一种基于神经元仿生结构的高导电导热金属材料制备方法

1.本发明涉及高导电导热金属材料材料及其结构设计领域，涉及一种基于神经元仿生结构的高导电导热金属材料制备方法，具体涉及一种基于神经元仿生结构特点，具有高导电导热强化效率和各向同性的金属材料制备方法。


背景技术：

2.现阶段高导电导热金属材料的研究主要集中在引入某一种特定的高导电导热增强相的选材设计，如碳纤维、金刚石、碳化硅等。通过选材设计实现传导性能(导电、导热性能)的优化幅度非常有限，根本原因是金属材料的传导性能取决于增强相的体积分数。这种增强相往往与体的界面结合较差，并倾向于团聚，因此很难在基体中引入足量的增强相。然而少量的增强相又难以构建连续的传导通路，导致传导性能的强化效率较低。此外，目前所研究的高导电导热金属材料的制造工艺以粉末冶金为主，挤压后各向异性的组织导致传导性能呈各向异性，即仅沿挤压方向具有强化的导电导热能力。因此，探索高导电导热增强相的新设计策略是提高强化效率和实现各向同性的关键举措。
3.对于金属材料的导电及导热性能而言，有两大亟待解决的关键问题。第一，金属材料中的缺陷散射恶化传导性能。金属材料中存在的缺陷如固溶原子、第二相、各类界面、杂质等对电子传输过程散射，平均自由程降低，故导致电导率热导率恶化，而电流及热流在金属材料中的高效传导需要给电子提供连续的传导通道。第二，由变形工艺、织构等因素决定的传导性能的各向异性。挤压、轧制等变形工艺导致金属材料组织的各向异性，直接引起了传导性能的各向异性。沿变形方向的传导性能由于组织的致密性及导电导热增强相的定向排布，往往优于垂直于变形方向。传导性能的各向异性使此类金属材料的应用场景受限，相较于各向同性金属材料综合传导性能较差。
4.增强相的结构设计是解决上述两大问题的有力方案。增强相的结构设计有助于构建连续高效的传导路径，提高强化效率，并且实现传导性能的各向同性。进一步，增强相的仿生结构设计是目前研究的前沿热点，如文献报道的用于电池热管理的仿蜘蛛网高导热相变纳米复合材料，然而该材料的各向同性未见报道，并且应用场景及样品尺寸受限。
5.经文献与专利检索，均未发现与本发明相关或类似的高导电导热各向同性金属材料神经元仿生结构设计方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于针对高导电导热金属材料强化效率低、各向异性的问题，通过金属材料增强相结构设计，构建神经元仿生传导结构，在显著提高强化效率的同时实现传导性能的各向同性。
7.为了实现上述技术效果，本发明提出一种基于神经元仿生结构的高导电导热金属材料制备方法。这与现有的方法不同，通过仿神经元结构平面状及丝状增强相的有机整合，构建连续高效的网状传输结构，制备出了具有高导电导热强化效率(导电导热性能优于基
体)及优异各向同性的金属材料。此外，常用高导电导热增强相的传导性能往往沿特征方向及垂直于特征方向呈现出极大的各向异性(两个数量级)，如碳纤维的轴向及径向，石墨片的面内及垂直于面热导率。而引入的神经元网状传输结构不仅可进一步提高强化效率、实现各向同性、还能充分发挥各向异性增强相的导电导热潜力。
8.本发明设计原理在于，对神经元进行研究发现，神经元电信号的传输速率非常快，高达120m/s，为自由电子在金属中的传播速度(0.75mm/s)的106倍。原因之一是神经元中的各种离子通道反应迅速。而人类大脑中有超过8.6亿个神经元，每个神经元又可以与另外1万个神经元连接。所有桥接的神经元最终构建了一个高效且稳定的网状传输结构，实现从基础生命活动到高级人类功能各层面的全部活动。根据wiedemann-franz定律，金属的电导率和热导率密切相关。因此，通过对神经元网状结构的前沿性与优越性的研究，构建神经元仿生连续网状高效传导结构。该仿生结构的构建有三大要点，首先，对应于神经元中离子的快速反应通道，增强相应具有优异的传导性能。其次，增强相需分别具备仿神经元结构平面状及丝状形貌特点。再次，二者应存在某种相互作用(如碳材料间的范德华力、润湿性等)或采用适当预连接工艺实现桥接以构建网络结构。
9.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
10.第一方面，本发明提供一种基于神经元仿生结构的高导电导热金属材料制备方法，在基体材料中引入仿神经元结构增强相，所述仿神经元结构增强相包括仿神经元结构平面状增强相和仿神经元结构丝状增强相，仿神经元结构增强相均匀分散在基体材料中。
11.作为本发明的一个实施方案，所述制备方法仿照神经元结构，通过平面状和丝状增强相的同时引入及相互桥接，构建高效且稳定的连续网状传输结构，制备出具有高导电导热强化效率及优异各向同性的金属材料。
12.作为本发明的一个实施方案，所述仿神经元结构增强相在金属材料中的体积百分比为1％-20％，仿神经元结构平面状增强相和仿神经元结构丝状增强相的体积比为1:1-1:3。
13.作为本发明的一个实施方案，所述仿神经元结构平面状增强相包括石墨片、碳化硅、氮化铝、金刚石、铜箔、铝箔、银箔、金箔中的至少一种。
14.作为本发明的一个实施方案，所述仿神经元结构丝状增强相包括碳纤维、铜丝、银丝、金丝中的至少一种。
15.作为本发明的一个实施方案，所述基体材料包括镁合金、铝合金、铜合金中的至少一种。
16.作为本发明的一个实施方案，所述镁合金包括sa42(mg-4sm-2al)镁合金、la42(mg-4la/ce-2al)镁合金、zk61镁合金、az91镁合金中的至少一种；所述铝合金包括adc10铝合金、adc12铝合金中的至少一种；所述铜合金包括ca103铜合金、cda122铜合金中的至少一种。
