一种多孔材料径向分级结构制造技术

本实用新型专利技术属于多孔材料领域，具体涉及一种多孔材料径向分级结构，所述多孔材料径向分级结构具有高孔隙率、高强度、轻质量的优点。所述多孔材料径向分级结构包括最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件这4种径向分级结构的支撑件，通过梯度渐变的孔隙结构设计调控孔隙率与等效孔径，以达到最佳的力学强度和生物相容性。具有实现钛金属零件减重、多孔材料力学强度提升的潜在意义。多孔材料力学强度提升的潜在意义。多孔材料力学强度提升的潜在意义。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔材料径向分级结构


[0001]本技术属于多孔材料领域，具体涉及一种高孔隙率、高强度、轻质量的多孔材料径向分级结构。

技术介绍

[0002]钛及其合金具有密度低、强度高、良好的生物相容性和耐腐蚀等突出优点，在航空航天、化工、生物医疗等领域被广泛应用。为达到材料轻质量、低弹性模量的应用目的，在钛合金中引入多孔结构是行之有效的方法。多孔钛融合了钛合金与泡沫金属的特性，能够减轻材料的重量而不削弱其强度，同时还具备优异的韧性和刚度。因此，多孔钛及其合金的优异性能使其在一些特殊领域具有广泛的应用前景，例如抗冲击材料、高温过滤层、消声装置、潜水艇夹层和生物医用材料等。
[0003]多孔钛合金的传统制造方法有粉末直接烧结法、空间占位法和粉末沉积法等,这些制造方法存在孔隙率、孔径尺寸和孔结构不能精确控制、内部孔隙连通率差等问题。随着应用领域的拓宽和应用环境要求的提高，高度复杂形状和精密尺度的多孔钛合金需求度逐渐增加。选择性激光熔融3D打印技术将先进的激光技术、计算机辅助设计与制造技术和粉末冶金技术集成于一体，与传统的加工方法相比，它省略了模具的制造过程，在生产形状复杂、个性化的金属零件领域具有较大的优势。
[0004]目前市面上的3D打印多孔钛合金材料多为固定孔径尺寸的结构单元罗列而成的简单孔道联通体系，如正八面体、三角锥、六面体等。这种结构单元普遍存在微孔结构单一、结构重复、孔道各向异性率差等缺点。而选择性激光熔炼技术的精度可以达到100μm，能够满足多孔钛内部结构的精确控制，由于结构设计不健全，造成3D打印精确控制内部结构的优势并没有完全发挥。

