一种球形胞元超轻泡沫金属材料的制备方法，其主要是其主要是利用3D打印技术或粘结胶合方式制备球形颗粒点对点粘结的胶结型颗粒材料作为基底，采用化学方法在基底通孔表面镀镍，然后用溶剂将聚合物基底溶解脱出，剩下的镍骨架即为以球形胞元为基本结构的超轻泡沫镍。本发明解决了传统点阵超轻泡沫材料局部结构弱化等问题，制备工序简单易操控，且成本低廉，制备的泡沫金属材料具备超轻，高弹，参数易于精确控制等优点。
1.一种球形胞元超轻泡沫金属材料的制备方法，其特征在于：利用3D打印技术直接打印球形颗粒点对点粘结的胶结型颗粒材料作为基底；或采用粘接方式制备基底；当采用粘接方式制备基底时，制备方法如下：(1)选用粒径为6mm的亚克力球形颗粒100颗，在浓度为0.2mol/L的NaOH溶液中浸泡搅拌2min，取出后用无水乙醇淘洗，干燥后备用；
(2)用市售的502胶水作为粘结剂，将100颗球形颗粒均匀涂覆粘结剂后，在纱网上按照正四面体堆积方式点对点粘接成5×5×4(颗)的立方体作为基底，粘结颈部直径为2mm，该结构具有连续的通孔；
(3)将基底按照常规化学镀镍工艺进行镀镍处理，具体步骤为：
将基底用碱性清洗剂1mol/L NaOH+1mol/L NaCO3+表面活性剂的混合液在50℃浸洗，表面活性剂为市售的各类阴离子表面活性剂，经水冲洗后放入体积比＝1：4的H3PO4溶液中清洗，再经去离子水洗，使用H2O2+H2SO4，体积比＝1：4的微蚀液，将水洗干净的基底放入微蚀液中5min，取出，水洗，再用去离子水冲洗表面，用5g SnCl2，20mL浓HCl，加水溶解至1L，配制成敏化液，在配好的溶液中加3-5粒金属锡粒，防止亚锡离子氧化，将预处理过的基底放入恒温25℃的敏化液中5min取出，用去离子水冲洗表面，用0.10g PdCl2、60mL浓HCl，加水溶解至1L配制成溶液，在室温下将预镀件放入其中2-3min，取出，用去离子水冲洗表面，将
6gNiSO4，10g醋酸钠加水溶解至1L，配制成镀镍液A，将30gNaH2PO2加水溶解至1L，配制成镀镍液B，将基底放入镀槽中，分别加入A液300mL+10mL乳酸，搅拌至均匀；B液300mL+2mL丙酸+
1mL的稳定剂硫脲搅拌均匀，调整pH＝4.6，用水浴加热法，将镀槽温度控制在87℃，每2min搅拌电镀液，5min后取出，用去离子水冲洗表面，塑料表面镀镍完成；
(4)用砂纸将镀镍后的基底立方体六个侧面进行打磨，直至表面露出为2mm直径的基底；
(5)在口径为6cm的磨口标本瓶中注入约100ml三氯甲烷，将镀镍后的基底完全浸入，加盖密封后置于振荡器上，常温避光通风处溶解24小时，取出后再重新更换三氯甲烷100ml，继续震荡10分钟后取出，用无水乙醇冲洗，干燥后即可制备出球形胞元超轻泡沫金属材料；
当利用3D打印技术直接打印球形颗粒点对点粘结的胶结型颗粒材料作为基底时，操作过程如下：
1)利用SolidWorks建立泡沫材料基底模型：其中，球形胞元直径3mm，胞元间连接颈部直径1.2mm，胞元排布方式为正六面体堆积10×10×10个，基底模型尺寸为30mm×30mm×
2)利用3D打印机，选用ABS材料，打印泡沫材料基底；
3)基底镀镍方式与采用粘接方式制备基底的镀镍方式相同，镀镍进行3分钟后取出，用流动纯净水冲洗两遍，干燥，此时，镍层厚度为1μm；
4)用砂纸将镀镍后的基底立方体六个侧面进行打磨，直至表面露出为1mm直径的基底；
5)在口径为6cm的磨口标本瓶中注入100ml三氯甲烷，将镀镍后的基底完全浸入，加盖密封后置于振荡器上，常温避光通风处溶解24小时，取出后再重新更换三氯甲烷100ml，继续震荡10分钟后取出，用无水乙醇冲洗，干燥后即可制备出球形胞元超轻泡沫金属材料。
一种球形胞元超轻泡沫金属材料的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料领域，特别涉及一种泡沫金属材料的制备方法。
背景技术
[0002] 轻质多孔金属材料因其具备轻质、高比强度、高比刚度、吸能减振等优点，已经在航空航天、交通运输、建筑及军事等领域得以应用。目前，最常用的轻质多孔金属材料主要包括蜂窝材料、点阵结构及金属泡沫材料。随着科技发展，工程中对材料的要求逐渐提高，传统的多孔金属材料逐渐暴露出一些缺点。
