[0001] 本发明属于金属基复合材料的技术领域，尤其涉及一种螺旋层状结构双金属复合材料及其制备方法。

[0002] 材料性能与微观结构的相应关系日益明确，通过多尺度结构设计来定制复合材料的力学性能或功能特性是合理可行的途径之一，在航空航天和电子工业等领域有广阔的应用前景。目前，双金属复合材料的制备通常采用搅拌铸造、粉末冶金等方法，如中国发明专利申请号为CN202011607989.4，公开号为CN112813293A，发明创造名称为“一种金属钛颗粒增强镁基复合材料及其真空搅拌铸造方法和应用”的专利采用真空搅拌铸造方法成功制备了金属钛颗粒增强镁基复合材料；又如中国发明专利申请号为CN201710114670.X，公开号为CN106903307B，发明创造名称为“一种共成形共烧结钨合金/钢复合材料的粉末冶金制备方法”的专利采用粉末冶金压制工艺制备了钨合金/钢复合材料，但上述金属基复合材料中增强体颗粒均匀分布于金属基体中，其强韧化效果有限，且在构造复杂形状和调控精细结构方面存在很大的局限性。

[0003] 近年来，3D打印已发展成为制备具有多尺度结构工程材料的一种新方法。中国发明专利申请号为CN202110244923.1，公开号为CN113172724A，发明创造名称为“一种可控网络陶瓷/金属复合材料制备工艺”的专利曾报道其采用光固化3D打印技术结合真空压力浸渗技术制备出具有网状结构的Al2O3/Al复合材料。但是，以上专利采用的是光固化3D打印技术和压力浸渗技术，且为陶瓷/金属材料体系。从经济成本、可操控性、普遍适用性等角度考虑，墨水直写技术(DirectInkWriting,DIW)和无压浸渗技术联用是制做具有复杂宏观形状和精细微观结构双金属复合材料的理想途径之一。DIW可以灵活调控打印件材料的宏观形状和微观结构，获得可预订结构的多孔骨架。无压浸渗技术操作简单、成本低廉、通用性强和可近净成形等优点，通过填充金属弥补骨架孔洞，进而显著提高复合材料的致密度和抗压强度等特性。从文献检索知，目前国内外尚未见到墨水直写打印和无压浸渗技术制备螺旋层状结构双金属复合材料及其具体方法的报道。

[0031] 下述实施例均采用价格低廉、来源广泛的316L粉体和铜来验证本发明的思想，但本发明的关键在于利用墨水直写打印控制宏微观结构，然后在此基础上结合无压熔渗技术灌装金属熔体，从而获得复杂可定制结构的双金属复合材料。这些有益效果的实现不依赖于材料体系的选择，因此本发明所提供的技术可普遍适用于常见金属材料，如银、钛、钨等。此外，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 实施例1

[0033] 一种螺旋层状结构双金属复合材料，制备流程如图1所述，具体制备方法包括以下步骤：

[0034] (a)配制水基浆料：将4.95g分散剂F‑127溶于16.5g去离子水中，再加入184.3g 316L粉，随后采用机械搅拌的方式搅拌1.5h制成浆料，搅拌后的浆料经真空搅拌除气
20min，搅拌速度为80r/min，制备出水基浆料；

[0035] (b)墨水直写打印：用软件Solidworks设计创建逐层旋转角度30°的螺旋层状三维模型(长32.6mm，宽32.6mm，高度15mm，层数25层，间距1mm)，如图2所示。然后，将设计好的模型导入到Cura软件中进行切片处理，获得可用于直写打印机的文件格式，并执行打印任务，得到有螺旋层状结构骨架坯料；

[0036] (c)干燥与高温烧结：

[0037] 将骨架坯料在室温下自然干燥，随后移置于高温烧结炉中。烧结全程通氩气保护，以5℃/min升温至500℃并保温90min，然后以5℃/min升至1200℃，保温90min。随后以5℃/min降温至室温，获得螺旋层状结构多孔不锈钢骨架，如图3所示；

