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拓扑优化的高界面填充结构

阅读:159发布:2021-09-11

专利汇可以提供拓扑优化的高界面填充结构专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本公开提供了包括空隙体积至少为40%的 层压 材料的制品,所述层压材料具有晶格结构,所述晶格结构包括多个相互连接的支柱,所述支柱形成向三个维度或两者个维度延伸的一系列多面体,其中层压材料具有至少2.0界面/微米(μm)的界面 密度 。本公开还描述了形成所述制品的方法。,下面是拓扑优化的高界面填充结构专利的具体信息内容。

1.制品,包括:
具有至少40%空隙体积的层压材料,所述层压材料的界面密度为至少2.0界面/微米(μ
m)。
2.根据权利要求1所述的制品,其中所述层压材料具有晶格结构,所述晶格结构包括多
个相互连接的支柱,所述多个相互连接的支柱形成向三个维度延伸的一系列多面体。
3.制品,包括:
具有晶格结构的层压材料,所述晶格结构包括多个相互连接的支柱,所述多个相互连
接的支柱形成向三个维度延伸的一系列多面体,所述层压材料的界面密度为至少2.0界面/
微米(μm)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制品,还包括工件,其中所述层压材料在所述工件
的表面上。
5.根据权利要求4所述的制品,其中所述工件是开孔泡沫
6.根据权利要求5所述的制品,其中所述开孔泡沫的孔尺寸在至少一个维度上变化。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的制品,其中所述工件包括聚合物
8.根据权利要求7所述的制品,其中所述聚合物包括丙烯酰胺、芳基酰胺、聚苯并咪唑
(PBI)、聚醚酰亚胺、聚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯醚(PPO)、聚苯乙烯(PS)、聚苯醚(PPO)和聚苯乙烯(PS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚乙烯醇(PVA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、PC/ABS、纤维素纤维、聚苯砜(PPSU)、热固性塑料、PBI-PEEK、脲、环树脂、氰酸酯、聚酯或其任意组合。
9.根据权利要求4-6中任一项所述的制品,其中所述工件包括金属。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的制品,其中所述多面体是不规则的。
11.根据权利要求2-9中任一项的制品,其中所述多面体是规则的。
12.根据权利要求2-11中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体包括布置在两个
或更多平面中的大于100个多面体。
13.根据权利要求2-12中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体布置在三个或更
多个平面中。
14.根据权利要求2-13中任一项所述的制品,其中所述多面体包括三多面体。
15.根据权利要求14所述的物品,其中所述三角多面体包括四面体、八面体和二十面
体。
16.根据权利要求2-15中任一项所述的制品,其中所述多面体的尺寸在至少一个维度
上变化。
17.根据权利要求16所述的制品,其中所述多面体的尺寸随着晶格结构的深度而变化。
18.根据权利要求2-17中任一项所述的制品,其中所述多个相互连接的支柱是中空的。
19.根据权利要求2-18中任一项所述的制品,其中所述晶格结构包括由多个多面体包
围的空腔。
20.根据权利要求2-19中任一项所述的制品,其中所述多个相互连接的支柱的平均长
度为约0.5微米(μm)至约10毫米(mm)。
21.根据权利要求2-20中任一项所述的制品,其中所述多个相互连接的支柱的平均长
度为约1μm至约500μm。
22.根据权利要求2-21中任一项所述的制品,其中所述多个相互连接的支柱的厚度在
至少一个维度上变化。
23.根据权利要求22所述的制品,其中所述多个相互连接的支柱的厚度随着晶格结构
的深度而变化。
24.根据权利要求1-23中任一项所述的制品,其中所述层压材料的厚度在至少一个维
度上变化。
25.根据权利要求24所述的制品,其中所述层压材料的厚度随着所述晶格结构的深度
而变化。
26.根据权利要求1-25中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括具有第一组成的
第一层和具有第二组成的第二层。
27.根据权利要求26所述的制品,其中所述层压材料包括交替的第一层和第二层。
28.根据权利要求26或27所述的制品,其中所述第一层和所述第二层在晶粒尺寸、缺陷
密度、晶粒取向、金属间组分的存在、无定形金属玻璃含量的存在或其组合中的至少一个方面不同。
29.根据权利要求1-28中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括至少5层。
30.根据权利要求1-29中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括至少100层。
31.根据权利要求1-30中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括独立地具有约1nm
至约1,500nm厚度的层。
32.根据权利要求1-31中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括独立地具有约1nm
至约1,000nm厚度的层。
33.根据权利要求1-32中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括独立地具有约2nm
至约100nm厚度的层。
34.根据权利要求1-33中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括独立地具有约5nm
至约70nm厚度的层。
35.根据权利要求26-34中任一项所述的制品,其中基于显微照片中的粒度测量,所述
第一层独立地具有约1nm至1,000nm的平均粒度。
36.根据权利要求26-35中任一项所述的制品,其中基于显微照片中的粒度测量,所述
第二层独立地具有约1,000nm至5,000nm的平均粒度。
37.根据权利要求35或36所述的制品,其中所述第一层和所述第二层具有高度的孪晶,
并且所述层压材料相对于具有相同平均组成且晶粒尺寸至少为5000nm的电沉积金属或合
金具有增加的硬度、拉伸强度、耐腐蚀性或其组合。
38.根据权利要求26-37中任一项所述的制品,其中所述第一层独立地包括Ag、Al、Au、
B、Be、C、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Si、Sn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn、Zr或其组合。
39.根据权利要求26-38中任一项所述的制品,其中所述第二层独立地包括Ag、Al、Au、
B、Be、C、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Si、Sn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn、Zr或其组合。
40.根据权利要求26-39中任一项所述的制品,其中所述第一层和所述第二层包括
AlSi、CuNb、CuNi、NiFe、AIFe或NiAl。
41.根据权利要求1-40中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括AlZn、AlSi、CuNb、
CuNi、NiFe、AIFe、NiAl、NiCr、NiCo、NiCrCo、NiCrAl、NiFeAl、NiCoAl、NiCrCoAl、NiMo、NiCrMo、NiFeMo、NiCoMo、NiCrCoMo、NiW、NiCrW、NiFeW、NiCoW、NiCrCoW、NiNb、NiCrNb、NiFeNb、NiCoNb、NiCrCoNb、NiTi、NiCrTi、NiFeTi、NiCoTi、NiCrCoTi、NiCrP、NiCrAl、NiCoP、NiFeP、NiCrSi、NiCrB、NiCoSi、NoCoB、NiFeSi、NiFeB、ZnCr、ZnFe、ZnCo、ZnNi、ZnCrP、ZnCrAl、ZnFeP、ZnFeAl、ZnCoP、ZnCoAl、ZnNiP、ZnNiAl、ZnCrSi、ZnCrB、ZnFeSi、ZnFeB、ZnCoSi、ZnCoB、ZnNiSi、ZnNiB、CoCr、CoFe、CoCrP、CoFeP、CoCrAl、CoFeAl、CoCrSi、CoFeSi、CoCrB、CoFeB、CoAl、CoW、CoCrW、CoFeW、CoTi、CoCrTi、CoFeTi、CoTa、CoCrTa、CoFeTa、CoC、CoCrC、CoFeC、FeCr、FeCrP、FeCrAl、FeCrSi或FeCrB。
42.根据权利要求1-41中任一项所述的制品,其中所述层压材料形成密度至少为60%
的表层。
43.根据权利要求42所述的制品,其中所述表层的密度至少为80%。
44.根据权利要求43所述的制品,其中所述表层的密度至少为95%。
45.根据权利要求44所述的制品,其中所述表层的密度至少为99%。
46.根据权利要求45所述的制品,其中所述表层是完全致密的。
47.根据权利要求1-46中任一项所述的制品,其中所述界面密度为至少约5界面/μm。
48.根据权利要求1-47中任一项所述的制品,其中所述界面密度为至少约10界面/μm。
49.根据权利要求1-48中任一项所述的制品,其中所述界面密度为至少约20界面/μm。
50.根据权利要求1-49中任一项所述的制品,其中所述界面密度为至少约500界面/μm。
51.根据权利要求3-50中任一项所述的制品,其中所述层压材料的空隙体积为至少
40%。
52.根据权利要求1、2或4-51中任一项所述的制品,其中所述空隙体积为至少60%。
53.根据权利要求52所述的制品,其中所述空隙体积为至少80%。
54.根据权利要求53所述的制品,其中所述空隙体积为至少90%。
55.根据权利要求1-54中任一项所述的制品,还包括与层压材料接触的导电冲击层。
56.根据权利要求55所述的制品,其中所述导电冲击层与所述工件接触。
57.根据权利要求2-56中任一项所述的制品,还包括与所述多个相互连接的支柱的至
少一部分接触的片材。
58.根据权利要求57所述的制品,其中所述片材是穿孔的。
59.根据权利要求57所述的制品,其中所述片材是固体。
60.根据权利要求57-59中任一项所述的制品,其中所述片材基本上是平面的。
61.根据权利要求57-60中任一项所述的制品,其中所述片材的第一侧和第二侧与所述
多个相互连接的支柱的一部分接触。
62.根据权利要求57-61中任一项所述的制品,其中所述片材与所述多个相互连接的支
柱的两个或多个顶点接触。
63.根据权利要求57-62中任一项所述的制品,其中所述片材沿着所述多个相互连接的
支柱中的两个或多个的长度与所述多个相互连接的支柱中的两个或多个接触。
64.根据权利要求57-63中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体中的至少一个多
面体的面基本上平行于所述片材的第一侧或第二侧并与所述片材的第一侧或第二侧接触。
65.根据权利要求57-64中任一项所述的制品,还包括与所述多个相互连接的支柱的至
少一部分接触的多个片材。
66.根据权利要求57-65中任一项所述的制品,其中所述多个相互连接的支柱的一部分
相对于所述片材形成直角。
67.根据权利要求57-66中任一项所述的制品,其中所述多个相互连接的支柱的一部分
相对于所述片材形成锐角。
68.根据权利要求57-67中任一项所述的制品,其中所述片材具有均匀的厚度。
69.根据权利要求57-67中任一项所述的制品,其中所述片材具有不均匀的厚度。
70.根据权利要求57-69中任一项所述的制品,其中所述片材包括选自金属、金属合金
层压金属、纳米层压金属、复合材料、玻璃纤维、陶瓷、天然纤维、陶瓷纤维布、天然纤维布、聚合布、金属布、橡胶、塑料及其组合的材料。
71.形成权利要求1-70中任一项所述制品的方法,包括:
在工件表面上沉积界面密度至少为2.0层/微米(μm)的层压材料。
72.根据权利要求71所述的方法,其中所述沉积包括气相沉积、喷涂、电沉积、无电沉积
或其组合。
73.根据权利要求72所述的方法,其中所述沉积包括电沉积。
74.根据权利要求73所述的方法,其中所述电沉积包括使用电位(恒电位)、电流(恒电
流)、脉冲电流、脉冲反向电流、调制电流、调制频率或连续过渡电流电
75.根据权利要求71-74中任一项所述的方法,还包括通过无电沉积将导电冲击层施加
到所述工件表面,所述导电层足以使所述工件具有足够的导电性,以允许电沉积层压材料。
76.根据权利要求71-75中任一项所述的方法,还包括在施加所述层压材料之前制备所
述表面,以增加表面的表面能。
77.根据权利要求71-76中任一项所述的方法,还包括通过化学蚀刻、原位蚀刻、机械磨
