金属和高分子材料复合使用的异质材料，由于把高分子材料的低密度、高比强度、高耐腐蚀性与金属材料的各向同性、导电性和出色的承载能力相结合，展现出轻质、高强、耐腐蚀等良好的综合性能，因此，两者的复合件在制造业具有广泛应用，被认为是满足航空、航天、车辆、武器装备、舰船、电子电器等领域工程部件轻量化与功能化需求的最有应用前景的材料之一。
在金属与高分子异质材料的众多连接方法中，传统的粘接表面处理工艺复杂，连接强度较低、波动大，只能应用于小部件之间的连接。铆接需要开孔，对材料或结构本身会造成破坏使强度降低。焊接虽然可以克服粘接和铆接的缺陷，但是由于金属与高分子异种材料之间有着许多结构与性能上的差异性，很难实现金属与高分子的高强度连接。
目前通过表面处理方法，如喷砂，阳极氧化，蚀刻、等离子电解氧化等，在连接金属材料表面获得高低不平的峰谷或疏松孔隙结构提高与其他异质材料连接强度。这种界面连接下金属表面形貌特征的获取强烈依赖于表面处理方法与工艺，具有较大的偶然性、随机性，而且连接材料嵌入金属表面的深度也受表面形貌限制，对连接件连接强度的提升具有有限性。
发明内容
本发明要解决现有技术难以实现金属与高分子的高强度连接问题，而提供一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法。
一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法，它是按以下步骤进行的：
一、3D打印仿生结构金属：
①、设计金属基底表面的仿生结构，所述的仿生结构为多个结构支撑体组成，所述的结构支撑体横向纵向等间距排列或横向纵向均匀交错排列于金属基底表面，相邻结构支撑体之间的间距为0.2mm～0.6mm，且所述的结构支撑体的形状为圆柱形或倒圆台形；当所述的结构支撑体为圆柱形时，圆柱形直径为0.4mm～0.8mm，高度为0.2mm～0.5mm；当所述的结构支撑体为倒圆台形时，倒圆台形下表面直径为0.4mm～0.6mm，斜度为20°～25°，高度为0.2mm～0.5mm；最后用Solidworks进行三维建模；
②、根据步骤一①所设计的模型进行切片处理，转换生成STL格式文件，将STL格式文件导入3D打印机系统中，设置打印参数，利用金属材料打印金属基底和金属基底表面的仿生结构，得到表面具有仿生结构的金属；
二、金属-塑料异质材料的制备：
由下至上依次将表面具有仿生结构的金属与塑料置于石墨模具中，且塑料与仿生结构相接触，在温度为200℃～470℃的真空或氩气气氛下，保温10min～40min，然后在温度为200℃～470℃、压力为8MPa～10MPa的真空或氩气气氛下，保压5min～15min，最后随炉冷却至室温，即完成基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于具有高承载力的贝类闭壳肌与贝壳间的连接结构进行金属-塑料复合异质材料连接界面结构仿生设计，突破传统方法获得连接表面结构不可控的局限性，实现以连接结构设计提高连接强度的效果，超越传统方法对连接强度提高的有限性，铝硅合金与聚醚醚酮(PEEK)的连接件剪切强度可达到55MPa以上。
2、本发明所制备的3D打印金属表面仿生结构具有简单、规则、可设计、可控的特点，可通过调整表面结构参数，调控连接界面结构，从而有效控制金属与塑料间的连接强度。
3、本发明制备表面结构具有精准控制的尺寸、精细复杂的空间结构，加工的表面结构面积范围更广的特点；同时，热压的压力实现了高弹态的软化塑料的高效填充，形成与金属更紧密的嵌合，不受材料性能差异的限制，为制备具有高稳定性、高可靠连接的金属-塑料复合异质材料提供了新思路。
4、本发明在连接强度，尺寸和成型控制等方面都具有显著的提升效果。
本发明用于一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法。
附图说明
图1为实施例一步骤一制备的表面具有仿生结构的金属俯视图；
图2为实施例一步骤一制备的表面具有仿生结构的金属侧视图；
图3为实施例一制备的基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料的连接界面图；
图4为实施例二步骤一制备的表面具有仿生结构的金属俯视图；
图5为实施例二步骤一制备的表面具有仿生结构的金属侧视图；
图6为实施例二制备的基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料的连接界面图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法，它是按以下步骤进行的：
一、3D打印仿生结构金属：
①、设计金属基底表面的仿生结构，所述的仿生结构为多个结构支撑体组成，所述的结构支撑体横向纵向等间距排列或横向纵向均匀交错排列于金属基底表面，相邻结构支撑体之间的间距为0.2mm～0.6mm，且所述的结构支撑体的形状为圆柱形或倒圆台形；当所述的结构支撑体为圆柱形时，圆柱形直径为0.4mm～0.8mm，高度为0.2mm～0.5mm；当所述的结构支撑体为倒圆台形时，倒圆台形下表面直径为0.4mm～0.6mm，斜度为20°～25°，高度为0.2mm～0.5mm；最后用Solidworks进行三维建模；