[0038] (d)无压熔体浸渗

[0039] 将多孔不锈钢骨架、纯铜依次放入氧化铝坩锅内，然后将坩锅放入真空炉中，将装置密封后，在常温下抽真空至10Pa后，以10℃/min升温至500℃并保温30min，然后继续以5℃/min升温至1000℃并保温30min，继续以5℃/min升温至1150℃，保温45min，随后以10℃/min降温至500℃，然后随炉冷却至室温，最终获得了螺旋层状结构Cu/316L复合材料，如图4所示。

[0040] 实施例2

[0041] 本实施例与实施例1不同之处在于墨水直写打印过程骨架坯料的设计：使用软件Solidworks设计创建逐层旋转角度60°的螺旋层状三维模型(长32.6mm，宽32.6mm，高度15mm，层数25层，间距1mm)，如图5所示。然后，将设计好的模型导入到Cura软件中进行切片处理，获得可用于直写打印机的文件格式，并执行打印任务，得到有螺旋层状结构骨架坯料；经干燥烧结得到螺旋层状结构多孔不锈钢骨架，如图6所示。最后通过无压熔体浸渗途径获得螺旋层状结构Cu/316L复合材料。

[0042] 实施例3

[0043] 本实施例与实施例1的不同之处在于墨水直写打印过程骨架坯料的设计：用软件Solidworks设计创建逐层旋转角度90°的螺旋层状三维模型(长32.6mm，宽32.6mm，高度15mm，层数25层，间距1mm)，如图7所示。然后，将设计好的模型导入到Cura软件中进行切片处理，获得可用于直写打印机的文件格式，并执行打印任务，得到有螺旋层状结构骨架坯料；经干燥烧结到得螺旋层状结构多孔不锈钢骨架，如图8所示。最后通过无压熔体浸渗途径获得螺旋层状结构Cu/316L复合材料。

[0044] 随后，对获得的Cu/316L复合材料进行抗压性能检测：实验前，将试样尺寸切割成7.5mm×7.5mm×7.5mm，使用400目的砂纸对待测试样上下表面进行磨抛处理，确保与万能力学试验机压头保持平行，获得准确的数据。实验中，万能力学试验机的压力阈值设定为
9KN，压头速率为0.5mm/min，待准备完善后开始测试。测试完毕后，得到抗压应力‑应变曲线。

[0045] 可以看出，复合材料的性能呈现出各向异性的特征，尤其是应变在10％以内比较明显。同时，3/4方向的压缩性能优于1/2方向(3/4为垂直多孔方向，1/2为平行多孔方向)，这是由于复合材料垂直于多孔结构方向由于形成的互锁结构比平行于多孔结构方向承受能力更强。此外，在压缩过程中复合材料没有发生破坏性的断裂，应力也不会出现锐减，表现出持续稳定的变形，如图9所示。

[0046] 实施例4

[0047] 一种螺旋层状结构双金属复合材料，具体制备方法包括以下步骤：

[0048] (a)配制水基浆料：将5g分散剂聚甲基丙烯酸钠溶于25g去离子水中，再加入125g 316L粉，随后采用机械搅拌的方式搅拌1h制成浆料，搅拌后的浆料经真空搅拌除气15min，搅拌速度为30r/min，制备出水基浆料；

[0049] (b)墨水直写打印：用软件Solidworks设计创建逐层旋转角度30°的螺旋层状三维模型(长32.6mm，宽32.6mm，高度15mm，层数25层，间距0.5mm)。然后，将设计好的模型导入到Cura软件中进行切片处理，获得可用于直写打印机的文件格式，并执行打印任务，挤出压力为0.1MPa，得到有螺旋层状结构骨架坯料；

[0050] (c)干燥与高温烧结：

[0051] 将骨架坯料在室温下自然干燥，随后移置于高温烧结炉中。烧结全程通氩气保护，以8℃/min升温至450℃并保温80min，然后以10℃/min升至1400℃，保温60min。随后以5℃/min降温至室温，获得螺旋层状结构多孔不锈钢骨架；