[0003] 蜂窝材料和点阵结构各项异性特征较强，抗剪性能较差，在受到纵向载荷和横向载荷共同作用时容易局部失稳；材料参数(如密度，孔隙率等)难以精确控制；并且只能做到“轻质”，难以做到“超轻”(密度小于10mg/cm3，即水密度的1％)。
[0004] 传统的金属泡沫材料制备方法主要有：发泡法(如：中国发明专利公开号为CN101117675A、CN105478726A、CN105063460A等)，电沉积法(如：中国发明专利公开号为CN1995470A、CN101298686A、CN105624676A等)，烧结法(如：中国发明专利公开号为CN105803240A、CN105886820A、CN105256166A等)，渗流法(如：国家发明专利公开号为CN101215651A等)等。发泡法制备的泡沫金属材料孔隙率、孔隙分布、孔径大小不能精确控制，且只能制备闭孔泡沫金属材料；电沉积法和烧结法制备出的泡沫金属的特质参数很大程度取决于海绵基体，因此会暴露出应力集中、局部易失稳、可设计性不强，且经过反复氧化还原导致材料性能弱化等缺点；渗流法更难以实现“超轻”的结构形式以及对参数的精确控制。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种具有超轻高弹、高孔隙率、受力均匀、参数可精确控制的球形胞元超轻泡沫金属材料的制备方法。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] (1)利用3D打印技术直接打印球形颗粒点对点粘结的胶结型颗粒材料作为基底，打印材料为ABS塑料或亚克力。或采用粘接方式制备基底：将聚合物球形颗粒置于低浓度碱性溶液中，洗除表面油脂，取出后再用无水乙醇冲洗，干燥后备用；将聚合物球形颗粒浸入级配相同的液体粘结剂中，用漏勺取出，倒入底部可渗流液体粘结剂的模具中，按压密实，固化后脱模取出作为基底；所述的聚合物为ABS塑料或亚克力。
[0008] (2)将步骤(1)的基底按照常规化学镀镍流程流程进行镀镍：碱性、酸性清洗脱脂→清洗→硫酸+双氧水微蚀→清洗→氯化亚锡敏化→清洗→氯化钯活化→清洗→镀镍。
[0009] (3)用砂纸打磨镀件外表面，直至表面露出1-2mm直径的基底。利用有机溶剂三氯甲烷，将步骤(2)的镀件完全浸入，加盖密封后置于振荡器上，常温避光通风处溶解约24小时，取出后再重新更换三氯甲烷，继续震荡10分钟后取出，用无水乙醇冲洗并干燥。
[0010] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0011] (1)解决传统点阵超轻泡沫材料局部结构弱化等问题，球形胞元新型泡沫镍材料的胞元排布方式可周期性、可随机性，能够控制材料的各向异性特征；球形胞元的受力特性较为均匀，不容易产生局部失稳。
[0012] (2)基底制备工序简单易操控，且成本低廉。
[0013] (3)解决材料多参数精确可控问题，通过控制基底颗粒排布方式、粒径尺寸及胶结物尺寸来实现泡沫材料胞元大小、形状及排布形式等宏观尺度参数精确可控性；通过控制镀镍时间来实现泡沫镍镍层厚度的微观甚至纳观尺度参数的精确可控性。
附图说明
[0014] 图1为本发明的制备流程示意图。
[0015] 图2为本发明实施例2球形胞元超轻泡沫金属材料的基底模型示意图。
具体实施方式
[0016] 实施例1
[0017] 按照图1所示的球形胞元超轻泡沫金属材料的制备流程：
[0018] (1)选用粒径为6mm的亚克力球形颗粒100颗，在浓度为0.2mol/L的NaOH溶液中浸泡搅拌2min，取出后用无水乙醇淘洗，干燥后备用。
[0019] (2)用市售的502胶水作为粘结剂，将100颗球形颗粒均匀涂覆粘结剂后，在纱网上按照正四面体堆积方式点对点粘接成5×5×4(颗)的立方体作为基底。粘结颈部直径约为2mm。该结构具有连续的通孔。
[0020] (3)将基底按照常规化学镀镍工艺进行镀镍处理，具体步骤为：
