CN115206658A - 一种磁性复合材料的4d打印方法 - Google Patents

一种磁性复合材料的4d打印方法 Download PDF

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项紫银
伊晓辉
夏湘岭
李润伟
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Abstract

本发明公开了一种磁性复合材料的4D打印方法，具体包括：将磁化颗粒、光固化单体、光敏助剂和分散剂混合得到打印浆料；将打印浆料放入数字光处理3D打印机中按照磁化结构分区域；对同一磁化结构的区域施加同向均匀的取向磁场，对该区域曝光固化；对固化后的打印区域施加同向均匀的充磁磁场；将剩余区域的打印浆料重复步骤取向曝光和磁化；逐层打印形成磁性复合材料坯件；施加机械力得磁性复合材料；与现有技术相比，本发明在数字光处理3D打印浆料的同时依次对打印浆料施加取向磁场和充磁磁场，能使得到的磁性复合材料中的磁化颗粒沿着设计的磁化方向有序排布，得到较高的取向一致性，从而形成空间磁各向异性的磁化结构。

Description

一种磁性复合材料的4D打印方法
技术领域
本发明涉及4D打印技术领域，具体而言，涉及一种磁性复合材料的4D打印方法。
背景技术
在3D打印的过程中利用辅助磁场对打印浆料中的磁化颗粒进行磁取向，从而获得在外界刺激(如磁场、热能、压力等形式)下形状、性能、功能可以发生可控变化的柔性拓扑磁化功能器件，可被归为4D打印范畴。拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密。可以说,拓扑学的概念正在应用于越来越多的学科领域，在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献。柔性拓扑磁化功能器件由磁化颗粒分散在弹性基体中组成，其拓扑磁化结构是指，在弹性基体中，将磁化颗粒沿着当前区域设计的磁化方向有序排布，所形成的磁各向异性的磁化结构。在3D打印成形制造过程中，在辅助磁场作用下，弹性基体中的磁化颗粒被区域化空间排列，磁极取向被区域化有序编程。对3D打印成型的柔性拓扑磁化功能器件施加机械力，器件发生形变以产生周围磁场变化，产生“力-磁”转换效应，由此完成柔性拓扑磁化功能器件的4D打印。柔性拓扑化功能器件可用于新兴柔性电子设备领域，如磁响应软机器人、磁性压力传感器等。
然而，现有的3D打印工艺及打印材料亟需改善，对打印浆料先施加辅助磁场后固化的打印工艺，以及磁化颗粒因互相吸引而团聚影响浆料的光固化过程，导致磁化颗粒在磁化方向的取向一致性较低(约为64％)，进而导致柔性拓扑磁化功能器件的磁化强度低，“力-磁“转换效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁性复合材料的4D打印方法，在数字光处理3D打印浆料的同时依次对打印浆料施加取向磁场和充磁磁场，能使得到的磁性复合材料中的磁化颗粒沿着设计的磁化方向有序排布，得到较高的取向一致性，从而形成空间磁各向异性的磁化结构。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种磁性复合材料的4D打印方法，所述4D打印方法具体包括如下步骤，
S1、制备打印浆料：将磁化颗粒、光固化单体、光敏助剂和分散剂混合得到打印浆料；
S2、分区域：将打印浆料放入数字光处理3D打印机中，将打印浆料按照磁化结构分区域；
S3、取向固化：对步骤S2中同一磁化结构的区域施加同向均匀的取向磁场，使该区域的磁化颗粒发生拓扑排列和翻转后对该区域曝光固化；
S4、充磁：对步骤S3中固化后的打印区域施加同向均匀的充磁磁场，使区域中未100％沿磁化方向取向的磁化颗粒内部发生平行于充磁磁场的畴璧位移和磁畴转动；
S5、单层打印：将剩余区域的打印浆料重复步骤S3和S4直到完成单层所有区域的取向、固化和充磁；
S6、层叠打印：重复步骤S2-S5，逐层打印形成磁性复合材料坯件；
