[发明专利]一种超弹性金属超材料的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种超弹性金属超材料的制备方法和应用，该制备方法包括：根据Maxwell方程选取弯曲型超材料，Maxwell方程为：m＝b‑3j+6，其中b和j分别为杆和节点的数目，同时满足当m小于0时为弯曲型超材料；选取基体材料，采用激光粉床熔化3D打印制备得到超弹性金属超材料，特别是弯曲型超材料可选自体心立方超材料、面心立方超材料、正交十二面体超材料，本发明中超弹性金属超材料的弹性应变是现有商业金属材料的10倍左右，提高了近一个数量级，在医疗器械如人造骨吸能等工程材料领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于金属超材料设计及其制备领域，具体涉及一种超弹性金属超材料的制备方法和应用。

背景技术

高性能超弹性金属材料具有极高强度、超大弹性应变极限和温度不敏感弹性模量(Elinvar埃林瓦效应)，从致动器和医疗设备到高精度仪器等各种工业应用，已经成为新兴产业发展不可或缺的战略性金属材料。不过，因其位错的易滑移特性，块体晶态金属的弹性应变极限通常小于1％。然而，形状记忆合金包括胶质金属和应变玻璃合金可以达到高达百分之几的弹性应变极限，尽管是伪弹性结果并且伴随着较大的能量耗散。目前，许多金属材料构件均用于弹性变形领域，尤其是人造骨、牙科用材料或弹簧等机械部件，其需要低杨氏模量和高弹性应变。

弹性应变是由于晶格中原子间距离的可逆变化而引起的，虽然理论预测可具有超过10％的弹性应变，但由于强度限制，现实中大多数金属材料的弹性应变一般不超过5％，大部分在1％以下(如图1所示)，而且通常材料的杨氏模量越低，强度越低，同时实现低杨氏模量和高强度是一大难题，而高弹性应变金属材料在医疗器械或工程材料领域具有重要应用价值。超弹性指的是金属材料在压缩过程中可以恢复的应变(除Ni-Ti合金的伪弹性应变外)和强莫比(强度与模量的比值)、或弹性容许应变(EAS)概念非常接近，超弹性应变更是金属医疗器械追求的一个重要指标。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的主要目的在于提供一种超弹性金属超材料的制备方法，超弹性金属超材料弹性应变为现有商业金属材料的10倍左右。

本发明的另一目的在于提供通过所述超弹性金属超材料的制备方法得到的超弹性金属超材料。

本发明的再一目的在于提供所述超弹性金属超材料在医疗器械或工程材料中的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种超弹性金属超材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：根据Maxwell方程选取弯曲型超材料，Maxwell方程为：m＝b-3j+6，其中b和j分别为杆和节点的数目，同时满足当m小于0时为弯曲型超材料；

步骤二：选取基体材料，采用激光粉床熔化3D打印制备得到超弹性金属超材料。

作为优选，所述弯曲型超材料选自体心立方超材料、面心立方超材料、正交十二面体超材料中的一种。

作为优选，所述弯曲型超材料为体心立方超材料，其体心立方晶体结构的单胞尺寸为5.77mm，杆长度为5mm，杆直径为0.35mm，相对密度为2％。

作为优选，所述基体材料为TC4合金，由于金属超材料的弹性应变和其结构、相对密度以及基体材料有关，TC4合金的弹性应变为0.9％，在金属材料领域较高。

作为优选，所述激光粉床熔化3D打印的工艺参数包括：激光功率为95W，层厚为20μm，扫描速度为1200mm/s，舱口间距为80μm，舱口矢量过滤器的阈值为0.1微米，选取Ti-6Al-4V板预热到100℃，然后用人字形的孵化方式(67°)在各层之间旋转90°得到。