损、材料去除或其组合来活化工件表面。
78.根据权利要求77所述的方法,其中所述活化表面包括等离子蚀刻、机械蚀刻、砂磨、
粗化或喷砂
79.根据权利要求72-78中任一项所述的方法,其中所述电沉积包括:
将工件的至少一部分与包含可电沉积离子的电沉积浴接触;
向所述电沉积浴施加第一时间量的第一电流,从而使第一层电沉积到所述工件上,所
述第一层包括至少第一元素和第二元素;和
向所述电沉积浴施加第二时间量的第二电流,从而使第二层电沉积到所述第一层上,
所述第二层包括所述第一元素、所述第二元素或其组合。
80.根据权利要求71-79中任一项所述的方法,还包括制备所述工件。
81.根据权利要求80所述的方法,其中所述制备包括增材制造
82.根据权利要求80或81所述的方法,其中所述制备包括铸造、注射成型、吹塑、挤压
型、切割、机械加工铣削研磨、砂磨、抛光、喷砂、三维打印(3D打印)、选择性激光烧结(SLS)、烧结激光熔化(SLM)、熔融沉积成型(FDM)、立体平版打印(SLA)、连续液体界面打印(CLIP)、槽光聚合、粘合剂喷射、定向能量沉积、切割或形成机织物无纺布或泡沫片材或其组合。
83.根据权利要求80-82中任一项所述的方法,其中所述制备包括光聚合。
84.根据权利要求71-83中任一项所述的方法,还包括移除所述工件。
85.根据权利要求84所述的方法,其中移除所述工件包括蚀刻所述工件。

说明书全文

拓扑优化的高界面填充结构

[0001] 背景

技术领域

[0002] 本发明总体涉及包含多孔结构的高界面填充材料的制品及其制备方法。

背景技术

[0003] 自然界提供了许多实例,在层状结构中加入不同的材料,以生产比相同材料的混合物更硬更坚韧的复合材料。研究人员已经报道了通过在层状结构中配置陶瓷和聚合物
体来成功模拟自然界的增韧机制。所得材料的韧性是其组分韧性的300多倍(以能量计)。。
[0004] 数千年来,自然对高效结构材料的进化产生了人类已知的最轻、最坚韧和最坚硬的材料。这些材料已经进化到能够使物种移动、受保护和生存。自然进化的结构中有重量轻但结实的骨头(图1B;参见,例如,MacRae,A.,Fossil Dinosaur Bone Microstructure,
University ofCalgary atAlberta(恐龙骨骼显微结构化石,阿尔伯塔卡尔加里大学))、坚硬的巨嘴喙(图1A;参见,例如,Meyers,M.Engineers Discover Why Toucan Beaks are Models of Lightweight Strength,UCSD School ofEngineering Newsletter,2005(工程
师发现为什么巨嘴鸟是轻量级量的模范,加州大学圣迭哥分校工程学院通信,2005)),以及牡蛎和其它海洋生物坚硬而坚韧的外壳(图1C;参见,例如,R.Z.Wang,et  al.,
Deformation Mechanisms inNacre,Journal ofMaterials Research(珍珠层的变形机制,
材料研究杂志),16(9)2485-93(2001))。这些天然材料展现了优雅的材料特性组合,这些特性在人造材料中通常是互斥的,迄今为止一直是材料工程师所回避的。本领域仍然需要具
有高强度、韧性和/或硬度以及低密度和/或重量的改进层压材料。本公开提供了这一优点
和其它相关优点。

发明内容

[0005] 本公开描述了改进的材料和方法,其利用多标量、拓扑优化和层压来递送高界面填充(HIP)材料,例如工程结构材料(ESM),这种材料和方法克服了在均质散装材料中遇到
的传统材料-性能无法平衡的问题。在通过本文所述方法制成的结构材料中,有拓扑优化的轻质和超高性能结构材料,其通过结合具有高界面填充(HIP)的可定制纳米层压结构(参
见,例如,图2A中的SEM)而制成,所述HIP结构可以使用包括电沉积过程在内的室温过程来制备。
[0006] 电沉积通过在各种导电材料上形成层压材料,提供了一种在层压结构中连接不同材料的低成本方法,所述层压材料包括金属、合金、导电聚合物或通过施加导电涂层而导电的聚合物。这种层压材料可以被定制以生产具有结构性能的材料,所述结构性能具有独特
和所需的性能属性,例如与未涂覆的工件相比,具有更低密度的和更高的屈服强度韧性。
[0007] 本公开的实施方案提供了用于在三维(3D)结构上生产包括HIP材料的复合结构的方法。还有的实施方案通过控制材料的拓扑(密度级配)和界面密度(层压)对材料特性和性
能进行精确控制。本公开还描述了多标量性能模型的开发,所述多标量性能模型能够在纳
米到毫米长度的尺度上可靠地建模架构控制参数。
[0008] 本公开描述了一种性能模型,所述性能模型可以与生产模型耦合,以证明确定导致最佳性能的结构参数和电化学过程参数的可行性,所述电化学过程参数使得能够进行产
生目标微结构特征所需的微结构和纳米结构控制。此外,本公开描述了将硬度和韧性的相
互依赖性解耦以制造呈现高模量(刚度)和低密度的有利组合的材料。
[0009] 在某些实施方案中,构型受控材料表现出层状结构控制以及空间密度,以产生受控的HIP材料,所述材料不表现出与常规均匀复合材料相同的材料性能平衡。具体而言,本文所述的材料相对于组分相似的均质合金,在密度低10-100倍的情况下可实现其屈服强度
至少增加10倍,在强度或硬度同等增加的情况下,相比于组分相似的均质合金,其韧性增加
10倍。
[0010] 在其他的实施方案中,将HIP施加到包括密度分级的3D结构和3D多面体结构的3D结构上的层压材料的使用导致ESM具有诸如低重量和/或密度与强度、韧性和/或硬度相结
合的性能特征的组合。这些组合的性能特征不能从完全致密的均质材料获得。
[0011] 在其它方面,本公开提供了一种制品,所述制品包括空隙体积至少为40%的层压材料,所述层压材料具有至少2.0界面/微米(μm)(即每微米至少有2.0个界面)的界面密度。
[0012] 在另外的其他方面,本公开提供了制品,所述制品包括具有晶格结构(lattice structure)的层压材料,所述晶格结构包括多个互连的支柱,这些支柱形成向三个维度延
伸的一系列多面体,所述层压材料具有至少2.0界面/微米(μm)的界面密度。
[0013] 在其他方面,本发明提供了形成本发明制品的方法,包括在工件表面上沉积界面密度至少为2.0层/微米(μm)的层压材料。
附图说明
[0014] 参考附图描述详述。
[0015] 图1A-1C示出了自然界中拓扑优化的实例。图1A示出了巨嘴鸟喙的密度分级结构;图1B示出了密度分级的骨骼;图1C示出了层压珍珠层壳。
[0016] 图2A示出了具有1微米比例尺的纳米层压结构的扫描电子显微镜(SEM)照片。图2B示出了层压材料以演示界面密度的计算。
[0017] 图3示出了作为层厚度函数的界面建模。
[0018] 图4说明了架构控制和性能目标之间的关系。
[0019] 图5A-5C示出了HIP材料的实例。图5A示出了实验性纳米层压金属/聚合物结构;图5B示出了用于结构应用的纳米层压合金的SEM图;图5C示出了包含NiAl2O3/Pt的实验热障合金。
[0020] 图6示出了根据原子模拟得到的三种不同材料系统的强度随层厚度变化的函数。
[0021] 图7示出了强度随Nb厚度变化的函数。左侧和右侧插入物分别示出了厚度为5nm和2nm的Cu/Nb界面中的剪切应变分布。原子根据其剪切应变被阴影化,较暗的阴影表征较高
的剪切。Nb层越薄,剪切越强烈。在2nm的情况下,平均剪切应变为0.3,而在5nm的情况下,平均剪切应变为0.05。
[0022] 图8示出了使用电沉积方法制造拓扑优化微结构的结果,包括空间受控的层压/纳米层压表面密度(注意成品的完全致密的外部)。
[0023] 图9示出了材料强度-密度的阿什比图(Ashby Chart)模拟。拓扑优化的HIP材料用星形标记。
[0024] 图10A-10C示出了多尺度纳米层压泡沫状材料。图10A示出了泡沫或泡沫状结构的单元晶胞;图10B示出了微小尺寸的连接带(ligaments);以及图10C示出了纳米层压材料内的双材料纳米层结构,示出了衬底(点画线)和包含Nb层(\\\\)和Cu层(////)的层压材料。
纳米层压材料层的厚度不同,从最靠近衬底的层到最外层,其尺寸梯度减小。
[0025] 图11为拓扑优化空间的图形描述。
[0026] 图12为多孔结构内的模拟镍沉积。
[0027] 图13A-13C使用泡沫基底的横截面图描绘了三种不同类型的基底密度拓扑形貌,以举例说明不同的拓扑形貌。在图13A中,基底(泡沫)具有基本均匀的密度。在图13B和图
13C中,基板(泡沫)的密度朝向图的底部(在图13B和图13C之间的箭头方向)增加。在图13B
中,密度因形成泡沫泡孔的基底元素厚度的增加而增加。相反,在图13C中,由于构成泡沫的泡孔尺寸较小,密度增加,尽管构成泡沫基底泡孔的基底元素的厚度保持基本均匀。
[0028] 图14示出了已经施加了金属HIP材料的泡沫基底的横截面。泡沫基底在构成泡沫基底和HIP材料泡孔的基底元素的厚度方面均有变化。尽管所述图示出了基底元素(在这种
情况下是泡沫晶胞的壁)的厚度梯度在与热塑性塑料厚度相反的方向上增加,但是层压材
料厚度和基板厚度可以在相同的方向上变化。

具体实施方式

[0029] 本发明总体上涉及包含具有多孔结构的高界面填充(HIP)的材料,以及制造和使用所述材料的方法。
[0030] 在更详细地阐述本公开之前,提供在此使用的某些术语的定义可能有助于理解本公开。本公开中还说明了其它定义。
[0031] “工件”包括表面电沉积有层压材料的任何物品。换言之,工件是具有一定形状的物体,使得在施加给定厚度的层压材料后,产生具有所需形状和性能的制品。工件包括基底和心轴,基底是施加层压材料的物体,心轴是涂层基底,并且在形成后从基底移除。工件可以由导电材料(例如,金属)、由导电和非导电材料的混合物(例如,聚合物-金属混合物),或者涂覆有导电材料(例如,通过无电沉积涂覆有金属层的非导电材料)形成。
[0032] 在实施方案中,工件由聚合材料制成。在某些实施方案中,聚合材料包括芳香胺、丙烯酰胺、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚酰亚胺、聚醚酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯醚(PPO)、聚苯乙烯(PS)、聚苯醚(PPO)和聚苯乙烯(PS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚乙烯醇(PVA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、PC/ABS、纤维素纤维、聚苯砜(PPSU)、热固性塑料、PBI-PEEK、脲、环树脂、氰酸酯、聚酯或其任意组合。在某些实施方案中,聚合材料是塑料材料。
[0033] 在其它实施方案中,工件由金属或合金制成。在某些实施方案中,金属是合金。在所述实施方案中,钢合金可以包括:C和Fe;C、Fe和Mo;或者C、Fe、Mo和Co。在另外的实施方案中,合金可以包括Al、Cu、W、Mo或Ti。
[0034] 本公开实施方案中采用的工件可以是任何合适的工件。合适的工件通常是多孔材料。
[0035] “多孔材料”,包括泡沫,是三维材料,包括由一系列至少部分中空的多面体制成的至少部分中空的空隙结构(也称为“晶胞”)。多孔材料的实例包括图8、图10A和图11。每种多孔材料均有一个“空隙体积”,这是材料中“空”空间的量度。换言之,空隙体积是空隙体积占材料总体积的比例。多孔材料可以是闭孔或开孔,或者同时包括开孔和闭孔。在闭孔材料中,单个空隙结构完全包裹在制备多孔材料的材料中;在开孔材料中,单个空隙结构相互连接,使得流体或气体可以进入和/或穿过多孔材料中的空隙。在某些实施方案中,开孔多孔材料包括某些闭孔。在某些实施方案中,开孔多孔材料包括一个或多个闭孔部分。在某些实施方案中,多孔材料可以是开孔泡沫。
[0036] 在某些实施方案中,多孔材料形成具有在多面体顶点之间延伸的“支柱”(即晶格元素)的晶格结构,从而限定开放的空隙结构。这种支柱通常大到几毫米。在某些实施方案中,这种支柱在毫米或厘米的数量级。多孔材料可以由正多面体、不规则多面体或其组合的重复单元组成。因此,在某些实施方案中,多孔材料是晶格结构,其包括多个互连的支柱,这些支柱形成向三个维度延伸的一系列多面体。参见例如图11和12。在某些实施方案中,晶格结构由多个多面体形成,其中多面体的至少一个面保留,而多面体的其余面不存在。
[0037] “多边形”是具有至少三条基本笔直的边和至少三个的平面图形。“正多边形”是指所有角基本相等且所有边长基本相同的多边形。
[0038] “多面体”是一种三维几何结构,具有基本平的多边形面、基本笔直的边和顶点。“均匀多面体”是以正多边形作为面的多面体,并且是顶点可接触的。“正多面体”是具有相同面的多面体,可以是凸正多面体或星形多面体。“不规则多面体”是指至少有一个面与其余面不同的多面体。“三角化”多面体是指所有面都由三角形构成的多面体。
[0039] 如本文所用,“泡沫”是一种通常通过在液体或固体中捕获气包(pockets of gas)而形成的材料。在液体固化的条件下,通过在液体中捕获气包,在所得固体中产生晶胞网络。参见例如图8。如图8所示,泡沫可以包括一系列不规则多面体。
[0040] 泡沫可以是闭孔或开孔,或者同时包括开孔和闭孔。在闭孔中,单个气包完全包裹在制备泡沫的材料中,在开孔中,气包彼此连接,使得流体或气体可以进入和/或穿过泡沫中的空隙。在某些实施方案中,开孔泡沫包括某些闭孔。在所述实施方案中,开孔泡沫可以包括一个或多个闭孔部分。