S7、力-磁转换：对步骤S6中制得的磁性复合材料坯件施加机械力，使磁性复合材料坯件发生形变以产生周围磁场变化，得磁性复合材料。
本发明在数字光处理3D打印浆料的同时依次对打印浆料施加取向磁场和充磁磁场，其中施加的取向磁场使得打印浆料中的磁化颗粒发生拓扑排列和翻转，施加的原位充磁磁场可使未100％沿磁化方向取向的磁化颗粒内部发生平行于充磁磁场的畴璧位移和磁畴转动等技术磁化过程，最后对所述柔性拓扑磁化功能器件施加机械力，器件发生形变以产生周围磁场变化，产生“力-磁”转换效应。
进一步地，所述步骤S1中，磁化颗粒选自硬磁钕铁硼体、硬磁钐铁氮体、硬磁铁氧体中的一种或多种。
进一步地，所述步骤S1中，磁化颗粒含有至少两个磁畴。
进一步地，所述步骤S1中，磁化颗粒为棒状颗粒。在成型待制造拓扑磁化功能器件时，相较于不规则形状磁化颗粒，棒状颗粒在取向磁场作用下更易在空间翻转、排列。
进一步地，所述步骤S1中，磁化颗粒的长径比大于1。
进一步地，所述步骤S1中，磁化颗粒的表面包覆有隔离层。
进一步地，所述隔离层的材料为硬脂酸或树脂。表面预包覆硬脂酸或树脂不仅能减少磁化颗粒之间的团聚效应，还能减少深色磁化颗粒对数字光处理(DLP)3D打印技术中的紫外光的吸收。
进一步地，所述步骤S2中，在施加取向磁场时，同步选择性曝光固化指定区域，固化完成后先停止施加取向磁场，再施加充磁磁场。在打印过程中，对打印浆料施加取向磁场时，对其进行同步区域化曝光固化，固化后再施加充磁磁场，得到柔性拓扑磁化功能器件。
进一步地，所述取向磁场和充磁磁场均由1个、1对或多对电感线圈提供。
进一步地，所述步骤S2中，取向磁场的磁感应强度设置为B1，其范围为B1≥250mT。
进一步地，所述步骤S2中，充磁磁场的磁感应强度设置为B2，其范围为250mT＜B2≤1.5T。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一、本发明在数字光处理3D打印浆料的同时依次对打印浆料施加取向磁场和充磁磁场，可使未100％沿磁化方向取向的磁化颗粒内部发生平行于充磁磁场的畴璧位移和磁畴转动等技术磁化过程，能使得到的磁性复合材料中的磁化颗粒沿着设计的磁化方向有序排布，得到较高的取向一致性，从而形成空间磁各向异性的磁化结构。
其二、本发明通过调控磁化颗粒种类、形状、浓度、表面预处理状态等打印浆料物性，以及调整现有磁场辅助3D打印技术的磁化及固化参数，提高磁化颗粒取向一致度，提高拓扑磁化结构磁弹性体的磁化强度，获得可高效“力-磁“转换的柔性拓扑磁化功能器件；
其三、本发明制得的磁性复合材料中各个区域中的磁化颗粒有序空间排列，且各个区域中的磁化颗粒的空间磁极取向不同，各个区域对应的磁化方向也不同，同时各个区域磁化大小及方向不同，整体表面磁通分布可调控。
附图说明
图1为本发明实施例2中步骤(b)-(f)的实施原理图；
图2为本发明4D打印平台的工作原理图；
图3为本发明制备过程中取向磁场和充磁磁场的控制示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例中，磁性复合材料的内部按照设计要求分成i-v五个区域，其中区域ⅰ、区域ⅲ及区域ⅴ的内部磁化结构相同，区域ⅱ与区域ⅳ的内部磁化结构相同，该磁性复合材料的具体制备过程如下：
(a)制备打印浆料：将磁化颗粒、光固化单体、光敏助剂和分散剂混合得到打印浆料，将打印浆料放入数字光处理3D打印机中；磁化颗粒包括硬磁钐铁氮体和硬磁铁氧体，且均含有三个磁畴，且磁化颗粒为长径比为4的棒状颗粒，磁化颗粒的表面包覆有隔离层，且隔离层的材料为树脂；
(b)将数字光处理3D打印机中的预固化区域按照磁化结构不同分区ⅰ-ⅴ；
(c)对区域ⅱ与区域ⅳ施加方向向上的取向磁场1，使磁化颗粒沿着取向磁场的方向发生空间翻转及排列，同时曝光固化区域ⅱ与区域ⅳ，得到磁化方向固定的ⅱ、ⅳ区域；
(d)对区域ⅱ与区域ⅳ施加方向向上的充磁磁场1，使未100％沿磁化方向取向的磁化颗粒内部发生平行于充磁磁场的畴璧位移和磁畴转动等技术磁化过程，得到沿辅助磁场方向的磁化强度高的ⅱ、ⅳ区域；
(e)对区域ⅰ、区域ⅲ及区域ⅴ施加方向向左的取向磁场2，使磁化颗粒沿着取向磁场的方向发生空间翻转及排列，同时曝光固化区域ⅰ、区域ⅲ及区域ⅴ，得到磁化方向固定的ⅰ、ⅲ、ⅴ区域；
