[发明专利]负泊松比高磁致伸缩材料及其增材制造方法

权利要求书

1.一种负泊松比高磁致伸缩材料，其特征在于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微结构单元累加而成。

2.如权利要求1所述一种负泊松比高磁致伸缩材料的增材制造方法，其特征在于，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，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：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{(r-w/2)\mathrm{\φ}}{\sqrt{L_x^2/4+r^2}}\mathrm{......}\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{(r-w/2)\mathrm{\φ}}{\sqrt{L_y^2/4+r^2}}\mathrm{......}\left(2\right)$

泊松比v_xy为：

$v_{xy}=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x}{{\mathrm{\ϵ}}_y}=-\frac{\sqrt{L_x^2/4+r^2}}{\sqrt{L_y^2/4+r^2}}\mathrm{......}\left(3\right)$

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，

$U=\frac{1}{2}{E}_i{\mathrm{\&epsiv;}}_i^2=\frac{n}{V}{W}_{rib}\mathrm{......}\left(4\right)$

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：

$L_{ex}=L_x-2\sqrt{r^2-r-w^2}\mathrm{......}\left(6\right)$

$L_{ey}=L_y-2\sqrt{r^2-r-w^2}\mathrm{......}\left(7\right)$

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为磁致伸缩合金材料的杨氏模量，I为韧带的惯性矩，L_e为有效韧带长度，联立式(4)-(10)，得：

$\frac{1}{2}{E}_x{\mathrm{\&epsiv;}}_x^2=\frac{E_s{\mathrm{bw}}^2}{2V}\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_x^2(L_x^2/4+r^2)}{L_{ex}{(r-w/2)}^2}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_x^2(L_x^2/4+r^2)}{L_{ey}{(r-w/2)}^2}\&rsqb;\mathrm{......}\left(11\right)$

$\frac{1}{2}{E}_y{\mathrm{\&epsiv;}}_y^2=\frac{E_s{\mathrm{bw}}^2}{2V}\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_y^2(L_y^2/4+r^2)}{L_{ex}{(r-w/2)}^2}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_y^2(L_y^2/4+r^2)}{L_{ey}{(r-w/2)}^2}\&rsqb;\mathrm{......}\left(12\right)$

将上式化简成无量纲形式有：

$E_x=\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_x^2/4+1}}{4\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_y^2/4+1}}\frac{E_s{\mathrm{\&beta;}}^3}{{(1-\mathrm{\&beta;}/2)}^2}(\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_x-2\sqrt{2\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}^2}}+\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_y-2\sqrt{2\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}^2}})\mathrm{......}\left(13\right)$

$E_y=\frac{\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_y^2/4+1}}{4\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_x^2/4+1}}\frac{E_s{\mathrm{\&beta;}}^3}{{(1-\mathrm{\&beta;}/2)}^2}(\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_x-2\sqrt{2\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}^2}}+\frac{1}{{\mathrm{\&alpha;}}_y-2\sqrt{2\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}^2}})\mathrm{......}\left(14\right)$

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。