[0041] 各种泡沫,包括非结构聚合物泡沫和热解聚合物泡沫,可以用作制备本文所述制品的工件。在某些实施方案中,这种泡沫用于生产ESM的过程中。所使用的泡沫通常是开孔的,这允许电沉积HIP材料,包括ESM。然而,也可以使用开孔和闭孔的混合物泡沫。在这些的实施方案中,在泡沫工件的一部分上产生ESM,而不处理泡沫工件的另一部分。
[0042] 可以使用的聚合物泡沫包括由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚氨酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚氯乙烯和其它热塑性聚合物材料组成的聚合物泡沫。热固性泡沫材料包括烯丙基树脂、醇酸树脂环氧树脂树脂、聚酯和乙烯基酯。此外,可以使用网状泡沫,例如网状玻璃碳泡沫(例如,ERG公司的 或试金石研究实验晶胞
(Touchstone Research Laboratory)的 )。也可以使用三角化的泡沫芯。
[0043] 在实施方案中,用于本公开的工件可以使用任何合适的方法形成。
[0044] 泡沫工件,特别是聚合物泡沫工件,可以通过本领域已知的任何方法(例如,使用物理或化学起泡/发泡剂(blowing/foaming agents))制备,包括吹塑。当泡沫工件在泡孔
尺寸上具有梯度时,它们可以使用将不同量的起泡/发泡剂引入用于制备泡沫的不同液体
层的技术来制备。或者,泡沫泡孔尺寸的梯度可以通过加热具有基本均匀泡孔尺寸的热塑
性泡沫以部分塌陷泡沫来实现。此外,在需要泡沫晶胞尺寸的步骤中,可以使用不同孔隙率的泡沫来制备层压工件。
[0045] 在某些实施方案中,工件通过增材制造(additive manufacturing)来制备。“增材制造”是指通过连续添加材料来制备三维工件。所述过程包括所有形式的直接数字制造,包括直接数字沉积、三维打印(3D打印)、选择性激光烧结(SLS)、烧结激光熔化(SLM)、熔融沉积建模(FDM)、光固化成型(SLA)、连续液体界面打印(CLIP)、槽光聚合、粘合剂喷射、直接能量沉积、织造或非织造织物的切割和/或成形、以及泡沫片材的切割和/或成形。
[0046] “直接数字制造”、“快速原型制造”(rapidprototyped或rapidprototyping)是指从数字模型制造任何形状的三维实体工件的增材制造过程。所述过程是一种添加过程,其中连续的材料层、带、珠或区域以不同的形状铺设或固化以形成三维制品。
[0047] “选择性激光烧结”(SLS)指的是这样一种过程:通过激光的作用使粉末床局部结合,以一次形成工件的一个横截面。
[0048] “熔融沉积建模”(FDM)指的是使用熔融材料(例如热塑性塑料)顺序构建所需形状的工件的过程。
[0049] “光固化成型”(SLA)是指液体聚合物通过光引发交联而局部固化的过程。在所述过程中,光被聚焦到未固化光敏聚合物容器的表面上,并“画出”所需的2D截面形状,产生固化的2D图案。重复这个过程产生所需形状的3D几何图形。
[0050] “层压物体制造”(LOM)是指使用薄层切割成形并连接在一起(例如纸、聚合物、金属)以形成所需的三维工件。
[0051] “槽光聚合”是指使用盛在槽中的液体聚合物树脂,紫外光每次固化一层树脂,并得到3D物体。
[0052] “粘合剂喷射”是指使用以动力为基础的材料散布到带有辊子的平台上。然后,打印头将粘合剂沉积到以动力为基础的材料上,并且/或者能量可以施加在该层上以使粉末基材料中存在的粘合剂粘附。根据期望形状的期望3D几何形状重复所述过程。对于金属基
粉末,可以烧结最终的3D形状以形成所需的金属合金和微结构。
[0053] “定向能量沉积”是指通过围绕物体移动喷嘴来沉积层并构建所需的3D形状,从而在固定的3D物体上沉积层。然后用激光或类似的能量源(电子束、等离子弧等)熔化或烧结沉积的材料。
[0054] “界面密度”是层的总厚度上的层界面数量(即总厚度)。如本文所用,“界面”是指层压层之间的界面。出于本公开的目的,界面不是指层压材料与工件之间的界面和/或层压材料与环境的界面(即层压材料表面)。具有多个层(L)的层压材料在各层之间具有L-1个界面,整个层的总厚度为(T)。层压材料的界面密度为(L-1/)T。例如,如图2B所示,层压材料具有九层(L=9)和1μm的总厚度。因此,在所述实例中,层压材料具有8界面/μm的界面密度。
[0055] “高界面填充”(HIP)是指每个单位厚度具有高密度层界面的层压材料。在某些实施方案中,这种层压材料是纳米层压材料。HIP层压材料可以具有大于每微米2、3、4、5、10、
20、50、100、200、300、400或500层界面的界面密度。在某些实施方案中,界面密度是在层压材料的整个厚度上计算的。在其它实施方案中,界面密度是在层压材料的部分厚度上计算
的。在这样的实施方案中,层压材料的部分厚度可以包括例如5、10、20、40、50或更多层。
[0056] “工程结构材料”(ESM)是HIP材料的一个子集,其中具有高密度层界面的层压材料被施加到非结构多孔材料上,所述多孔材料包括密度分级结构和晶格结构。因此,ESM加强了这种非结构性材料。在这样的实施方案中,与生产的制品相比,未改性的非结构材料可以具有小于25%的强度、硬度和/或韧性。在某些实施方案中,与生产的制品相比,未改性的非结构材料可以具有小于10%的强度、硬度和/或韧性。在另外的实施方案中,与生产的制品相比,未改性的非结构材料可以具有小于5%的强度、硬度和/或韧性。
[0057] “层压材料”包括电沉积到工件表面的薄层。因此,如本文所用,“层压材料”包括包层,包层由心轴表面上的一系列薄电沉积层制成,其中心轴在电沉积层形成后被移除。包层通常在形成后作为保护层固定在另一个制品上。
[0058] 如本文所用,“层压的”或“层压”是指包括两层或多层的材料。在某些实施方案中,层压材料包括至少3层、至少4层、至少5层、至少10层、至少20层、至少50层或至少100层。在实施方案中,层压或层压的是指由一系列交替或非交替方式的层组成的材料。交替层可以包括两种类型的层(例如A、B、A、B、A、B…),三种类型的层(例如A、B、C、A、B、C、A、B、C…),四种类型的层(例如A、B、C、D、A、B、C、D…),或更多类型的层。非交替层可以包括三种或更多不同类型的层。在某些实施方案中,非交替层包括四种或更多不同类型的层。如本文所用,层压材料包括纳米层压材料。
[0059] 在本公开的含义中,“纳米层压”或“纳米层压的”是包括两层或更多层的层压材料,其中每个单独层的厚度小于约1,000nm(即1μm)。换言之,本公开中“纳米层压材料”中的术语“纳米层压”是指层压材料中各层的厚度,而非由各个层组成的层压材料的总厚度。在实施方案中,“纳米层压”是指包括、基本上由或由一系列层压层组成的材料,每个层压层具有小于0.5μm的厚度。这里在此描述的方法特别适合于提供纳米层压材料;在某些实施方案中,纳米层压材料包括至少3层、至少4层、至少5层、至少10层、至少20层、至少50层或至少100层。
[0060] 如本文所用,“其余部分”或“组合物的其余部分”指的是组合物中没有明确量或范围定义的部分,或换言之,是组合物的其余部分。
[0061] “电沉积”或“电沉积的”分别指使用电解将层压材料沉积到工件上的过程或所得产品。换言之,工件(例如,金属、陶瓷等)与包含一种或多种离子的电解质溶液接触(例如,部分浸入或完全浸入),同时电流通过工件和电解质溶液,从而使薄层沉积在工件表面上。
[0062] 术语“波长”是指在电流密度是周期函数的实施方案中,在单个沉积循环中形成的两个相邻层的厚度。
[0063] “化学”是指自动催化镀覆,其中镀浴包含易于与工件反应的还原剂,催化剂是沉积在置于镀浴中的工件表面上的金属。
[0064] 如本文所用,“电解质”是指可以电镀一种或多种金属的电解质浴、电镀浴或电镀液。
[0065] “制品”描述了通过本文所述方法涂覆的工件成品。因此,制品是表面上具有层压材料、纳米层压材料或微层压材料的工件。在某些实例中,心轴被移除后,制品是包层。
[0066] “ASTM”是指总部位于宾夕法尼亚州西康索霍肯的美国测试和材料学会。本文所指的ASTM标准是ASTM在专利家族最早成员提出申请时颁布的最新标准,除非另有说明,例如说明标准的日期和/或版本。
[0067] 除非另有说明,所有以百分比给出的组合物都以重量百分比给出。
[0068] 术语“关于”具有本领域普通技术人员在与规定数值或范围结合使用时合理赋予的含义,即表示在规定值的±20%、规定值的±19%、规定值的±18%、规定值的±17%、规
定值的±16%、规定值的±15%、规定值的±14%、规定值的±13%、规定值的±12%、规定
值的±11%、规定值的±10%、规定值的±9%、规定值的±8%、规定值的±7%、规定值的
±6%、规定值的±5%、规定值的±4%、规定值的±3%、规定值的±2%、或规定值的±1%
的范围内,略大于或略小于所述数值或范围。
[0069] 术语“基本上”具有本领域普通技术人员在用于描述物品的物理特征时合理赋予的含义,即表示物品例如在参考特征的20%、参考特性的19%、参考特性的18%、参考特性的17%、参考特性的16%、参考特性的15%、参考特性的14%、参考特性的13%、参考特性的
12%、参考特性的11%、参考特性的10%、参考特性的9%、参考特性的8%、参考特性的7%、参考特性的6%、参考特性的5%、参考特性的4%、参考特性的3%、参考特性的2%、或参考特性的1%的范围内,很大程度上具有参考特征。例如,如果物品直径的任意两个测量值在彼此的20%、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、
5%、4%、3%、2%、或者1%的范围内,则所述物品可以被认为基本上是圆形的。当与比较词(例如,“第一层压材料基本上比第二层压材料厚”)结合使用时,基本上用于表示差异是参考特性的至少20%、参考特性的19%、参考特性的18%、参考特性的17%、参考特性的16%、参考特性的15%、参考特性的14%、参考特性的13%、参考特性的12%、参考特性的11%、参考特性的10%、参考特性的9%、参考特性的8%、参考特性的7%、参考特性的6%、参考特性的5%、参考特性的4%、参考特性的3%、参考特性的2%、或参考特性的1%。
[0070] 在某些实施方案中,如本文所用,“基本均匀的厚度”是指总厚度变化小于平均厚度的30%。可以规定更严格的公差,包括与平均表面厚度相差小于25%、20%、15%、10%或5%的公差。
[0071] 术语“一”、“一个”、“某一”(“a”、“an”、“the”)以及在描述本公开的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)使用的类似的冠词或术语应解释为涵盖单数和复数(即,“一个或多个”),除非本文中另有说明或者与上下文明显矛盾。这里列举的值的范围旨在用作单独引用落入所述范围内的每个单独值的简写方法。在本说明书中,除非另有说明,否则任何浓度范围、百分比范围、比率范围或整数范围都应理解为包括所述范围内的任何整数
的值,以及适当时包括其分数(例如整数的十分之一和百分之一)。此外,除非另有说明,否则本文所述的与任何物理特征相关的任何数量范围,例如尺寸或厚度,应理解为包括所述
范围内的任何整数。除非本文另有说明,否则每个单独的值都被结合到说明书中,就好像它在本文中被单独引用一样。
[0072] 备选方案(例如,“或”)的使用应理解为是指备选方案中的一种、两种或其任意组合。上述各种实施方案可以被组合以提供另外的实施方案。在此描述的本公开的备选元素或实施方案的分组不应被解释为限制。分组中的每个元素可以被单独引用和要求保护,或
者与分组中的其它成员或在此找到的其它元素进行任意组合。
[0073] 这里公开的每个实施方案可以包括、基本上由或由特定的所述元素、步骤、组分或组分组成。术语“包含”是指“包括但不限于”,并允许包含未指明的元素、步骤、组分或组分,即使是主要量。短语“包括”不包括任何未指定的元素、步骤、组分或组分。短语“基本上由…组成”将实施方案的范围限制为特定的元素、步骤、组分或组件,以及那些实质上不影响所要求保护的公开的基本和新颖特征的元素、步骤、组分或组件。
[0074] 制品
[0075] 如上所述,本公开提供了包含HIP材料的制品。在实施方案中,HIP材料是工程结构材料(ESM)。
[0076] 在实施方案中,HIP材料具有至少2.0界面/微米(μm)的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有至少约5界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有至少约10界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有至少约20界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有至少约50界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,在某些实施方案中,HIP材料具有至少约200界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有至少约300界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有至少约400界面/μm的界面密度。