(f)对区域ⅰ、区域ⅲ及区域ⅴ施加方向向左的充磁磁场2，使未100％沿磁化方向取向的磁化颗粒内部发生平行于充磁磁场的畴璧位移和磁畴转动等技术磁化过程，得到沿辅助磁场方向的磁化强度高的ⅰ、ⅲ、ⅴ区域。
(g)根据拓扑磁化结构，调控辅助磁场及固化过程，重复(a)-(f)的操作层层叠加打印，实现磁性复合材料坯件的制备；
(h)力-磁转换：对步骤(g)中制得的磁性复合材料坯件施加机械力，使磁性复合材料坯件发生形变以产生周围磁场变化，得磁性复合材料。
本实施例中，取向磁场的磁感应强度设置为B1，且B1为150mT。
本实施例中，充磁磁场的磁感应强度设置为B2，且B2为1T。
在本发明中，当需要制备的磁性复合材料内的磁化结构相同时，可省略分区域步骤，直接进行取向、固化和充磁步骤。
如图2所示，在本发明的制备过程中，每固化完成一层，刮涂板将移动以保证浓稠料均匀的涂抹在打印平面上，可实现高磁粉含量(>15vol.％)打印；
如图3所示，在本发明的制备过程中，Z轴升降电机信号通过控制器(Arduino)读取并处理，Z轴电机工作时(平台上升或下降)，断开电磁铁电源；Z轴电机停止时(准备进行光固化)，接通电感线圈电源，通过调控电流大小调整电感线圈磁场大小，对成型制造件施加取向磁场及充磁磁场。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述4D打印方法具体包括如下步骤，
S1、制备打印浆料：将磁化颗粒、光固化单体、光敏助剂和分散剂混合得到打印浆料；
S2、分区域：将打印浆料放入数字光处理3D打印机中，将打印浆料按照磁化结构分区域；
S3、取向固化：对步骤S2中同一磁化结构的区域施加同向均匀的取向磁场，使该区域的磁化颗粒发生拓扑排列和翻转后对该区域曝光固化；
S4、充磁：对步骤S3中固化后的打印区域施加同向均匀的充磁磁场，使区域中未100％沿磁化方向取向的磁化颗粒内部发生平行于充磁磁场的畴璧位移和磁畴转动；
S5、单层打印：将剩余区域的打印浆料重复步骤S3和S4直到完成单层所有区域的取向、固化和充磁；
S6、层叠打印：重复步骤S2-S5，逐层打印形成磁性复合材料坯件；
S7、力-磁转换：对步骤S6中制得的磁性复合材料坯件施加机械力，使磁性复合材料坯件发生形变以产生周围磁场变化，得磁性复合材料。
2.如权利要求1所述的磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述步骤S1中，磁化颗粒选自硬磁钕铁硼体、硬磁钐铁氮体、硬磁铁氧体中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述步骤S1中，磁化颗粒含有至少两个磁畴。
4.如权利要求1所述的磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述步骤S1中，磁化颗粒为棒状颗粒。
5.如权利要求4所述的磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述步骤S1中，磁化颗粒的长径比大于1。
6.如权利要求1所述的磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述步骤S1中，磁化颗粒的表面包覆有隔离层。
7.如权利要求6所述的磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述隔离层的材料为硬脂酸或树脂。
8.如权利要求1所述的磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述步骤S3中，取向磁场的磁感应强度设置为B1，其范围为B1≤250mT。
9.如权利要求8所述的磁性复合材料的4D打印方法，其特征在于，所述步骤S4中，充磁磁场的磁感应强度设置为B2，其范围为250mT＜B2≤1.5T。
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