②、根据步骤一①所设计的模型进行切片处理，转换生成STL格式文件，将STL格式文件导入3D打印机系统中，设置打印参数，利用金属材料打印金属基底和金属基底表面的仿生结构，得到表面具有仿生结构的金属；
二、金属-塑料异质材料的制备：
由下至上依次将表面具有仿生结构的金属与塑料置于石墨模具中，且塑料与仿生结构相接触，在温度为200℃～470℃的真空或氩气气氛下，保温10min～40min，然后在温度为200℃～470℃、压力为8MPa～10MPa的真空或氩气气氛下，保压5min～15min，最后随炉冷却至室温，即完成基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法。
在自然界中，双壳贝类闭壳肌(软相材料)与贝壳(硬相材料)间的连接界面结构呈棱柱层结构，这种微观空间结构在承受拉应力时，断裂部位通常发生在闭壳肌内部，而闭壳肌与贝壳的连接界面仍然保持完整。这表明闭壳肌与贝壳的棱柱层结构强化了两者之间的连接。基于仿生设计学思维，本实施方式将闭壳肌壳界面棱柱层结构应用于金属表面微观空间结构设计中，用于塑料软材料的嵌入，从而形成强而稳固的微观互锁机构，解决其界面结合强度不足的局限性。
在诸多制备技术中，3D打印技术具有可以将设计思想自动、直接、精确、快速地转变为具有预设结构和功能的部件，通过粉末熔融烧结式3D打印技术实现金属表面闭壳肌壳界面棱柱层仿生结构的制备成型。
本实施方式的有益效果是：
1、本实施方式基于具有高承载力的贝类闭壳肌与贝壳间的连接结构进行金属-塑料复合异质材料连接界面结构仿生设计，突破传统方法获得连接表面结构不可控的局限性，实现以连接结构设计提高连接强度的效果，超越传统方法对连接强度提高的有限性，铝硅合金与聚醚醚酮(PEEK)的连接件剪切强度可达到55MPa以上。
2、本实施方式所制备的3D打印金属表面仿生结构具有简单、规则、可设计、可控的特点，可通过调整表面结构参数，调控连接界面结构，从而有效控制金属与塑料间的连接强度。
3、本实施方式制备表面结构具有精准控制的尺寸、精细复杂的空间结构，加工的表面结构面积范围更广的特点；同时，热压的压力实现了高弹态的软化塑料的高效填充，形成与金属更紧密的嵌合，不受材料性能差异的限制，为制备具有高稳定性、高可靠连接的金属-塑料复合异质材料提供了新思路。
4、本实施方式在连接强度，尺寸和成型控制等方面都具有显著的提升效果。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一①中所述的金属基底的厚度与结构支撑体的高度比大于1。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一②中所述的金属材料为丝状、粉末状或颗粒状。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一②中所述的金属材料为铝合金、钛合金或铁合金。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的塑料为热塑性固体塑料。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中将塑料与表面具有仿生结构的金属用无水乙醇在超声波清洗器中清洗，烘干后装入石墨模具中。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一①中所述的相邻结构支撑体之间的间距为0.5mm～0.6mm。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一①中当所述的结构支撑体为圆柱形时，圆柱形直径为0.6mm～0.8mm，高度为0.4mm～0.5mm。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤一①中当所述的结构支撑体为倒圆台形时，倒圆台形下表面直径为0.5mm～0.6mm，斜度为20°～23°，高度为0.4mm～0.5mm。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中在温度为460℃～470℃的真空或氩气气氛下，保温30min，然后在温度为460℃～470℃、压力为9MPa～10MPa的真空或氩气气氛下，保压5min～15min。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法，它是按以下步骤进行的：
一、3D打印仿生结构金属：
①、设计金属基底表面的仿生结构，所述的仿生结构为多个结构支撑体组成，所述的结构支撑体横向纵向等间距排列，相邻结构支撑体之间的间距为0.3mm，且所述的结构支撑体的形状为圆柱形，圆柱形直径为0.6mm，高度为0.5mm；
②、根据步骤一①所设计的模型进行切片处理，转换生成STL格式文件，将STL格式文件导入3D打印机系统中，设置打印参数，利用金属材料打印金属基底和金属基底表面的仿生结构，得到表面具有仿生结构的金属；
二、金属-塑料异质材料的制备：