在某些实施方案中,HIP材料具有至少约500界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有至少约600界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有至少约750界面/μm的界面密度。
[0077] 在某些实施方案中,HIP材料具有范围从约5界面/μm到约2,000界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有范围从约10界面/μm到约1,000界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有范围从约20界面/μm到约750界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,HIP材料具有范围从约50界面/μm到约500界面/μm的界面密度。在某些实施方案中,热塑性塑料材料的界面密度范围为约100界面/μm至约2,000界面/μm。在某些实施方案中,热塑性塑料材料的界面密度范围为约500界面/μm至约1,000界面/μm。在某些实施方案中,热塑性塑料材料的界面密度范围为约400界面/μm至约1500界面/μm。
[0078] 本公开的HIP材料包括重复图案的多个层。在某些实施方案中,多个层由交替的两层组成。在另外的实施方案中,HIP材料包括多个交替的第一和第二层。在实施方案中,HIP材料包括具有组分第一组成的第一层和具有组分第二组成的第二层。在这样的实施方案
中,第一层和第二层在晶粒尺寸、缺陷密度、晶粒取向、金属组分、无定形金属玻璃含量或其组合中的至少一个方面不同。在另外的实施方案中,这种HIP材料包括交替的第一层和第二层。
[0079] 在实施方案中,基于显微照片中的粒度测量,第一层独立地具有约1nm至1,000nm的平均粒度。在某些实施方案中,基于显微照片中的粒度测量,第二层独立地具有约1,
000nm至5,000nm的平均粒度。在特定实施方案中,第一层和第二层具有高度的孪晶,并且相对于具有相同平均组成且晶粒尺寸至少为5,000nm的电沉积金属或合金,HIP材料具有更高
的硬度、拉伸强度、耐腐蚀性或其组合。
[0080] 可选地,一个或多个附加层可以存在于HIP材料中任何第一和第二层之间。在其它实施方案中,多个层由以任何合适的方式重复的两个以上的层组成(例如,A-B-A-B-A-B-C
或A-B-C-B-A-B-C)。此外,多个层中的每一层的厚度可以以任何合适的方式重复。
[0081] HIP材料的每一层可以包括金属、金属合金或陶瓷。在实施方案中,HIP材料的每层独立地包括至少一种可电沉积物质,其独立地选自(Ag)、(Al)、金(Au)、(B)、铍(Be)、碳(C)、钴(Co)、铬(Cr)、(Cu)、铁(Fe)、汞(Hg)、铟(In)、铱(Ir)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、铌(Nb)、钕(Nd)、镍(Ni)、磷(P)、钯(Pa)、铂(Pt)、铼(Re)、铑(Rh)、锑(Sb)、(Si)、(Sn)、铅(Pb)、钽(Ta)、(Ti)、钨(W)、(V)、锌(Zn)和锆(Zr)。在某些实施方案中,HIP材料的每层独立地包括至少0.01%(w/w)的Ag、Al、Au、B、Be、C、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Si、Sn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn、或Zr。每种可电沉积物质可以以约0.1%、约0.05%、约0.01%、约0.005%或约0.001%的质量浓度存在于HIP材料层中。
[0082] 在实施方案中,HIP材料是金属层压材料(例如,纳米层压材料)。在某些实施方案中,金属层压材料为HIP材料提供了多种优势,包括ESM。金属纳米层压材料显示出高应变速率屈服和拉伸强度,而不损失延展性,远远超过(3-6倍)具有类似组成的后处理均质材料。
层压材料(例如,纳米层压HIP材料)当设计成具有高界面体积比以及化学和形态稳定的界
面时,可以具有超高强度、高抗疲劳损伤性和耐辐照损伤性。涉及这些类型的层压材料(例如,纳米层压材料HIP材料)的研究已经证明在冲击韧性,耐磨性,阻尼,硬度,刚度和其他特性方面具有优异的性能,这些特性在结构材料的设计中是关键的。通过层压材料(即非均匀层压材料;参见例如图5A-5C)中的杠杆现象,可获得具有更高结构、腐蚀和高温性能的HIP材料(例如ESM)。
[0083] 在某些实施方案中,HIP材料的第一和第二层均包括铝和硅。在某些实施方案中,HIP材料的第一和第二层均包括Cu和Nb。在另外的实施方案中,HIP材料的第一和第二层均
包含Cu和Ni。在特定实施方案中,HIP材料的第一和第二层均包含Ni和Fe。在某些实施方案中,HIP材料的第一和第二层均包含Al和Fe。在另外的实施方案中,HIP材料的第一和第二层均包含Ni和Al。
[0084] 在实施方案中,HIP材料包括AlZn、AlSi、CuNb、CuNi、NiFe、AIFe、NiAl、NiCr、NiCo、NiCrCo、NiCrAl、NiFeAl、NiCoAl、NiCrCoAl、NiMo、NiCrMo、NiFeMo、NiCoMo、NiCrCoMo、NiW、NiCrW、NiFeW、NiCoW、NiCrCoW、NiNb、NiCrNb、NiFeNb、NiCoNb、NiCrCoNb、NiTi、NiCrTi、NiFeTi、NiCoTi、NiCrCoTi、NiCrP、NiCoP、NiFeP、NiCrSi、NiCrB、NiCoSi、NoCoB、NiFeSi、NiFeB、ZnCr、ZnFe、ZnCo、ZnNi、ZnCrP、ZnCrAl、ZnFeP、ZnFeAl、ZnCoP、ZnCoAl、ZnNiP、ZnNiAl、ZnCrSi、ZnCrB、ZnFeSi、ZnFeB、ZnCoSi、ZnCoB、ZnNiSi、ZnNiB、CoCr、CoFe、CoCrP、CoFeP、CoCrAl、CoFeAl、CoCrSi、CoFeSi、CoCrB、CoFeB、CoAl、CoW、CoCrW、CoFeW、CoTi、CoCrTi、CoFeTi、CoTa、CoCrTa、CoFeTa、CoC、CoCrC、CoFeC、FeCr、FeCrP、FeCrAl、FeCrSi、或FeCrB。在某些实施方案中,HIP材料包括CuNbNi。
[0085] 每个层独立地具有独立地选自约0.5nm到约2,000nm的范围的厚度。在实施方案中,每个层独立地具有独立地选自约1nm至约1,500nm的范围的厚度。在某些实施方案中,每个层独立地具有独立地选自约1nm到约1,000nm的范围的厚度。在另外的实施方案中,每个
层独立地具有独立地选自约2nm到约100nm的范围的厚度。在另外的实施方案中,每个层独
立地具有独立地选自约5nm到约70nm的范围的厚度。在又一实施方案中,每个层独立地具有独立地选自约0.5nm至约50nm的范围的厚度。在某些实施方案中,每个层独立地具有独立地选自约1nm至约20nm的范围的厚度。
[0086] 在实施方案中,HIP材料是纳米层压HIP材料。
[0087] 各个层之间的界面可以是离散的或扩散的。如果组合物在第一层和第二层之间移动的距离小于两层中较薄层厚度的约20%,相邻层之间的界面被认为是“离散的”。在实施方案中,如果组合物在第一层和第二层之间移动的距离小于层中较薄层厚度的约15%,相
邻层之间的界面被认为是离散的。在某些实施方案中,如果组合物在第一层和第二层之间
移动的距离小于薄层厚度的约10%,相邻层之间的界面被认为是离散的。在另外的实施方
案中,如果组合物在第一层和第二层之间移动的距离小于层中较薄层厚度的约5%,相邻层之间的界面被认为是离散的。在其它实施方案中,如果组合物在第一层和第二层之间移动
的距离小于层中较薄层厚度的约2%,相邻层之间的界面被认为是离散的。
[0088] 在实施方案中,如果组合物在第一层和第二层之间移动超过两层中较薄层厚度的约20%,则界面是“扩散的”。在实施方案中,如果组合物在第一层和第二层之间移动的距离大于较薄层厚度的约15%,相邻层之间的界面被认为是扩散的。在某些实施方案中,如果组合物在第一层和第二层之间移动的距离大于薄层厚度的约10%,相邻层之间的界面被认为
是扩散的。在另外的实施方案中,如果组合物在第一层和第二层之间移动的距离大于层中
较薄层厚度的约5%,则相邻层之间的界面被认为是扩散的。在另外的实施方案中,如果组合物在第一层和第二层之间移动的距离大于较薄层厚度的约2%,相邻层之间的界面被认
为是扩散的。
[0089] 在实施方案中,扩散界面在约0.5nm至约5nm的厚度范围内,在第一层和第二层之间组分变化。在某些实施方案中,扩散界面的厚度在约0.5nm至约3nm的范围内。在另外的实施方案中,扩散界面的厚度在约0.5nm至约1nm、约1nm至约2nm或约2nm至约3nm的范围内。
[0090] 具有离散层的双金属纳米层压材料的界面通常具有相干或非相干界面。可以看出这些界面上相互作用的差异,例如,面心立方和体心立方系统之间的相互作用。例如,具有立方对立方取向的面心立方(FCC)FCC/FCC CuNi系统具有相干界面,其中原子排列和滑移
系统在界面上是连续的,而具有库德朱莫夫-萨克斯(Kurdjumov-Sachs)取向的面心立方
CuNb系统具有不相干界面,其中滑移系统不是连续的。
[0091] 一般认为,相干系统更具延展性,其增加的强度在很大程度上取决于界面作为层间位错传输屏障的能力。Hoagland,R.G.,T.E.Mitchell,J.P.Hirth,and H.Kung,On the 
strengthening effects of interfaces in multilayer fee metallic composites,82
(4)Philosophical MagazineA(关于多层金属复合材料界面强化效应的研究,哲学杂志A),
643-664,2002。不相干的界面通常更强;它们充当滑移传递的障碍,剪切较弱,并充当位错源,导致界面剪切。
[0092] HIP材料的总厚度在制品的不同位置可能有很大的不同。在某些实施方案中,HIP材料具有基本均匀的厚度。在其它实施方案中,HIP材料的厚度在至少一个维度上变化。在这样的实施方案中,HIP材料的厚度可以随着制品的深度而变化。在HIP材料具有晶格结构
的某些实施方案中,HIP材料的厚度随着晶格结构的深度而变化。
[0093] 本文所述的HIP材料可以包括许多层。这种HIP材料可以包括至少5层。在实施方案中,HIP材料包括至少10层。在某些实施方案中,HIP材料包括至少20层。在另外的实施方案中,HIP材料包括至少50层。在另外的实施方案中,HIP材料包括至少100层。在又一实施方案中,HIP材料包括至少200层。在更另外的实施方案中,HIP材料包括至少500层。
[0094] 每种HIP材料均有一个表层,即与外界环境接触的层。在实施方案中,表层具有至少60%的密度(即,将工件视为几何实体时的表面积覆盖百分比)。在某些实施方案中,表层具有至少75%的密度。在另外的实施方案中,表层具有至少80%的密度。在另外的实施方案中,表层具有至少90%的密度。在又一实施方案中,表层具有至少95%的密度。在另外的实施方案中,表层具有至少99%的密度。在另外的实施方案中,表层是完全致密的。当表层完全致密时,层压材料完全填充工件。
[0095] 通常,通过将HIP材料沉积在工件表面上来制备包含本公开的HIP材料的制品。在某些实施方案中,工件存在于最终制品中。在其它实施方案中,在最终制品的制备过程中,工件被移除。
[0096] 多种工件可用于制备本公开的制品,包括多孔材料(例如泡沫)。在某些实施方案中,工件是开孔多孔材料。
[0097] 工件和最终的HIP材料可以具有至少40%的空隙体积。在实施方案中,工件和所得HIP材料具有至少50%的空隙体积。在某些实施方案中,工件和所得HIP材料具有至少60%
的空隙体积。在其它实施方案中,工件和所得HIP材料具有至少70%的空隙体积。在另外的实施方案中,工件和所得HIP材料具有至少80%的空隙体积。在另外的实施方案中,工件和所得HIP材料具有至少90%的空隙体积。在另外的实施方案中,工件和所得HIP材料具有至
少95%的空隙体积。在更另外的实施方案中,工件和所得HIP材料具有至少97%的空隙体
积。在又一实施方案中,工件和所得HIP材料具有至少99%的空隙体积。
[0098] 因此,本公开的实施方案包括一种制品,所述制品包括空隙体积至少为40%的层压材料,所述层压材料具有至少2.0层/μm的界面密度。
[0099] 在实施方案中,工件和所得HIP材料具有晶格结构,所述晶格结构包括多个互连的支柱,这些支柱形成在三维方向上延伸的一系列多面体。在某些实施方案中,工件包括由在多面体的相邻顶点之间延伸的一系列支柱形成的一系列开放多面体。层压材料和晶格结构
特性对ESM的综合影响如图4中的阿什比(Ashby)覆盖图所示。
[0100] 因此,本公开的实施方案包括一种制品,所述制品包括具有晶格结构的层压材料,所述晶格结构包括多个相互连接的支柱,这些支柱形成向三个维度延伸的一系列多面体,所述层压材料具有至少2.0层/μm的界面密度。
[0101] 晶格结构的多个互连支柱可以具有从约0.5μm到约10μmm(毫米)的平均长度。在某些实施方案中,晶格结构的多个互连支柱具有从约1μm到约500μm的平均长度。在另外的实施方案中,晶格结构的多个互连支柱具有从约0.5mm到约5.0μmm的平均长度。
