【摘 要】
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4D打印属于增材制造技术,通过材料或结构主动设计,使构件的形状、性能和功能在时间和空间维度上实现可控变化的颠覆性制造技术,成为国内外学者的研究热点。目前,研究者们的主要研究思路大多以温度驱动、电驱动等驱动形式作为外界应激条件,使智能构件达到变形、变性、变功能的“智能”效果。但是,在这些智能构件产生所期待的性能变化时,无法避免外界环境对其本身的干扰,换言之,构件的响应性变化无法脱离外界对其的直接接触
【基金项目】
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国家重点研发计划(2018YFB1106700); 华中科技大学学术前沿青年团队(2018QYTD04);
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4D打印属于增材制造技术,通过材料或结构主动设计,使构件的形状、性能和功能在时间和空间维度上实现可控变化的颠覆性制造技术,成为国内外学者的研究热点。目前,研究者们的主要研究思路大多以温度驱动、电驱动等驱动形式作为外界应激条件,使智能构件达到变形、变性、变功能的“智能”效果。但是,在这些智能构件产生所期待的性能变化时,无法避免外界环境对其本身的干扰,换言之,构件的响应性变化无法脱离外界对其的直接接触。因此构件本身对驱动变形的环境要求较为严格,也制约了智能材料的应用范围。为此选取了磁驱动作为智能材料变形的外界应激条件,磁驱动可以避免智能构件与驱动源发生直接接触,通过调节驱动源以产生磁场的周期性变化,从而实现智能构件的可控变形,达到“智能”的效果。使用了激光选区烧结(Selective laser sintering,SLS)的增材制造技术,针对所选取的新型磁性复合材料体系,优化参数工艺,细节制订实验步骤,得到符合预期结果,能够对外界磁性产生可控变形成形件。主要通过两个方向详细研究了磁性复合材料体系,分别为微观组织的细微结构特征、形变性能的宏观演变规律。具体的研究内容和结果如下:(1)选择了热塑性聚氨酯(TPU)粉末和钕铁硼(NdFeB)粉末作为激光选区烧结成形的复合材料基体,设置预铺起始温度为115℃,预铺时间间隔为20 s,预铺粉床厚度为2.4 mm,该组参数保持了成形过程的稳定。分别针对20%、30%、40%梯度组分的复合粉末,设置的打印温度分别为125℃、128℃、130℃。各组打印完成后,均得到了符合预期效果的成形件,成形件也保持了基本的力学强度。(2)研究了成形件的微观结构特征。通过复合材料的粒度判断了复合粉末的粒度演变规律,并判断不同粒度下的实验结果在成形件的表现,在结果分析中,NdFeB粉末的平均粒度在所有样品中最小,为34.8μm。20%、30%、40%NdFeB复合粉末平均粒度分别为79.2μm、64.1μm、60.7μm,其平均粒度随着NdFeB含量增大而减小,且小于100μm,均能获得较好的打印结果;通过扫描电镜观察到的形貌特征得到了粉末的混合情况,机械混合适用于该材料体系,能够使材料成形后得到预期的各项性能;使用红外光谱与X射线衍射分析,推测了材料体系中的各部分的组成,主要为FexNdy、FexOy、C等多种化合物。其主要元素Fe、C、O未发生明显的变化,化学基团在成形前后主要为C-C、N-H、C=O的伸缩振动以及C-N-H的弯曲振动,确定材料成形过程为材料本身的粘结行为,排除在成形中产生化学反应的可能性,成形件的性能保持了两种不同组分材料的相应功能。(3)研究了成形件的性能,从力学和磁学两个物理表征手段分别揭示了成形件的形变规律。通过拉伸试验得出三种实验样品各自的应力应变曲线,对照分析后,当成形件中NdFeB含量为30%时,成形件具有最大的应变,其数值为87%,应力也达到2.8MPa,20%NdFeB成形件极限应力最大,达到了3.0 MPa,应变则不到75%,40%NdFeB成形件应力、应变均最小,分别为1.9 MPa、66%;通过充磁后对其进行磁学性能分析,成形件的磁化强度随着钕铁硼含量的增大而不断提高,20%、30%、40%NdFeB成形件磁化强度数值分别为1.4 m T、2.5 m T、5.0 m T,总体呈正相关规律;40%NdFeB成形件磁学性能最佳,在给出的磁场环境较大时,其形变量均超过了1.2 mm。成形件的磁学性能也与多种因素有关,改变多种环境变量均对成形件的形变产生相关影响。通过选取磁性材料,将磁性材料与激光选区烧结结合,得到了以磁驱动为驱动方式的4D打印构件;为4D打印研究制造磁性智能构件补充了材料体系,并从多方面研究了该材料体系的微观结构和宏观表征。
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