[发明专利]一种基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法。

背景技术

超材料是一类新型的人工合成材料，通常由周期性或者非周期性的人工微结构排列而成。五模材料(PM，Pentamode Material)是一种新型的超材料，该材料的弹性模量矩阵中的6个特征值中有5个为0。五模材料于1995年首次提出，该材料可以解除固体压缩形变和剪切形变之间的耦合。五模材料的弹性性质与液体相似，因此也被称为超流体。在具体实现方面可以通过设计具有较大体积模量与剪切模量之比(B/G)的结构来实现。由于五模材料的有效剪切模量较小，在一定条件下可以被忽略，而体积模量可以通过微结构设计来进行调节，其物性参数在很大范围内具有很强的可设计性，为许多特殊声学器件的设计提供了基础。除隐形斗篷、五模材料还可以用于声学黑洞、声学超透镜、高指向性高增益水声换能器、宽频高透声系数导流罩等一系列新型声学设备的制备。开展五模材料的结构设计与制备技术研究，对于开发新型高性能水声器件具有重要的意义。

然而，由于五模材料的发展也是近年来才开始进行，大多数都是理论上的研究，且现有的五模材料结构均为单相介质。由于所涉及五模材料微结构的等效弹性模量和等效密度值与目标值有一定的误差，因而作用的频率范围窄(60kHz以下)，只能用在低频率段，在高频段则不能发挥效果。增材制造技术的兴起，能够成形复杂结构零件为五模材料的实现提供了技术支撑；增材制造能够成形复杂形状的构件，但是成形精度较差，成形材料单一都限制了五模材料的声学和力学性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法，其基于现有五模材料的制造特点，研究及设计了一种能够大幅度地提高声学性能和力学性能的基于增材制造的双相介质五模材料及其制造方法。本发明将尼龙等高分子材料用熔融沉积成形的方法，以一定形状、均匀填充到用激光选区熔化制备金属基体材料的五模材料微结构空腔内，通过调整五模材料微结构的弹性模量和密度以达到材料的物理参数要求，大幅度地提高了材料的声学性能和力学性能。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法，该方法包括以下步骤：

(1)对五模材料基体进行尺寸优化，以得到五模材料基体的结构尺寸及等效物理参量；

(2)根据所述结构尺寸及所述等效物理参量进行五模材料三维模型的构建，并对构建的五模材料三维模型进行声学性能模拟仿真，根据模拟仿真结果来调整五模材料的第二相介质的材料或者结构，以使五模材料的双相介质达到匹配；

(3)根据调整后的五模材料三维模型建立五模材料基体的三维CAD模型，并以STL文件格式导出；

(4)根据所述STL文件，采用激光选区熔化法成形五模材料的基体，并对所述基体进行表面处理；

(5)采用熔融沉积成型法将高分子材料熔融沉积到所述基体中，以得到双相介质五模材料。

进一步地，所述五模材料基体是由金属材料制成的。

进一步地，采用Matlab或者Analyse对五模材料基体进行尺寸优化。

进一步地，根据所述结构尺寸及所述等效物理参量，采用Comsol Multiphysics模拟软件进行五模材料三维模型的构建。

进一步地，所述高分子材料为橡胶或者尼龙。

进一步地，对所述基体的表面处理包括采用电化学腐蚀法去除所述基体的表面毛刺。

进一步地，采用UG或者Pro/E建立五模材料基体的三维CAD模型。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于增材制造的双相介质五模材料，所述双相介质五模材料是采用如上所述的基于增材制造的双相介质五模材料的制造方法制造的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的：

1.采用激光选区熔化工艺成形五模材料基体，该工艺激光为其主要热源，光斑尺寸为微米级，利用激光熔融金属粉末的方法来成形五模材料微结构能够提高加工结构的尺寸精度，且成形速度快，材料利用率高，能降低生产成本；同时，采用金属基体能够进一步提高五模材料结构的使用强度，使其在服役时有一定的承载能力，进一步扩大其应用范围，而不局限于功能材料的使用；

2.利用FDM工艺将高分子材料熔融沉积于微结构中，采用双相介质的方法来调整五模材料的物理参量(弹性模量E和密度ρ等)，从而精准的调控结构的属性，提高五模材料的声学频宽和声学适用性；