[0102] 在某些实施方案中,晶格结构的多个互连支柱具有从约1μm到约10μmm、约1μm到约500μm、约10μm到约100μm、约10μm到约500μm、约20μm到约200μm、约20μm到约500μm、约50μm到约300μm、约50μm到约500μm、约0.5mm到约1.0μmm、约0.5mm至约5.0μmm、约1.0μmm至约5.0μmm、约0.2mm至约2.0μmm、约0.2mm至约5.0μmm、或约5.0μmm至约10.0μmm的平均长度。在另外的实施方案中,多个互连支柱的平均长度范围为1μm至约500μm、约10μm至约100μm、约10μm至约200μm、约10μm至约500μm,约20μm至约200μm、约20μm至约500μm、约50μm至约300μm、约
50μm至约500μm、约75μm至约250μm、约75μm至约500μm、约100μm至约300μm或约100μm至约
500μm。
[0103] 晶格结构的多个互连支柱的厚度可以在至少一个维度上变化。在某些实施方案中,晶格结构的多个互连支柱的厚度随着晶格结构的深度而变化。
[0104] 在实施方案中,多个相互连接的支柱是中空的。在这样的实施方案中,多个互连支柱的壁厚可以在至少一个维度上变化。在某些实施方案中,多个互连支柱的壁厚随着晶格结构的深度而变化。
[0105] 一系列多面体可以包括四面体、八面体、立方体、立方八面体、二十面体、十二面体、正方形金字塔、棱镜(三角形、矩形、五边形、六边形等),或其组合。
[0106] 在实施方案中,一系列多面体包括基本相同的多面体。在其它实施方案中,一系列多面体包括两种或多种不同类型的多面体。在实施方案中,至少一个多面体是正多面体。在某些实施方案中,大多数多面体是规则的。在另外的实施方案中,多个多面体是规则的。在实施方案中,至少一个多面体是不规则的。在某些实施方案中,大多数多面体是不规则的。在另外的实施方案中,多个多面体是不规则的。
[0107] 一系列多面体可以包括均匀多面体,例如四面体、八面体、立方体、立方八面体、二十面体、十二面体或它们的组合。可以采用的规则均匀多边形包括四面体、八面体、二十面体或它们的组合。在某些实施方案中,一系列多面体包括非均匀多面体,例如正方形金字塔、棱柱(三角形、矩形、五边形、六边形等),或其组合。
[0108] 在实施方案中,至少一个多面体被三角化。在某些实施方案中,大部分多面体被三角化。在某些实施方案中,所述一系列多面体的大部分包括、基本上包括或由三角多面体组成。“基本上由”在本文中是指工件的一系列多面体的一半以上包含特定元素。在另外的实施方案中,多面体被三角化。在某些实施方案中,三角多面体是四面体、八面体或二十面体。在实施方案中,大多数多面体包括四面体、八面体、二十面体或它们的组合,或者基本上由它们组成,或者由它们组成。在其它实施方案中,大多数多面体包括四面体、基本上由四面体组成,或者由四面体组成。在另外的实施方案中,大部分多面体包括、基本上包括或由八面体组成。在另外的实施方案中,大多数多面体包括、基本上包括或由二十面体组成。
[0109] 在实施方案中,所有多面体包括四面体、八面体、二十面体或它们的组合,或者基本上由它们组成,或者由它们组成。在其它实施方案中,所有多面体包括四面体、基本上由四面体组成,或者由四面体组成。在另外的实施方案中,所有多面体包括、基本上由八面体组成,或者由八面体组成。在另外的实施方案中,所有多面体包括、基本上由二十面体组成,或者由二十面体组成。
[0110] 一系列这样的多面体可以包括至少100个多面体。在某些实施方案中,一系列多面体包括至少500个多面体。在另外的实施方案中,一系列多面体包括至少1,000个。在另外的实施方案中,一系列多面体包括至少10,000个。在又一实施方案中,一系列多面体包括至少
100,000个。这样的一系列多面体可以布置在至少两个平面中。在实施方案中,一系列多面体布置在三个或更多平面中。在某些实施方案中,一系列多面体布置在四个或更多平面中。
在另外的实施方案中,一系列多面体布置在五个或更多平面中。在另外的实施方案中,一系列多面体布置在十个或更多个平面中。
[0111] 一系列多面体中的多面体可以在至少一个维度上改变尺寸。在某些实施方案中,多面体的尺寸随着晶格结构的深度变化。
[0112] 在某些实施方案中,工件还包括非多面体元素,例如球形元素、圆柱形元素或者两者都包括。在另外的实施方案中,工件包括不规则形状的元素。当制品预计用作装置的一部分时,可能会出现这样的实施方案。
[0113] 在实施方案中,工件是开孔泡沫。在某些实施方案中,开孔泡沫的孔尺寸在至少一个维度上变化。在某些实施方案中,开孔泡沫的孔尺寸随着工件的深度而变化。在某些实施方案中,开孔泡沫的孔尺寸从工件的外表面向中心减小,并从工件的中心区域向相对的外表面增大。在这样的实施方案中,工件可以包括由多个多面体和互连支柱包围的空腔。
[0114] 在某些实施方案中,工件的密度是分级的。工件可具有密度梯度,使得在没有HIP材料的情况下,工件未占据的空间量在至少一个维度上增加或减少。换言之,在应用HIP材料之前,空隙空间的量在至少一个维度上变化。具有密度分级的工件的实例包括泡沫工件
(例如开孔泡沫),其在整个厚度上具有连续增加的孔尺寸;由一系列泡沫层压层形成的工
件;具有重复单元的晶格结构(例如,中空多面体金属或聚合物晶格,其沿着多面体的边缘具有支柱),所述晶格结构具有可变的支柱厚度,晶格内的空隙空间随之变化;由具有一个或多个重复多面体的多孔材料形成的工件,其中多面体的整体尺寸和晶格元素本身的厚度
可以变化;或其组合。
[0115] 在某些实施方案中,工件拓扑通过分层一系列密度越来越高的泡沫层而分级。在其它实施方案中,工件通过在其厚度上具有增加量的空隙空间而分层(例如,泡沫具有在单元尺寸上连续变化的层)。在另某些实施方案中,工件具有中空或部分中空的晶格结构,所述晶格结构从顶点相交的支柱沿着一个或多个规则和/或重复多面体元素的边缘形成。
[0116] 工件密度梯度可以在工件厚度上单调增加或减少,或者可以在工件内达到最大值或最小值(例如,在工件厚度上密度增加到一定程度然后降低),或者在工件厚度上具有多
个局部密度最大值和/或最小值。
[0117] 除了工件厚度上的工件密度梯度之外,施加到工件上的HIP材料也可能存在梯度。这样,施加到工件上的HIP材料也可以分级(例如,从最靠近工件的层(首先施加)到最外层
(最后施加)。HIP材料中的梯度可以在层厚度、层组成、缺陷密度、晶粒尺寸或其组合上变化(例如,参见图10B和图10C)。
[0118] 如同在其上施加HIP材料的下层工件一样,梯度可以在HIP材料的厚度上单调增加或减少,或者可以在层厚度、层组成、缺陷密度、晶粒尺寸或其组合中的任何一个中具有一个或多个局部最大值或最小值。应当理解,HIP材料不需要变化,而是可以在整个厚度上性质一致。
[0119] HIP材料的拓扑可以在多个层次上控制。通过在3D空间中形成被设计为将HIP材料定位到特定位置和特定形式的工件,可以获得HIP材料的整体3D控制。此外,采用电化学方法生产HIP材料的实施方案具有高投掷能力(highthrowing power)并允许非视距电沉积
(non-line ofsight electrodeposition),这允许在3D空间中的复杂几何表面上沉积。除
了能够生产具有密度分级(即拓扑优化)结构的制品,HIP材料厚度的变化(例如层压材料密
度的变化大于10%)也可以结合到制品中,其中HIP材料在整个结构中具有基本相同的厚度
(即基本均匀的厚度)。
[0120] 当应用于ESM时,设计用于将HIP材料以特定形式定位到三维空间中特定位置的工件可通过提供HIP材料的整体三维控制来形成ESM。在某些实施方案中,使用具有高投掷能
力并允许非视距电沉积的电化学过程来生产ESM,所述非视距电沉积允许在3D空间中的复
杂几何表面上沉积。在另外的实施方案中,ESM在整个结构中具有基本相同的厚度(即,基本均匀的厚度)。在其它实施方案中,ESM的厚度是变化的(例如,层压材料密度变化大于
10%)。
[0121] 图8示出了电化学过程的进展。板(a)示出了在泡沫工件上生产HIP材料的第一时间点。板块(b)示出了在泡沫工件上生产HIP材料的第二时间点时的横截面。板块(a)-(d)上示出了电沉积在聚合物泡沫上的纳米层压金属HIP材料的三个视板块。板块(c)和(d)分
别示出了在泡沫工件上生产的HIP材料的最终制品的外部视板块和横截面。板块(c)和(d)
的实施方案示出了具有完全致密的外层。
[0122] 图8所示电化学过程的进展证明了在非结构泡沫晶格上施加纳米层压材料同时控制施加到泡沫上的纳米层压材料层以赋予结构强度、韧性或其组合的能力。此外,如完全致密的外层所证明的,沉积物密度是受控的。在实施方案中,工件的至少一部分涂覆有细晶粒金属涂层,以代替HIP材料或除HIP材料之外。
[0123] 在多种实施方案中,制品还包括与HIP材料接触的导电冲击层。在某些这样的实施方案中,导电冲击层可以进一步接触工件。
[0124] 这种多孔材料可以与标准结构元素结合,例如固体片、穿孔片(具有孔或孔的片)、管等,以制备要应用HIP材料的工件。本公开的物品还可以包括与多个互连支柱的至少一部分接触的片材。在实施方案中,物品包括与多个互连支柱的至少一部分接触的多个片材。在某些实施方案中,这种片材是穿孔的。在其它实施方案中,这种片材是实心的。在某些实施方案中,这种片材基本上是平面的。在另外的实施方案中,这种片材具有均匀的厚度。在这样的实施方案中,片材的厚度变化可以小于10%。在其它实施方案中,这种片材厚度不均匀。在这样的实施方案中,片材的厚度变化可以大于10%。
[0125] 在某些实施方案中,这种片材包括选自金属、金属合金、层压金属、纳米层压金属、复合材料、玻璃纤维、陶瓷、天然纤维、陶瓷纤维布、天然纤维布、聚合布、金属布、橡胶、塑料及其组合的材料。
[0126] 在实施方案中,片材的第一侧和第二侧与互连支柱的至少一部分接触。在某些实施方案中,片材与多个互连支柱的两个或多个顶点接触。在实施方案中,片材沿着支柱的长度与多个互连支柱中的一个或多个接触。在某些实施方案中,片材沿着两个或多个互连支
柱的长度与两个或多个互连支柱接触。在实施方案中,一系列多面体中的至少一个多面体
的面基本平行于片材的第一侧或第二侧并与之接触。
[0127] 在各种实施方案中,多个互连支柱的一部分相对于片材形成直角。在某些实施方案中,多个互连支柱的一部分相对于片材形成锐角。
[0128] 纳米层压复合材料的强度归因于这样一个事实,即这些材料具有极高的界面体积比(数量级108m2/m3),其中螺纹位错被限制在它们各自的层中。随着单个层厚度的减小,在微米级观察到的位错堆积变得越来越困难,最终变得不可持续。在这种情况下,塑性由单一位错机制控制,主要基于奥罗万(Orowan)弯曲及其特定的相互作用。根据奥罗万弯曲的经
典有限塑性模型,强度增加为 其中h为层厚。然而,这种预测低估了真实系统中
测量的强度。
[0129] 差异的主要来源是弯曲位错和界面位错之间的相互作用,由于早期位错弯曲,界面位错被沉积为“拖臂”。位错动力学(DD)分析将弯曲位错和与其路径相交的正交界面位错之间的最强相互作用确定为包含位错的共线伯格斯(Burgers)矢量。其它DD分析也报告了
由于这种相互作用而产生的增强效应。尽管这种相互作用的强度预测更好地匹配了观察到
的结果,但它们没有提供完整的答案。对弯曲位错和平行平面上预沉积界面位错之间相互
作用的研究表明,需要与平面之间的间距成比例的附加应力来传播与界面位错符号相同的
位错。上述发现表明,纳米层压材料的强度不能简单地基于一个或几个重要过程来预测。位错的符号是指描述晶格中位错引起的晶格畸变的大小和方向的伯格斯矢量的方向。
[0130] 平行界面上相似位错之间相互作用的含义是在HIP材料中存在最小的位错间距,低于所述间距位错不能相互靠近。这些HIP材料中的另一个关键强化机制是两个相同符号
的界面位错相互作用形成洛美(Lomer)位错,所述位错通常不能滑动,因为其伯格斯矢量不在滑动平面上。这一机制对两个主要性质有重要影响:(a)位错恢复,因此在HIP材料中损伤积累,和(b)纹理和晶格取向保持,例如在Cu/Nb系统中观察到的,所述系统通过轧制经历了高达60%厚度减少的大塑性变形。这些结果导致以下形式的HIP材料强度的关系。
[0131]
[0132] 其中E是某一平均弹性性质,b是伯格斯矢量,h是层厚度,α,β,m,γ是材料常数,l是界面和失配位错之间的平均间距。式(1)中的第一项清楚地表明强度对层厚度的强烈依赖性,并且可以预测实验测量的硬度。分析模型也与图6中总结的分子动力学模拟的结果一致。所提出的DD和MD计算的一个重要结果是,它们导致了一个可通过实验验证的最佳层设
计。Misra,A.,H.Kung,D.Hammon,R.G.Hoagland,and M.Nastasi,Damage Mechanisms in 
Nanolayered Metallic Composites,12International Journal of Damage Mechanics
(纳米层压金属复合材料的损伤机制,国际损伤力学杂志),365(2003)。
[0133] 式(1)右侧的第二项是变形过程中界面位错累积导致应变硬化的度量。这一术语意味着应变硬化也可以显著增强纳米层压材料的强度,提高两倍之多。Mastorakos,I.,
N.Abdolrahim,and H.M.Zbib,Deformation Mechanisms in Nano-composite Metallic 