技术实现思路

[0005]针对现有多孔钛微孔结构单一重复的问题，本技术提出一种高孔隙率、高强度、轻质量的多孔材料径向分级结构。所述多孔材料径向分级结构包括4种径向分级结构的支撑件，通过梯度渐变的孔隙结构设计调控孔隙率与等效孔径，以达到最佳的力学强度和生物相容性。具有实现钛金属零件减重、多孔材料力学强度提升的潜在意义。
[0006]本技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种多孔材料径向分级结构，所述多孔材料径向分级结构包括若干个不同结构的紧密连接的支撑件，形成梯度渐变的孔隙结构；
[0008]所述支撑件包括最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件；
[0009]所述最内层支撑件作为所述多孔材料径向分级结构的最内层，形成所述多孔材料径向分级结构的最小密度和最大等效孔径；所述次内层支撑件一和次内层支撑件二依次作为所述多孔材料径向分级结构的次内层，形成所述多孔材料径向分级结构的中级孔径，并作为所述多孔材料径向分级结构的材料密度的多尺度平滑过渡；所述外层支撑件作为最外
层，形成所述多孔材料径向分级结构的最小孔径和最大密度；由此令所述多孔材料径向分级结构形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。
[0010]进一步地，所述最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件均为由四根长度相同的圆柱体构成的六方金刚石分子结构(四根圆柱体相互连接形成一四面体结构)，由纯钛或钛合金粉末烧结而成。
[0011]进一步地，所述最内层支撑件的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm；优选地，长度为0.5～1mm，直径为0.1～0.5mm。
[0012]进一步地，所述次内层支撑件一的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm；优选地，长度为0.5～1mm，直径为0.1～0.5mm。
[0013]进一步地，所述次内层支撑件二的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm；优选地，长度为0.5～1mm，直径为0.1～0.5mm。
[0014]进一步地，所述最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件的圆柱体的直径不完全相同。
[0015]进一步地，所述最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件的高度相同，调节圆柱体直径尺寸以改变径向梯度，使得所述多孔材料径向分级结构形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。
[0016]进一步地，所述最内层支撑件在所述多孔材料径向分级结构中的阵列宽度为：4-10mm，优选为5-8mm。
[0017]进一步地，所述次内层支撑件一在所述多孔材料径向分级结构中的阵列宽度为：1-5mm，优选为2-4mm。
[0018]进一步地，所述次内层支撑件二在所述多孔材料径向分级结构中的阵列宽度为：4-10mm，优选为5-8mm。
[0019]进一步地，所述外层支撑件在所述多孔材料径向分级结构中的阵列宽度为：1-5mm，优选为2-4mm。
[0020]进一步地，所述多孔材料径向分级结构总的阵列宽度为：6-30mm，优选为14-24mm。
[0021]进一步地，所述多孔材料径向分级结构的等效孔径为：300-700 μm,优选为350-600μm；所述等效孔径由多孔材料径向分级结构中各支撑件的排布阵列宽度确定：越内层的支撑件的等效直径越大，如果内层陈列得宽，平均等效直径就大；外层支撑件陈列得宽，平均直径就会变小，本技术通过调整不同规格单胞的陈列宽度来动态调节所述多孔材料径向分级结构总孔隙率和密度。
[0022]进一步地，所述多孔材料径向分级结构采用激光熔融3D打印或电子束熔融3D打印得到。
[0023]进一步地，所述多孔材料径向分级结构的材料为纯钛或钛合金。
[0024]与现有技术相比，本技术的有益效果为：
[0025](1)本技术提出的多孔材料径向分级结构，设计了4种不同结构的支撑件调整孔隙结构变化，可以获得孔隙率高、孔径尺寸便于调整、力学强度均匀过渡的多孔材料径向分级结构。在相同的孔隙率条件下，所得材料的屈服强度和抗扭强度均高于常规3D打印多孔材料。与单一结构支撑件构成的钛合金零件相比，本技术提出的分级结构可以更精确的匹配密度发生变化的零件，或准确模拟皮质骨与骨小梁表面密实内力疏松的渐变结
构，由此获得更好的骨结合性能。
[0026](2)本技术可根据实际需求调节支撑件框架尺寸，从而获得不同孔隙率和不同等效孔径的钛合金零件。
[0027](3)本技术的多孔材料径向分级结构，可应用于生物医疗、能源、电子及化学工业方面的多孔材料。
[0028](4)本技术通过选择性激光熔融3D打印直接成型，避免了模具的使用，降低了材料生产成本，同时还能制备出结构复杂、尺寸精密的多孔功能材料。
附图说明
[0029]图1A为本技术实施例中多孔材料径向分级结构的结构示意图。
[0030]图1B为本技术实施例中多孔材料径向分级结构的横截面结构示意图。
[0031]图1C为本技术实施例中最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件的结构示意图。
[0032]附图标记说明：1为最内层支撑件，2为次内层支撑件一，3为次内层支撑件二，4为外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔材料径向分级结构，其特征在于，所述多孔材料径向分级结构包括若干个不同结构的紧密连接的支撑件，形成梯度渐变的孔隙结构；所述支撑件包括最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件；所述最内层支撑件作为所述多孔材料径向分级结构的最内层；所述次内层支撑件一和次内层支撑件二依次作为所述多孔材料径向分级结构的次内层；所述外层支撑件作为最外层；所述最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件的高度相同。2.根据权利要求1所述的一种多孔材料径向分级结构，其特征在于，所述最内层支撑件、次内层支撑件一、次内层支撑件二和外层支撑件均为由四根长度相同的圆柱体构成的六方金刚石分子结构。3.根据权利要求2所述的一种多孔材料径向分级结构，其特征在于，所述最内层支撑件的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm。4.根据权利要求2所述的一种多孔材料径向分级结构，其特征在于，所述次内层支撑件一的圆柱体的长度为0.5～...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦树强，罗乙娲，朱骏，王明涌，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：新型
国别省市：