[发明专利]一种轻质、高强、高吸能的复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及复合材料制备领域，具体为一种轻质、高强、高吸能的复合材料的制备方法，适于制备具有三维互穿特性的钛合金‑聚脲复合材料。该方法包括：合金多孔材料制备；合金多孔材料表面改性处理；聚脲熔渗入合金多孔材料，进行热处理；该复合材料由增材制造技术打印孔隙率在60～80％的钛合金多孔材料和聚脲增强相复合而成，两组成相之间保持各自连通并在三维空间相互穿插；在密度为2.0～3.5g/cm³时，该复合材料的抗拉强度达到200MPa，抗压强度达到600MPa，可恢复应变达到25％，吸收能达到50KJ/cm³。本发明方法工艺步骤简单、生产成本低，在国防、航空航天、汽车、能源等领域，都有很好的应用前景。

技术领域：

本发明涉及复合材料制备领域，具体为一种轻质、高强、高吸能的复合材料的制备方法，适于制备具有三维互穿特性的钛合金多孔材料-聚脲复合材料。

背景技术：

多孔钛及钛合金材料由于具有比重小、能量吸收性好、比表面积大、抗腐蚀性能好等优点，在结构承载的减重、缓冲、减振等方面发挥着重大的作用，而被广泛应用于医疗、航天等领域。

多孔材料的优点众多，尤其是比重小而强度高、吸能好，可以在多方面发挥其特点，但是多孔材料仍然存在不足。例如，为了达到相同的防护能力，单一的多孔材料需要结合面板联合使用、占用空间大，由此会带来空间利用率的下降，增加防护的难度。对于金属和合金类的实体材料，通常情况下压缩应力会随着应变的增加而表现出连续上升的趋势。因而一般不具有高能量吸收特征的应力平台，其有效的能量吸收发生在屈服或者临界载荷之前，较低的有效吸能应变往往不能产生理想的能量吸收效率。对于复合材料，目前已发展的复合化方法往往造成增强相均匀分散而不连续，从而降低其强化效率，同时使应力传递不均匀，容易产生应力集中，导致两相之间的界面开裂或局部破坏，从而降低材料的抗冲击能力。

发明内容：

本发明的目的是提供一种轻质、高强、高吸能的复合材料的制备方法，制备良好力学性能增材制造技术钛合金多孔材料-聚脲复合材料，在尽可能保证多孔材料的独特性能特点(如：密度低、比强度高、比表面积高、重量轻等等)的同时，赋予复合材料更优异的综合性能，在抗压强度、抗拉强度较多孔材料都有一较大提高。而且多孔基体与增强相之间不再单纯依靠界面相结合，而是相互穿插形成机械互锁，因而有利于避免界面开裂而导致的过早失效，赋予复合材料良好的损伤容限。

本发明的技术方案如下：

一种轻质、高强、高吸能的复合材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：合金多孔材料制备；

以合金粉末为原材料，采用激光选区熔化技术或电子束选区熔化技术通过3D打印制备三维结构的合金多孔材料骨架，并对其进行两步热处理；

其中，第一步热处理为：在700～850℃进行去应力退火，保温时间为1～2小时，冷却方法为真空条件下自然冷却至室温或以1～10℃/min的速度冷却到室温；第二步热处理为：在400～600℃之间保温15～60小时，冷却方法为真空条件下自然冷却至室温或以1～10℃/min的速度冷却到室温；

步骤2：合金多孔材料表面改性处理；

表面改性处理使用的改性剂为硅烷偶联剂，处理时间为20～28h，取出晾干；硅烷偶联剂作用在合金多孔材料骨架表面上，生成合金-硅烷偶联剂的结合层；

步骤3：聚脲熔渗入合金多孔材料，进行热处理；

在压力容器中，将聚脲灌入到表面改性处理后的合金多孔材料骨架中，并进行热处理后冷却到室温，得到具有三维互穿特性的复合材料，在空间上合金多孔材料骨架和聚脲都具有独立的三维结构并相互结合。