Structures,Int.52J.Mechanical Science(纳米复合金属结构中的变形机制,机械科学杂
志)295-302(2010)。
[0134] 使用膨胀测试和纳米压痕对包含具有不同层厚的三金属组分(例如CuNbNi)的多层HIP材料的测试表明,三金属系统可以比双金属系统(例如CuNi)更强,可以表现出显著的应变硬化,可以表现出延展性,并且可以在最佳层设计下与CuNb系统一样强。通过建模和经验分析对配置进行优化,产生了三层CuNiNb系统,其层厚方案分别为3nm/5nm/5nm(见图7)。
[0135] 因此,有可能使用具有特定韧性的HIP材料:与层压材料相近的硬度比,例如在ESM中,并通过设计生产高硬度和低密度材料。
[0136] 通过将HIP材料与多孔材料相结合,有可能克服传统泡沫芯结构中的接头缺陷。当应力施加到这些HIP材料上时,层压板表现出抵抗变形的交错压缩和拉伸模式。
[0137] 包括电沉积层压材料(例如纳米层压材料)的HIP材料(包括ESM)的建模已经确定了界面相互作用和尺度特性对材料性能的影响。界面相互作用和与制备本文所述的ESM相
关的尺度特征,包括层压/纳米层压层厚度、层密度、界面中的相干性和不相干性(晶格失
配)。使用不同的层厚度提供了一种机制,所述机制用于通过包括厚度不同的层来优化分层的层压材料结构的性能,作为提供界面交叉/界面剪切机制的受控结合的手段,将位错限制到单个层或单个层的子组(例如,相邻的子层),使用不同的层厚度还提供了导致位错堆积
的机制。图3示出了界面相互作用的模型,尤其是作为层厚度的函数影响强度的界面相互作用的模型。HIP材料的韧性(能量吸收)和刚度(例如,结合到ESM中)可以用类似的图形分析
来表示。
[0138] 应用于包括密度分级工件的3D结构上的HIP材料(例如纳米层压HIP材料)的使用导致HIP材料(例如ESM)具有诸如低重量或低密度与强度、韧性、硬度或其组合的性能特征
的组合。这种综合性能特征无法从完全致密的均质材料中获得。
[0139] 如图8所示,纳米层压HIP材料被施加到非结构泡沫上,以形成坚硬且坚韧但重量轻的结构。在某些实施方案中,施加有HIP材料的工件具有重复中空或部分中空多面体的晶格结构。参见例如图10A和图11。
[0140] 多孔材料(例如泡沫)提供了源自多孔结构的独特性能组合,使得它们适用于许多结构应用,例如缓冲,以及用于吸收冲击动能的系统。然而,由于它们的网状结构,可以实现的宏观材料性能是有限的。
[0141] 例如,密度和强度往往是联系在一起的,一个增加,另一个也增加。根据吉布森(Gibson)和阿什比(Ashby)的经典模型和直接的尺寸参数,泡沫的总屈服强度 与制造泡
沫的固体的固有强度σ和式(2)所示的相对密度(P/Ps)有关。
[0142]
[0143] 其中 泡沫密度,P是固体密度,C是由数值确定的比例常数,乘方n取决于泡孔几何形状(例如,对于相对密度低的理想开孔,n=2/3)。
[0144] 类似地,对于断裂韧性,如式(3)所示:
[0145]
[0146] 其中σfs为固体的断裂强度,而L是泡沫晶胞的晶带的平均尺寸。这两个关系虽然是在理想情况下推导出来的,但示出了韧性、强度和密度三个特性之间的相互关系,或者等效于晶带尺寸,并阐明了基于泡沫设计的经典方法所能达到的特性极限。
[0147] 虽然这些经典模型是为假设σ和σfs保持不变的材料开发的,但是最近对纳米长度尺度上试样的“越小越强”的观察证实了如下观察,即如果固体的强度(σs)随着结构尺寸的减小而增加,总强度也会增加。这也表明,如果晶带可以由高强度的材料制成,例如在多个长度尺度上具有分层的HIP材料,强度的提高是可能的。图9是不同材料强度对密度的经典曲线图(即阿什比图)。通过适当设计具有多个长度尺度的单个纳米层的厚度,这些HIP材料的强度可以在GPa数量级,并且在任何组成金属的理论强度的一小部分内。计算模拟和实验都表明,这些材料的强度比散装材料高4-5倍。
[0148] 用多种长度标度来控制整体机械性能产生多孔材料(例如泡沫、晶格结构等)已经量化,以明确地描述如何改变经带的强度以大于式(2)中给出的经典模型的预期强度。对散装材料和其类似材料而言,从张力和压缩数据的比较来看,n=3/2的幂关系可能不适合用
于非常小规模的结构,但是即使使用修正的指数,小晶带提供的强度似乎也超过了基于散
装材料的阿什比图的预期,朝向图9所示的“星形”区域移动。
[0149] 然而,依靠小尺寸晶带提供的卓越强度是可靠的材料的长期问题。要使用FCC金属(如金或镍)达到GPa范围内的晶带强度,晶带必须在10-20nm的数量级。当如此大小的晶带
暴露在高温下时,它们变粗并且强度下降。因此,使用纳米级晶带的挑战和益处是一样的:
如果晶带的尺寸发生变化,在给定的密度下,结构的性能会降低。
[0150] HIP材料为解决这个难题提供了一种漂亮的方法;对于纳米厚度的多层,晶带(支柱)的强度不由晶带的尺寸控制,而是由制造晶带的纳米层的尺寸控制。因此,在保持GPa强度平的同时,100μm左右的晶带很容易形成。因此,设计一种新的金属化多孔材料时可能的,其具有高强度和低密度,位于阿什比图中的“星形”区域内(图9)。没有其它材料提供这种级别的属性控制。
[0151] 在一个实施方案中,HIP材料,例如ESM,可用于生产用作符合STANAG的弹道装甲的纳米层压板。这种层压板表现出高密度界面的性能特征,该层压板由完全致密的调制层压材料与基板组合而成,超过轧制均质装甲(RHA)钢的质量效率。
[0152] 方法
[0153] 本公开进一步提供了形成本公开的制品的方法。这种方法可以包括在工件表面上沉积HIP材料。在实施方案中,本发明提供了一种形成本发明制品的方法,包括在工件表面上沉积界面密度至少为2.0层/微米(μm)的层压材料。本文所述的方法可用于形成拓扑优化的轻质和超高性能HIP材料(参见,例如,图2A中的SEM)。在实施方案中,所述方法包括室温处理,例如电沉积。
[0154] 可以使用任何合适的技术来沉积本公开的HIP材料。在实施方案中,所述沉积包括浸渍、气相沉积、喷涂、电沉积、无电沉积或其组合。在某些实施方案中,沉积包括气相沉积、喷涂、电沉积、无电沉积或其组合。
[0155] 在某些实施方案中,沉积包括电沉积。在另外的实施方案中,电沉积包括使用电位(恒电位)、电流(恒电流)、脉冲电流、脉冲反向电流、调制电流、调制频率或连续过渡电流电镀。在某些这样的实施方案中,电沉积包括将工件的至少一部分与包含可电沉积离子的电沉积浴接触;向电沉积浴施加第一时间量的第一电流,从而使第一层电沉积到工件上,第一层包括至少第一元素和第二元素;以及将第二时间量的第二电流施加到电沉积浴,从而使
第二层电沉积到第一层上,第二层包括第一元素、第二元素或其组合。
[0156] 电化学沉积HIP材料的优点在于,它是一种高度可扩展的过程,能够用于在大块零件上生产HIP材料。由于能够调节沉积参数,包括波形温度和电解质(电镀浴)的流量,因此有可能使用这种生产技术制造组分和微观结构被调节的HIP材料。在实施方案中,HIP材料
的电沉积从单个浴中进行,并且产生形成HIP材料的至少一部分的至少第一层和第二层。
[0157] 除了其可伸缩性和生产层压结构的能力之外,电沉积可通过电化学过程(法拉第点解或电泳)沉积各种材料。可电沉积材料包括金属、陶瓷、聚合物、陶瓷聚合物和添加剂。
[0158] L-Chem公司的商业软件(如“电池设计”)可用于制备和设计电镀和电铸过程。显示晶格结构内沉积物厚度分布的样品池设计模拟如图12所示。降电压和平均电流密度的效果被认为是作为确定密度分级的系统能力的一个实例。
[0159] 电池设计软件的模型能够模拟稳态过程或多个稳态步骤。然而,这种软件有很大的局限性。例如,在合金沉积中,沉积组分随着沉积的进行而变化,从初始工件直到达到稳定的组分。这种转变主要是由于决定交换电流密度i0的速率显著依赖于工件组分,而工件
组分又是单个可电沉积物质部分电流密度比率的函数。当使用脉冲电流时,特别是使用短
脉冲产生薄层结构时,这些转变(目前未考虑到)可能存在于整个脉冲中,并将影响所得的
组分和沉积物厚度分布。此外,在非常短的脉冲中,瞬态效应(这种软件也没有考虑到)可能变得很重要。局部电流密度取决于沉积位置的局部反应物浓度。因此,曲折空腔内的损耗,例如晶格结构内的损耗,预计会影响沉积物的组成和厚度分布。虽然电池设计考虑了某些
传输效应,但腔内的时间相关损耗,特别是在脉冲电镀下,需要更严格的建模。
[0160] 另一种策略是在tn周期内计算待镀组合物的平均电流密度,其中tn明显长于单个脉冲tp,但远短于总沉积时间tr,即tp<
[0161] 在实施方案中,在电沉积之前,使不导电的工件导电。在工件导电性不足以直接进行电沉积的实施方案中,可以用化学镀材料处理工件,以沉积一层导电材料(例如铜或镍)。在某些实施方案中,本公开的方法通过无电沉积向工件表面施加导电冲击层(conductive 
strike layer),所述导电层足以使工件具有足够的导电性,从而获得电沉积热塑性塑料材料。可以通过冲洗处理过的工件、超声处理处理过的工件或两者同时处理过的工件来去除
可能影响电沉积的多余无电材料。
[0162] 工件表面可以在沉积HIP材料之前进行处理。在实施方案中,本公开的方法还包括在施加HIP材料之前制备表面,以增加表面的表面能。在某些实施方案中,本公开的方法还包括通过化学蚀刻、原位蚀刻、机械磨损、材料去除或其组合来活化工件表面。在这样的实施方案中,活化表面可以包括等离子蚀刻、机械蚀刻、砂磨、粗化或喷砂
[0163] 在实施方案中,本公开的方法包括准备工件。工件可以用任何合适的方法制备。
[0164] 在另外的实施方案中,工件通过包括铸造、注射成型、吹塑、挤压成型、切割、机械加工铣削研磨、砂磨、抛光、喷砂、三维打印(3D打印)、选择性激光烧结(SLS)、烧结激光熔化(SLM)、熔融沉积成型(FDM)、立体平版打印(SLA)、连续液体界面打印(CLIP)、槽光聚合、粘合剂喷射、定向能量沉积、机织物无纺布或泡沫片材的切割或成形或其组合的过程来制备。
[0165] 泡沫工件,特别是聚合物泡沫工件,可以通过本领域已知的包括吹塑的任何方法(例如,使用物理或化学起泡/发泡剂)制备。当泡沫工件在泡孔尺寸上具有梯度时,它们可以使用将不同量的起泡/发泡剂引入用于制备泡沫的不同液体层的技术来制备。或者,泡沫泡孔尺寸的梯度可以通过加热具有基本均匀泡孔尺寸的热塑性泡沫以部分塌陷泡沫来实
现。此外,在需要泡沫晶胞尺寸的步骤中,可以使用不同孔隙率的泡沫来制备层压工件。
[0166] 在实施方案中,工件通过增材制造来制备。在某些实施方案中,增材制造过程包括直接数字沉积、3D打印、SLS、SLM、FDM、SLA、CLIP、槽光聚合、粘合剂喷射、直接能量沉积、织造或非织造织物的切割和/或成形、泡沫板的切割和/或成形或其组合。
[0167] 在实施方案中,工件通过包括光聚合的过程制备。如本领域技术人员所理解的,光聚合可以使用任何合适的方法来完成,例如在US 2016/0047980、US 7,653,279和US 7,653,276中描述的方法,这些专利在此引入作为参考,作为它们关于光聚合的教导。
[0168] 不管形成方法如何,都可以通过使工件附着到其它元素上(例如,泡沫层、泡沫部分、支撑框架、片材等)制备工件。一旦形成,晶格结构和附着元素可以在工件表面的至少一部分上涂覆HIP材料(例如,金属纳米层压材料)。
[0169] 在包括设置在晶格结构内的薄片(例如,平面薄片)的实施方案中,薄片可以设置有孔,当形成晶格时,所述孔允许光通过。在这样的实施方案中,在用能够启动聚合过程的准直光束照射液体之前,片材可以悬浮在可光聚合单体的溶液中。或者,片材可以由允许大量准直光束透射穿过片材的物质制成。在实施方案中,在用于聚合的温度和用于引起单体
聚合的光的波长下,可聚合单体的溶液具有与片材基本匹配的折射率,使得光自由通过介
质。
[0170] 本公开的方法可以还包括移除工件。在某些实施方案中,通过包括蚀刻的过程移除工件。
[0171] 实施例
[0172] 实施例1
[0173] 成型包含Ni-Fe-Cu的三金属多层HIP材料。在硫酸盐浴中涂覆多孔基底,以产生具有不同比率的NiFeCu与纯Cu层的层压层。沉积物的XRF显示层压材料的平均组成为21%的
Cu、24%的Fe和55%的Ni。通过脉冲电镀将NiFeCu纳米层压板电沉积在基底上。样品的维氏显微硬度(根据ASTM E384测试)为675HV,极限拉伸强度为1291MPa,屈服强度为1156MPa,断裂伸长率为2.0%(根据改良的ASTM E8测试)。
[0174] 实施例2
[0175] 几个多孔基底用来自单一电镀浴的镍铝层压材料涂覆。电子色散光谱表明,镀层的平均铝浓度范围为0.6%至接近纯铝,或约99%的铝。对一个基底上的NiAl沉积物进行热处理,以使层压材料内的相互扩散和/或金属间形成。将涂覆的基底以20℃/min的速度加热至528℃保持1小时,并且以20℃/min的速度加热至670℃保持1小时。
[0176] 实施例3
[0177] 用非水离子液体涂覆多孔基底,产生层状NiAl-Al2O3复合材料。使用调制电流密度改变组分,导致镍组分从约90wt%变化到基本上0wt%。层压材料宏观上光滑,表面无光泽,微观上呈结节状。
[0178] 实施例4
[0179] 使用脉冲波形从水浴中将层压材料沉积在多孔基底上。陶瓷层和氧化铝层的组成在各层之间不同。
[0180] 以下实施方案包括在本公开的范围内:
[0181] 1.三维晶格结构,包括:
