本技术涉及一种具有低热膨胀系数和可调泊松比的因瓦合金元件,该元件采用三角箭头结构的基本单元,通过四重旋转阵列形成平面结构。该元件的制备方法和应用领域也一并公开,旨在提供一种性能优异的材料解决方案。
背景技术
多孔结构作为一种由大量微孔组合而成的特殊结构通常具备优异的轻量化性能。圆柱壳结构作为一类典型的多孔结构,因其具备优异的力学性能和轻量化性能被广泛的应用于汽车工业、航空航天工业以及生物医疗等工程应用领域。通过对其微孔结构进行系统地设计,可实现多种功能的个性化定制,例如隔热、降噪、减震、吸能、负热膨胀系数以及负泊松比等。其中热膨胀系数常用于评价固体材料/结构在温变环境下的变形程度。常规的结构/材料通常具备正热膨胀系数即热胀冷缩特性,而这种性能往往为各类航空航天领域中的结构部件带来较大的负面影响。例如星敏卫星长时间服役于温变环境下,其结构部件在温变加载下产生较大的形状变化从而影响卫星的偏转角度,降低信号传输的准确性。低热膨胀系数圆柱壳结构能够通过降低结构部件的热变形以保证部件的工作精度。此外,泊松比是一种用于描述固体材料/结构在承受力学加载的情况下正交方向上形状变化的物理参数。常见的材料/结构具备正泊松比性能,即受到沿纵向的拉伸载荷时,其沿横向发生收缩变形。这一变形行为通常影响星敏卫星结构部件的装配精度。而零泊松比圆柱壳结构能够在承受单方向载荷时保持其正交方向上的尺寸稳定性,最大程度地确保结构部件的尺寸精度。因此,具备低热膨胀系数及零泊松比的圆柱壳结构具备极高的应用价值。
现有的圆柱壳结构通过集成调控热膨胀系数及泊松比以实现低热膨胀系数及零泊松比的集成。然而现有的圆柱壳结构只能通过引入多种组分材料来实现热膨胀系数的调控,这无疑为其制备带来了极大的挑战,严重制约了其实际工程应用。而因瓦合金为解决上述挑战提供了有效的方案。因瓦合金是一种镍元素含量为36.wt%的铁镍合金,在因瓦效应的影响下,其在居里温度(230°C)以下具备极低的热膨胀系数(≤2.0ppm/°C)。得益于其较低的激光反射率,成熟的激光粉床熔化工艺(PBF-LB)为因瓦合金及其复杂结构部件的一体化制造提供了可靠的制备工艺。因此,以因瓦合金作为圆柱壳结构的组分材料,在继承因瓦合金固有的低热膨胀系数的同时避免了多组分材料所带来的极低可制造性。进一步,通过结构设计实现泊松比的调控,最终实现低热膨胀系数及可调控泊松比的集成。本发明所设计的圆柱壳结构在确保高可制造性的基础上实现了低热膨胀及泊松比由负到正的调控,能够在长期服役于温度场及力场耦合的工况下,提高了结构部件的性能。例如,该结构可用作星敏卫星的支架,在力以及温度的耦合作用下,结构的低热膨胀系数及零泊松比性能为星敏卫星提供极高的尺寸稳定性,从而确保其信息传输的准确性。
实现思路