[0052] (d)无压熔体浸渗

[0053] 将多孔不锈钢骨架、纯铜依次放入氧化铝坩锅内，然后将坩锅放入真空炉中，将装置密封后，在常温下抽真空至5Pa后，以5℃/min升温至450℃并保温35min，然后继续以10℃/min升温至1000℃并保温30min，继续以10℃/min升温至1100℃，保温60min，随后以10℃/min降温至500℃，然后随炉冷却至室温，最终获得了螺旋层状结构Cu/316L复合材料。

[0054] 实施例5

[0055] 一种螺旋层状结构双金属复合材料，具体制备方法包括以下步骤：

[0056] (a)配制水基浆料：将5g分散剂聚甲基丙烯酸钠溶于12.5g去离子水中，再加入250g316L粉，随后采用机械搅拌的方式搅拌10h制成浆料，搅拌后的浆料经真空搅拌除气
10min，搅拌速度为50r/min，制备出水基浆料；

[0057] (b)墨水直写打印：用软件Solidworks设计创建逐层旋转角度30°的螺旋层状三维模型(长32.6mm，宽32.6mm，高度15mm，层数25层，间距1.5mm)。然后，将设计好的模型导入到Cura软件中进行切片处理，获得可用于直写打印机的文件格式，并执行打印任务，挤出压力为0.5MPa，得到有螺旋层状结构骨架坯料；

[0058] (c)干燥与高温烧结：

[0059] 将骨架坯料在室温下自然干燥，随后移置于高温烧结炉中。烧结全程通氩气保护，以10℃/min升温至550℃并保温90min，然后以10℃/min升至1100℃，保温120min。随后以5℃/min降温至室温，获得螺旋层状结构多孔不锈钢骨架；

[0060] (d)无压熔体浸渗

[0061] 将多孔不锈钢骨架、纯铜依次放入氧化铝坩锅内，然后将坩锅放入真空炉中，将装置密封后，在常温下抽真空至1Pa后，以8℃/min升温至550℃并保温60min，然后继续以10℃/min升温至1200℃并保温60min，继续以10℃/min升温至1300℃，保温30min，随后以10℃/min降温至500℃，然后随炉冷却至室温，最终获得了螺旋层状结构Cu/316L复合材料。

[0062] 实施例6

[0063] 一种螺旋层状结构双金属复合材料，具体制备方法包括以下步骤：

[0064] (a)配制水基浆料：将5g分散剂羧甲基纤维素钠溶于20g去离子水中，再加入200g 316L粉，随后采用机械搅拌的方式搅拌5h制成浆料，搅拌后的浆料经真空搅拌除气10min，搅拌速度为50r/min，制备出水基浆料；

[0065] (b)墨水直写打印：用软件Solidworks设计创建逐层旋转角度30°的螺旋层状三维模型(长32.6mm，宽32.6mm，高度15mm，层数25层，间距1mm)。然后，将设计好的模型导入到Cura软件中进行切片处理，获得可用于直写打印机的文件格式，并执行打印任务，挤出压力为0.3MPa，得到有螺旋层状结构骨架坯料；

[0066] (c)干燥与高温烧结：

[0067] 将骨架坯料在室温下自然干燥，随后移置于高温烧结炉中。烧结全程通氩气保护，以5℃/min升温至550℃并保温85min，然后以8℃/min升至1300℃，保温120min。随后以5℃/min降温至室温，获得螺旋层状结构多孔不锈钢骨架；

[0068] (d)无压熔体浸渗

[0069] 将多孔不锈钢骨架、纯铜依次放入氧化铝坩锅内，然后将坩锅放入真空炉中，将装置密封后，在常温下抽真空至0.1Pa后，以10℃/min升温至500℃并保温90min，然后继续以5℃/min升温至1100℃并保温30min，继续以10℃/min升温至1400℃，保温30min，随后以10℃/min降温至500℃，然后随炉冷却至室温，最终获得了螺旋层状结构Cu/316L复合材料。

[0070] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。