[0182] 泡沫状材料,其包括多个互连的支柱,所述支柱形成由具有顶点的一系列多面体组成的晶格,所述一系列多面体形成在至少三个不同方向(维度)上延伸的晶格;
[0183] 其中某些、大部分或所有相互连接的支柱相交于多面体的顶点;和
[0184] 任选地包括一个或多个实心或穿孔板,所述板在板的相对侧具有第一和第二面,并且在顶点处或沿着支柱的长度与至少一部分互连支柱形成连接;
[0185] 其中晶格结构包括、基本上包括或由高界面填充(HIP)材料或基底上的HIP材料涂层组成。
[0186] 2.根据实施方案1的三维晶格结构,包括一个、两个、三个、四个或更多穿孔或实心片。
[0187] 3.根据实施方案2所述的三维晶格结构,其中,一个、两个、三个、四个或更多个或所有片材形成基本平坦的平面。
[0188] 4.根据实施方案2-3中任一所述的三维晶格结构,其中晶格的支柱连接在至少一个、两个、三个、四个或更多片的第一和第二面上。
[0189] 5.根据实施方案2-4中任一项所述的三维晶格结构,其中所述片连接多于四个或更多个、五个或更多个或六个或更多个顶点。
[0190] 6.任一前述实施方案所述的三维晶格结构,包括布置在两个或更多个、三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个、或10个或更多个平面中的大于102、103、104或105个多面体,可选地,所述一个或更多个平面中的至少一个连接所述多面体的多个顶点,使得多面体的平面中的至少一个被布置并附接到所述一个板的一个面上,多面体的平面中的另一个
被布置并附接到所述一个平面的第二面上。
[0191] 7.根据实施方案2-6中任一项所述的三维晶格结构,其中多个或大于102、103、104、105、106或所有支柱相对于片材限定锐角或直角,或者垂直于片材。
[0192] 8.根据实施方案2-6中任一项所述的三维晶格结构,其中所述一个或多个片材具有不均匀的厚度。
[0193] 9.任一前述实施方案所述的三维晶格结构,其中晶格包括、基本上由或由三角多面体组成。
[0194] 10.根据实施方案9所述的三维晶格结构,其中三角多面体选自四面体、八面体和二十面体。
[0195] 11.根据实施方案2-10中任一项所述的三维晶格结构,其中所述一个或多个片材包括金属、金属合金、层压金属、纳米层压金属、复合材料、玻璃纤维、陶瓷、天然纤维、陶瓷纤维布、天然纤维布、聚合物布、金属布、橡胶、塑料及其组合的材料。
[0196] 12.根据实施方案1所述的三维晶格结构,其中相邻顶点之间的间距在晶格上在至少一个维度、至少二个维度(正交方向)或三个维度(三个正交方向)上变化。
[0197] 13.任一前述实施方案所述的三维晶格结构,其中所有、某些或大多数支柱是中空的,或者支柱包括第二材料的芯。
[0198] 14.根据实施方案13的所述三维晶格结构,其中支柱包括聚合物光波导
[0199] 15.根据任何前述实施方案所述的三维晶格结构,其中支柱的平均长度选自约1μm至约10μmm、约1μm至约500μm、约10μm至约100μm、约10μm至约500μm、约20μm至约200μm、约20μm至约500μm、约50μm至约300μm、约50μm至约500μm、约0.5mm至约1.0μmm,约0.5mm至约5.0μmm、约1.0μmm至约5.0μmm、约0.2mm至约2.0μmm、约0.2mm至约5.0μmm、或约5.0μmm至约10.0μmm。
[0200] 16.根据任何前述实施方案所述的三维晶格结构,其中晶格包括基底上的HIP涂层,其中由于支柱厚度的增加或多面体尺寸的减小,基底在至少一个维度上具有增加的密
度。
[0201] 17.根据任何前述实施方案所述的三维晶格结构还包括泡沫的一层或多层、两层或多层、三层或多层、或四层或多层部分。
[0202] 18.根据实施方案17所述的三维晶格结构,其中泡沫包括具有不同泡孔尺寸的两层或更多层、三层或更多层、或四层或更多层的开孔泡沫。
[0203] 19.根据实施方案17所述的三维晶格结构,其中泡沫层或泡沫部分在至少一个维度、至少二个维度(正交方向)或三个维度(三个正交方向)上具有增大或减小的泡孔尺寸。
[0204] 20.任何前述实施方案的三维晶格结构,其中HIP材料以三维晶格结构的形式作为基底上的涂层存在。
[0205] 21.根据实施方案20的三维晶格结构,其中涂层厚度在至少一个维度上增加或减少。
[0206] 22.根据任何前述实施方案所述的三维晶格结构,其中HIP材料是层压或纳米层压材料,其具有包括、基本上由或由第一种类型的金属或金属合金组成的层,以及包括、基本上由或由第二种类型的金属或金属合金组成的层,其中金属或金属合金的每一层独立选
择。
[0207] 23.根据任何前述实施方案所述的三维晶格结构,其中HIP结构包括两个或更多、三个或更多、5个或更多、10个或更多、50个或更多、100个或更多、500个或更多、或1,000个或更多层,所述层的厚度为1-1,000、1-5、1-10、1-100、2-10、2-50、2-100、5-20、5-100、5-
200、10-100、10-200、10-300、10-500、20-100、20-400、50-250、100-200、100-500、200-500、或500-1,000nm。
[0208] 24.根据实施方案22-23中任一项所述的三维晶格结构,其中包括、基本上由或由第一和第二类型的金属或金属合金组成的层在一种、两种、三种或多种性质上不同,所述性质包括:化学(元素)组分、晶粒尺寸、缺陷密度、晶粒取向、金属间组分的存在和无定形金属玻璃组分/含量的存在;条件是,当第一和第二类型的层具有相同的化学(元素)组成时,这些层在至少一个其它性质上不同。
[0209] 25.根据实施方案23所述的三维晶格结构,其中所述第一类型的层和/或所述第二类型的层包括细晶粒金属或金属合金,所述细晶粒金属或金属合金具有为1nm至5,000nm、
1-20nm、1-100nm、5-30nm、5-50nm、5-100nm、5-200nm、10-100nm、10-200nm、20100-500nm、
200-1,000nm、500-2,000nm和1,000-5,000nm,基于微粒尺寸的测量,前提是微粒尺寸小于包含微粒的层的厚度。
[0210] 26.根据实施方案25所述的三维晶格结构,其中细晶粒金属和合金在金属晶粒之间具有高度的孪晶,并且保持延展性,同时相对于具有5,000至2,0000nm或更大晶粒尺寸的相同组成的电沉积金属或合金,表现出硬度、拉伸强度和耐腐蚀性的一种或多种性能的增
加。
[0211] 27.根据实施方案22-26中任一实施方案所述的三维晶格结构,其中第一类型和/或第二类型的层包括为每层独立选择的一种、两种、三种、四种或多种元素,所述元素包括Ag、Al、Au、B、Be、C、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Si、Sn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn、和Zr。
[0212] 28.根据实施方案22-27中任一项所述的三维晶格结构,其中,第一类型和/或第二类型的层包括两种或多种或三种或多种元素,所述每个层的元素独立地选自Ag、Al、Au、B、Be、C、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Si、Sn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn和Zr。
[0213] 29.根据实施方案22-28中任一项所述的三维晶格结构,其中第一类型和第二类型的层合在一起包括、基本上包括或由选自以下的元素的组合组成:AlZn、AlSi、CuNb、CuNi、NiFe、AIFe、NiAl、NiCr、NiCo、NiCrCo、NiCrAl、NiFeAl、NiCoAl、NiCrCoAl、NiMo、NiCrMo、NiFeMo、NiCoMo、NiCrCoMo、NiW、NiCrW、NiFeW、NiCoW、NiCrCoW、NiNb、NiCrNb、NiFeNb、NiCoNb、NiCrCoNb、NiTi、NiCrTi、NiFeTi、NiCoTi、NiCrCoTi、NiCrP、NiCoP、NiFeP、NiCrSi、NiCrB、NiCoSi、NoCoB、NiFeSi、NiFeB、ZnCr、ZnFe、ZnCo、ZnNi、ZnCrP、ZnCrAl、ZnFeP、ZnFeAl、ZnCoP、ZnCoAl、ZnNiP、ZnNiAl、ZnCrSi、ZnCrB、ZnFeSi、ZnFeB、ZnCoSi、ZnCoB、ZnNiSi、ZnNiB、CoCr、CoFe、CoCrP、CoFeP、CoCrAl、CoFeAl、CoCrSi、CoFeSi、CoCrB、CoFeB、CoAl、CoW、CoCrW、CoFeW、CoTi、CoCrTi、CoFeTi、CoTa、CoCrTa、CoFeTa、CoC、CoCrC、CoFeC、FeCr、FeCrP、FeCrAl、FeCrSi和FeCrB,条件是第一种类型的层和第二种类型的层都不一定包含组合的所有元素,并且第一种类型和第二种类型的层合在一起包括组合中列举的所有
元素。
[0214] 30.根据实施方案22-29中任一实施方案所述的三维晶格结构,其中元素的组合选自:AlSi、CuNb、CuNi、NiFe、AlFe,和NiAl。
[0215] 31.根据实施方案22-30中任一项所述的三维晶格结构,其中,所述HIP材料通过气相沉积、喷涂、电沉积和/或无电沉积形成。
[0216] 32.根据实施方案17-31中任一项所述的三维晶格结构,其中所述HIP材料在最外表面的至少一部分上形成密度大于60%、70%、80%、90%、95%、98%、99%的层或完全致密的层。
[0217] 33.根据任何前述实施方案所述的三维晶格结构,其中
[0218] 支柱长度选自1μm至约500μm、约10μm至约100μm、约10μm至约200μm、约10μm至约500μm、约20μm至约200μm、约20μm至约500μm、约50μm至约300μm、约50μm至约500μm、约75m至约250μm、约75m至约500μm、约100μm至约300μm/约200μm至约500μm,以及
[0219] HIP材料包括100或更多、500或更多、或1,000或更多层,所述层具有是1-500、1-10、1-100、2-10、2-50、2-100、5-20、5-100、5-200、10-100、10-200、10-300、10-500、20-100、
20-400、50-250、100-200nm的厚度。
[0220] 34.根据实施方案33的三维晶格结构,其中所述结构具有从约200MPa到约900MPa的强度。
[0221] 35.制品,包括:
[0222] 具有至少40%空隙体积的层压材料,所述层压材料具有至少2.0界面/微米(μm)的界面密度。
[0223] 36.根据实施方案35所述的制品,其中所述层压材料具有晶格结构,所述晶格结构包括多个互连的支柱,所述支柱形成向三个维度延伸的一系列多面体。
[0224] 37.制品,包括:
[0225] 一种具有晶格结构的层压材料,所述晶格结构包括多个相互连接的支柱,这些支柱形成向三个维度延伸的一系列多面体,所述层压材料具有至少2.0界面/微米(μm)的界面密度。
[0226] 38.根据实施方案35-37中任一项所述的制品,还包括工件,其中层压材料在工件的表面上。
[0227] 39.根据实施方案38所述的制品,其中工件是开孔泡沫。
[0228] 40.根据实施方案39所述的制品,其中开孔泡沫的孔尺寸在至少一个维度上变化。
[0229] 41.根据实施方案38-40中任一项所述的制品,其中工件包括聚合物。
[0230] 42.根据实施方案41所述的制品,其中所述聚合物包括丙烯酰胺、芳基酰胺、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚酰亚胺、聚醚酮酮酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯醚(PPO)、聚苯乙烯(PS)、聚苯醚(PPO)和聚苯乙烯(PS)、聚邻苯二甲酰胺
(PPA)、聚乙烯醇(聚乙烯醇)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、PC/ABS、纤维素纤维、聚苯砜(PPSU)、热固性塑料、PBI-PEEK、脲、环氧树脂、氰酸酯,聚氨酯或其组合。
[0231] 43.根据实施方案38-40中任一项所述的制品,其中工件包括金属。
[0232] 44.根据实施方案36-43中任一项所述的制品,其中多面体是不规则的。
[0233] 45.根据实施方案36-43中任一项所述的制品,其中多面体是规则的。
[0234] 46.根据实施方案36-45中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体包括布置在两个或更多平面中的大于100个多面体。
[0235] 47.根据实施方案36-46中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体包括布置在两个或更多平面中的大于1,000个多面体。
[0236] 48.根据实施方案36-47中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体包括布置在两个或更多平面中的大于10,000个多面体。
