[发明专利]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

说明书

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。

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。