[0021] 将基底用碱性清洗剂(1mol/L NaOH+1mol/L NaCO3+表面活性剂(市售的各类阴离子表面活性剂)的混合液)在50℃浸洗，经水冲洗后放入体积比＝1：4的H3PO4溶液中清洗，再经去离子水洗。使用H2O2+H2SO4(体积比＝1：4)的微蚀液，将水洗干净的基底放入微蚀液中约5min，取出，水洗，再用去离子水冲洗表面。
[0022] 用5g SnCl2，20mL浓HCl，加水溶解至1L，配制成敏化液(在配好的溶液中加3-5粒金属锡粒，防止亚锡离子氧化)。将预处理过的基底放入恒温25℃的敏化液中5min取出，用去离子水冲洗表面。用0.10g PdCl2、60mL浓HCl，加水溶解至1L配制成溶液，在室温下将预镀件放入其中2-3min，取出，用去离子水冲洗表面。将6gNiSO4，10g醋酸钠加水溶解至1L，配制成镀镍液A。将30g NaH2PO2加水溶解至1L，配制成镀镍液B。将基底放入镀槽中，分别加入A液300mL+10mL乳酸，搅拌至均匀；B液300mL+2mL丙酸+1mL的稳定剂硫脲搅拌均匀。调整pH＝4.6，用水浴加热法，将镀槽温度控制在87℃，每2min搅拌电镀液。5min后取出，用去离子水冲洗表面，塑料表面镀镍完成。
[0023] (4)用砂纸将镀镍后的基底立方体六个侧面进行打磨，直至表面露出约为2mm直径的基底。
[0024] (5)在口径为6cm的磨口标本瓶中注入约100ml三氯甲烷，将镀镍后的基底完全浸入，加盖密封后置于振荡器上，常温避光通风处溶解约24小时，取出后再重新更换三氯甲烷100ml，继续震荡10分钟后取出，用无水乙醇冲洗，干燥后即可制备出球形胞元超轻泡沫金属材料。
[0025] 实施例2
[0026] (1)利用SolidWorks建立图2所示泡沫材料基底模型：其中，球形胞元1直径3mm，胞元间连接颈部2直径1.2mm，胞元排布方式为正六面体堆积(10×10×10个)，基底模型尺寸为30mm×30mm×30mm，导出模型的STL文件。
[0027] (2)利用3D打印机，选用ABS材料，打印泡沫材料基底。
[0028] (3)将基底按照实施例1所述的化学镀镍工艺进行镀镍处理，镀镍进行3分钟后取出，用流动纯净水冲洗两遍，干燥。此时，镍层厚度约为1μm。
[0029] (4)用砂纸将镀镍后的基底立方体六个侧面进行打磨，直至表面露出约为1mm直径的基底。
[0030] (5)在口径为6cm的磨口标本瓶中注入约100ml三氯甲烷，将镀镍后的基底完全浸入，加盖密封后置于振荡器上，常温避光通风处溶解约24小时。取出后再重新更换三氯甲烷100ml，继续震荡10分钟后取出，用无水乙醇冲洗，干燥后即可制备出球形胞元超轻泡沫金属材料。
[0031] 实施例3
[0032] (1)选用粒径为10mm的亚克力球形颗粒150颗，在浓度为0.2mol/L的NaOH溶液中浸泡搅拌2min，取出后用无水乙醇淘洗，干燥后备用。
[0033] (2)取一个150ml容量的塑料烧杯，剪去杯底，在杯壁上贴附一层保鲜膜，底部固定一层纱网，网眼尺寸不小于1mm。
[0034] (3)取200ml三氯甲烷置于烧杯，将150颗备用的球形颗粒浸入，需使三氯甲烷能够完全浸没颗粒，用玻璃杯持续搅拌2min，用漏勺取出，并倒入步骤(2)所述的无底烧杯中，将表面压实。烧杯置于烧杯架上，在烧杯正下方再放置一个烧杯用来盛接漏出的液体。将球形颗粒在三氯甲烷中浸泡2min后，颗粒表层会被微溶，形成一层粘稠的涂层，颗粒间可以相互交联。
[0035] (4)将盛有球形颗粒的烧杯置于通风橱内放置24小时，固化后将基底从烧杯中取出，完成基底的制备。
[0036] (5)将基底按照实施例1所述的化学镀镍工艺进行镀镍处理，镀镍进行10分钟后取出，用流动纯净水冲洗两遍，干燥。此时，镍层厚度约为3μm。
[0037] (6)用砂纸将镀镍后的基底各侧面进行打磨，直至表面露出约为2mm直径的基底。
[0038] (7)在口径为9cm的磨口标本瓶中注入约150ml三氯甲烷，将镀镍后的基底完全浸入，加盖密封后置于振荡器上，常温避光通风处溶解约24小时。取出后再重新更换三氯甲烷150ml，继续震荡10分钟后取出，用无水乙醇冲洗，干燥后即可制备出球形胞元超轻泡沫金属材料。