[0237] 49.根据实施方案36-48中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体布置在三个或更多平面中。
[0238] 50.根据实施方案36-49中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体布置在四个或更多平面中。
[0239] 51.根据实施方案36-50中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体布置在五个或更多平面中。
[0240] 52.根据实施方案36-51中任一项所述的制品,其中多面体包括三角多面体。
[0241] 53.根据实施方案52所述的制品,其中三角多面体包括四面体、八面体和二十面体。
[0242] 54.根据实施方案36-53中任一项所述的制品,其中多面体的尺寸在至少一个维度上变化。
[0243] 55.根据实施方案54所述的制品,其中多面体的尺寸随着晶格结构的深度而变化。
[0244] 56.根据实施方案36-55中任一项所述的制品,其中所述多个互连支柱是中空的。
[0245] 57.根据实施方案36-556中任一项所述的制品,其中所述晶格结构包括由多个多面体包围的空腔。
[0246] 58.根据实施方案36-57中任一项所述的制品,其中所述多个互连支柱具有约0.5微米(μm)至约10毫米(mm)的平均长度。
[0247] 59.根据实施方案36-58中任一项所述的制品,其中所述多个互连支柱具有约1μm至约500μm的平均长度。
[0248] 60.根据实施方案36-59中任一项所述的制品,其中所述多个互连支柱具有约0.5mm至约5.0mm的平均长度
[0249] 61.根据实施方案36-60中任一项所述的制品,其中所述多个互连支柱的厚度在至少一个维度上变化。
[0250] 62.根据实施方案61所述的制品,其中,所述多个相互连接的支柱的厚度随着晶格结构的深度而变化。
[0251] 63.根据实施方案35-62中任一项所述的制品,其中层压材料的厚度在至少一个维度上变化。
[0252] 64.根据实施方案63所述的制品,其中层压材料的厚度通过晶格结构的深度而变化。
[0253] 65.根据实施方案35-64中任一项所述的制品,其中层压材料包括具有组分第一组成的第一层和具有组分第二组成的第二层。
[0254] 66.根据实施方案65所述的制品,其中层压材料包括交替的第一层和第二层。
[0255] 67.根据实施方案65或66所述的制品,其中第一层和第二层在晶粒尺寸、缺陷密度、晶粒取向、金属间组分的存在、无定形金属玻璃含量的存在或其组合中的至少一个方面不同。
[0256] 68.根据实施方案35-67中任一项所述的制品,其中层压材料包括至少5层。
[0257] 69.根据实施方案35-68中任一项所述的制品,其中层压材料包括至少100层。
[0258] 70.根据实施方案35-69中任一项所述的制品,其中层压材料包括独立地具有约1nm至约1,500nm厚度的层。
[0259] 71.根据实施方案35-70中任一项所述的制品,其中层压材料包括独立地具有约1nm至约1,000nm厚度的层。
[0260] 72.根据实施方案35-71中任一项所述的制品,其中层压材料包括独立地具有约2nm至约100nm厚度的层。
[0261] 73.根据实施方案35-72中任一项所述的制品,其中层压材料包括独立地具有约5nm至约70nm范围的厚度的层。
[0262] 74.根据实施方案65-73中任一项所述的制品,其中基于显微照片中的粒度测量,所述第一层独立地具有约1nm至1,000nm的平均粒度。
[0263] 75.根据实施方案65-74中任一项所述的制品,其中基于显微照片中的粒度测量,所述第二层独立地具有约1,000nm至5,000nm的平均粒度。
[0264] 76.根据实施方案74或75所述的制品,其中所述第一层和所述第二层具有高度的孪晶,并且所述层压材料相对于具有相同平均组分且晶粒尺寸至少为5,000nm的电沉积金
属或合金具有增加的硬度、拉伸强度、耐腐蚀性或其组合。
[0265] 77.根据实施方案65-76中任一项所述的制品,其中第一层独立地包括Ag、Al、Au、B、Be、C、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Si、Sn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn、Zr或其组合。
[0266] 78.根据实施方案65-77中任一项所述的制品,其中第二层独立地包括Ag、Al、Au、B、Be、C、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Si、Sn、Pb、Ta、Ti、W、V、Zn、Zr或其组合。
[0267] 79.根据实施方案65-78中任一项所述的制品,其中所述第一层和所述第二层包括AlSi、CuNb、CuNi、NiFe、AIFe、或NiAl。
[0268] 80.根据实施方案35-79中任一项所述的制品,其中所述层压材料包括AlZn、AlSi、CuNb、CuNi、NiFe、AIFe、NiAl、NiCr、NiCo、NiCrCo、NiCrAl、NiFeAl、NiCoAl、NiCrCoAl、NiMo、NiCrMo、NiFeMo、NiCoMo、NiCrCoMo、NiW、NiCrW、NiFeW、NiCoW、NiCrCoW、NiNb、NiCrNb、NiFeNb、NiCoNb、NiCrCoNb、NiTi、NiCrTi、NiFeTi、NiCoTi、NiCrCoTi、NiCrP、NiCrAl、NiCoP、NiFeP、NiCrSi、NiCrB、NiCoSi、NoCoB、NiFeSi、NiFeB、ZnCr、ZnFe、ZnCo、ZnNi、ZnCrP、ZnCrAl、ZnFeP、ZnFeAl、ZnCoP、ZnCoAl、ZnNiP、ZnNiAl、ZnCrSi、ZnCrB、ZnFeSi、ZnFeB、ZnCoSi、ZnCoB、ZnNiSi、ZnNiB、CoCr、CoFe、CoCrP、CoFeP、CoCrAl、CoFeAl、CoCrSi、CoFeSi、CoCrB、CoFeB、CoAl、CoW、CoCrW、CoFeW、CoTi、CoCrTi、CoFeTi、CoTa、CoCrTa、CoFeTa、CoC、CoCrC、CoFeC、FeCr、FeCrP、FeCrAl、FeCrSi、或FeCrB。
[0269] 81.根据实施方案35-80中任一项的制品,其中层压材料形成密度至少为60%的表层。
[0270] 82.根据实施方案81所述的制品,其中表层的密度为至少80%。
[0271] 83.根据实施方案82所述的制品,其中表层的密度至少为95%。
[0272] 84.根据实施方案83所述的制品,其中表层的密度至少为99%。
[0273] 85.根据实施方案84所述的制品,其中表层是完全致密的。
[0274] 86.根据实施方案35-85中任一项所述的制品,其中界面密度为至少约5界面/μm
[0275] 87.根据实施方案35-86中任一项所述的制品,其中界面密度为至少约10界面/μm
[0276] 88.根据实施方案35-87中任一项所述的制品,其中界面密度为至少约20界面/μm
[0277] 89.根据实施方案35-88中任一项所述的制品,其中界面密度为至少约500界面/μm
[0278] 90.根据实施方案37-89中任一项所述的制品,其中层压材料具有至少40%的空隙体积。
[0279] 91.根据实施方案35、36、38-90中任一项所述的制品,其中空隙体积为至少60%。
[0280] 92.根据实施方案91所述的制品,其中空隙体积为至少80%。
[0281] 93.根据实施方案92所述的制品,其中空隙体积为至少90%。
[0282] 94.根据实施方案35-93中任一项所述的制品,还包括与层压材料接触的导电冲击层。
[0283] 95.根据实施方案94所述的制品,其中导电冲击层与工件接触。
[0284] 96.根据实施方案36-95中任一项所述的制品,还包括与多个互连支柱的至少一部分接触的片材。
[0285] 97.根据实施方案96所述的制品,其中片材是穿孔的。
[0286] 98.根据实施方案96所述的制品,其中片材是固体。
[0287] 99.根据根据实施方案96-98中任一项所述的制品,其中所述片材基本上是平面的。
[0288] 100.根据根据实施方案96-99中任一项所述的制品,其中所述片材的第一侧和第二侧与所述多个互连支柱的一部分接触。
[0289] 101.根据根据实施方案96-100中任一项所述的制品,其中所述片材与所述多个互连支柱的两个或多个顶点接触。
[0290] 102.根据根据实施方案96-101中任一项所述的制品,其中所述片材沿着所述多个互连支柱中的两个或更多个的长度与所述多个互连支柱中的两个或更多个接触。
[0291] 103.根据实施方案96-102中任一项所述的制品,其中所述一系列多面体中的至少一个多面体的面基本平行于所述片材的第一侧或第二侧并与之接触。
[0292] 104.根据实施方案96-103中任一项所述的制品,还包括与多个互连支柱的至少一部分接触的多个片材。
[0293] 105.根据根据实施方案96-104中任一项所述的制品,其中所述多个互连支柱的一部分相对于所述片材形成直角。
[0294] 106.根据根据实施方案96-105中任一项所述的制品,其中所述多个互连支柱的一部分相对于所述片材形成锐角。
[0295] 107.根据实施方案96-106中任一项所述的制品,其中片材具有均匀的厚度。
[0296] 108.根据实施方案96-106中任一项所述的制品,其中片材具有不均匀的厚度。
[0297] 109.根据根据实施方案96-108中任一项所述的制品,其中所述片材包括选自金属、金属合金、层压金属、纳米层压金属、复合材料、玻璃纤维、陶瓷、天然纤维、陶瓷纤维布、天然纤维布、聚合布、金属布、橡胶、塑料及其组合的材料。
[0298] 110.一种形成实施方案35-109中任一项所述的制品的方法,包括:
[0299] 在工件表面上沉积界面密度至少为2.0层/微米(μm)的层压材料。
[0300] 111.根据实施方案110所述的方法,其中沉积包括气相沉积、喷涂、电沉积、无电沉积或其组合。
[0301] 112.根据实施方案111所述的方法,其中沉积包括电沉积。
[0302] 113.根据实施方案112所述的方法,其中电沉积包括使用电位(恒电位)、电流(恒电流)、脉冲电流、脉冲反向电流、调制电流、调制频率或连续过渡电流电镀。
[0303] 114.根据根据实施方案110-113中任一实施方案所述的方法,还包括通过无电沉积将导电冲击层施加到工件表面,所述导电层足以使工件具有足够的导电性,以允许电沉
积层压材料。
[0304] 115.根据实施方案110-114中任一项所述的方法,还包括在施加层压材料之前制备表面以增加表面的表面能。
[0305] 116.根据实施方案110-115中任一实施方案所述的方法,还包括通过化学蚀刻、原位蚀刻、机械磨损、材料去除或其组合来活化工件表面。
[0306] 117.根据实施方案116所述的方法,其中活化表面包括等离子蚀刻、机械蚀刻、砂磨、粗化或喷砂。
[0307] 118.根据实施方案111-117中任一项所述的方法,其中电沉积包括:
[0308] 将工件的至少一部分与包含可电沉积离子的电沉积浴接触;
[0309] 向电沉积浴施加第一时间量的第一电流,从而使第一层电沉积到工件上,第一层包括至少第一元素和第二元素;和
[0310] 将第二电流施加到电沉积浴第二时间量,从而使第二层电沉积到第一层上,第二层包括第一元素、第二元素或其组合。
[0311] 119.根据实施方案110-118中任一项所述的方法,还包括准备工件。
[0312] 120.根据实施方案119的方法,其中制备包括增材制造。
[0313] 121.根据实施方案119或120所述的方法,其中所述制备包括铸造、注射成型、吹塑、挤出成型、切割、加工、铣削、研磨、砂磨、抛光、喷砂、三维打印(3D打印)、选择性激光烧结(SLS)、烧结激光熔化(SLM)、熔融沉积成型(FDM)、光固化成型(SLA)、连续液体界面打印(CLIP)、槽光聚合、粘合剂喷射、定向能量沉积、织造织物、非织造织物或泡沫片材的切割或成形,或其组合。
[0314] 122.根据实施方案119-121中任一项所述的方法,其中制备包括光聚合。
[0315] 123.根据实施方案110-122中任一项所述的方法,还包括移除工件。
[0316] 124.根据实施方案123所述的方法,其中移除工件包括蚀刻工件。
[0317] 上述各种实施方案可以被组合以提供另外的实施方案。本说明书中提到的和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物,包括美国专利申请62/416,619,通过引用全部并入本文。如果需要,可以修改实施方案的方面,以采用各种专利、申请和出版物的概念来提供另外的实施方案。
[0318] 根据以上详细描述,可以对实施方案进行这些和其它改变。一般而言,在以下权利要求中,所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施方案,而是应被解释为包括所有可能的实施方案以及这些权利要求所享有的等同物的全
部范围。因此,权利要求不受本公开的限制。
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