由下至上依次将表面具有仿生结构的金属与塑料置于石墨模具中，且塑料与仿生结构相接触，在温度为460℃的真空气氛下，保温30min，然后在温度为460℃、压力为10MPa的真空气氛下，保压5min，最后随炉冷却至室温，即得到基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料。
步骤一①中所述的金属基底尺寸为120mm×25mm×4.5mm(厚度)的长方体。
步骤一②中所述的金属材料为颗粒状。
步骤一②中所述的金属材料为铝硅合金。
步骤二中所述的塑料为聚醚醚酮(PEEK)。
步骤二中将塑料与表面具有仿生结构的金属用无水乙醇在超声波清洗器中清洗，烘干后装入石墨模具中。
根据剪切强度测试要求，将实施例一制备的基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料进行加工，在1mm/min的测试条件下，采用拉伸测试进行连接界面剪切强度测试，获得的剪切强度为58MPa。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤一①中所述的结构支撑体的形状为倒圆台形，倒圆台形下表面直径为0.6mm，斜度为20°，高度为0.5mm。其它与实施例一相同。
根据剪切强度测试要求，将实施例二制备的基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料进行加工，在1mm/min的测试条件下，采用拉伸测试进行连接界面剪切强度测试，获得的剪切强度为65MPa。
采用Apreo C型扫描电镜对实施例一步骤一制备的表面具有仿生结构的金属进行分析，图1为实施例一步骤一制备的表面具有仿生结构的金属俯视图；图2为实施例一步骤一制备的表面具有仿生结构的金属侧视图；采用Apreo C型扫描电镜对实施例二步骤一制备的表面具有仿生结构的金属进行分析，图4为实施例二步骤一制备的表面具有仿生结构的金属俯视图；图5为实施例二步骤一制备的表面具有仿生结构的金属侧视图；由图可知，表面结构中的圆柱形支撑体或圆台形支撑体之间无粘连，圆台或柱体结构清晰，成型良好，尺寸符合结构设计要求。
图3为实施例一制备的基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料的连接界面图。图6为实施例二制备的基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料的连接界面图。由图可知，其中底部呈银色的是铝合金，上部对比度较亮且表面光滑的是PEEK。在热压过程中PEEK完全填充了铝合金表面结构中的空穴，表明这种表面空间仿生结构实现了高效的填充。在铝合金和PEEK之间观察到齿牙轮廓的连接界面，这种界面间特性主要提供连接表面积的增加并增强铝合金和PEEK之间的机械互锁，使铝合金与PEEK复合异质材料获得了紧密的结合。
Claims (4)
1.一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：
一、3D打印仿生结构金属：
①、设计金属基底表面的仿生结构，所述的仿生结构为多个结构支撑体组成，所述的结构支撑体横向纵向等间距排列或横向纵向均匀交错排列于金属基底表面，相邻结构支撑体之间的间距为0.3mm，且所述的结构支撑体的形状为倒圆台形；所述的倒圆台形下表面直径为0.6mm，斜度为20°，高度为0.5mm；最后用Solidworks进行三维建模；
②、根据步骤一①所设计的模型进行切片处理，转换生成STL格式文件，将STL格式文件导入3D打印机系统中，设置打印参数，利用金属材料打印金属基底和金属基底表面的仿生结构，得到表面具有仿生结构的金属；
所述的金属材料为铝硅合金；
二、金属-塑料异质材料的制备：
由下至上依次将表面具有仿生结构的金属与塑料置于石墨模具中，且塑料与仿生结构相接触，在温度为460℃的真空或氩气气氛下，保温30min，然后在温度为460℃、压力为10MPa的真空或氩气气氛下，保压5min，最后随炉冷却至室温，即完成基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法；
所述的塑料为聚醚醚酮。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法，其特征在于步骤一①中所述的金属基底的厚度与结构支撑体的高度比大于1。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法，其特征在于步骤一②中所述的金属材料为丝状、粉末状或颗粒状。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生结构设计的金属与塑料复合的异质材料制备方法，其特征在于步骤二中将塑料与表面具有仿生结构的金属用无水乙醇在超声波清洗器中清洗，烘干后装入石墨模具中。
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2021
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