17.作为本发明的一个实施方案，所述基体材料为sa42镁合金。
18.作为本发明的一个实施方案，所述制备方法包括以下步骤：
19.s1、预铺粉：在熔炼装置底部加入仿神经元结构增强相，并低速搅拌；
20.s2、熔炼：再向步骤s1的熔炼装置中加入原料合金，熔炼制备合金熔液；
21.s3、精炼：调整步骤s2所得的合金熔液的温度，加入精炼剂进行精炼，得到合金熔
体；
22.s4、降温分散及浇注：待熔体冷却至一定温度后(增加保护气体流量)快速搅拌，再将熔体升温至一定温度后浇注，得到神经元仿生结构金属材料。
23.作为本发明的一个实施方案，步骤s1中，为保证仿神经元结构平面状及丝状增强相尽可能多的相互桥接形成连续高效的网状传输结构，仿神经元结构平面状增强相和仿神经元结构丝状增强相的体积比为1:1-1:3，所述仿神经元结构增强相在金属材料中的体积百分比为1％-20％。为构建仿神经元网状传输结构，仿神经元丝状增强相占比应大于仿神经元平面状增强相，即高于1:1，并且低于1:3的比例可以便于获得尽量多的仿神经元丝状和平面状增强相的有效连接。
24.作为本发明的一个实施方案，步骤s1中，所述预铺粉是为突破熔体表面张力并解决镁在加料过程中的易燃性问题。
25.作为本发明的一个实施方案，步骤s1中，低速搅拌的速率为50-100r/min，搅拌时间为3-10min。低速搅拌以确保增强相粉末的预搭接和初步分散。
26.作为本发明的一个实施方案，步骤s2中，熔炼温度为720-750℃。
27.作为本发明的一个实施方案，步骤s3中，调整温度为740-760℃。
28.作为本发明的一个实施方案，步骤s3中，精炼剂包括rj-6、jdmj、he中的至少一种。精炼完成后去除熔体表面氧化渣。
29.作为本发明的一个实施方案，步骤s4中，熔体冷却至560-10101℃。针对不同合金，其中镁合金冷却至620-6501℃，铝合金冷却至560-6601℃，铜合金冷却至810-10101℃。
30.作为本发明的一些实施例，步骤s4中，针对镁合金熔体冷却至620-6501℃，若搅拌温度过高，镁熔体易发生氧化燃烧现象；而搅拌温度过低(低于固相线)，则会发生凝固现象，故搅拌温度范围应选取在镁合金的半固态温度区间。
31.作为本发明的一个实施方案，步骤s4中，快速搅拌过程中增加保护气体流量，所述保护气体包括混合气体(99vol.％co2+1vol.％sf6)或氩气中的至少一种。
32.作为本发明的一个实施方案，步骤s4中，快速搅拌的速率为200-1000r/min，快速搅拌时间为5-15min。快速搅拌以保证仿神经元结构增强相均匀分散在基体材料中。
33.作为本发明的一个实施方案，步骤s4中，升温至710-730℃浇注。
34.第二方面，本发明提供一种如所述制备方法获得的基于神经元仿生结构的高导电导热金属材料。
35.与现有的高导电导热金属材料制备技术粉末冶金+挤压等不同，首先，本发明设计方法由于仿神经元结构平面状及丝状增强相的相互桥接形成连续高效的传输通路，可进一步提高强化效率；其次，该方法所制备的高导电导热金属材料呈各向同性；再次，引入的神经元网状传热结构还能充分发挥各向异性传导增强相的导电导热潜力。
36.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
37.1、传导性能强化效率高。神经元仿生结构金属材料的传导性能优于单一增强相金属材料。这种协同增强效应源于神经元仿生连续网状传导结构(即神经元仿生连续网状传输结构)。电子和声子可沿该路径连续传输，从而降低其在低传导性能基体的散射概率。同时协同增强效应可使实现一定传导能力指标所需的增强相总量降低，这在提高材料利用率的同时降低了材料成本。
38.2、传导性能具有各向同性。相较于粉末冶金+变形等工艺制备的金属材料，变形工艺、织构等因素决定了其传导性能的各向异性。挤压、轧制等变形工艺导致金属材料组织的各向异性，直接引起了传导性能的各向异性。而本发明制备的神经元仿生结构金属材料沿各个方向的传导性能呈各向同性。
39.3、发挥各向异性增强相的导电导热潜力，其金属材料中的高导电导热增强相往往具有各向异性，沿面内(径向)和垂直于面(轴向)传导能力差异巨大(两个数量级)，而本发明中的神经元仿生结构增强相的相互连接可充分发挥各向异性增强相的导电导热潜力。
40.4、本发明提出了高导电导热金属材料的结构设计新策略。通过神经元仿生连续高效网状传导结构设计，获得了高强化效率、优异各向同性的高导电导热金属材料。
附图说明
41.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
42.图1为实施例1制备的镁基材料的仿神经元连续网状传输结构；
43.图2为实施例1制备的镁基材料结构和神经元结构的二维及三维显微结构。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实例在本发明技术方案的前提下进行实施，提供了详细的实施方式和具体的操作过程，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。需要指出的是，本发明的保护范围不限于下述实施例，在本发明的构思前提下做出的若干调整和改进，都属于本发明的保护范围。
45.实施例1
46.以sa42镁合金为基体(经测试，其电导率为16.1
×
106s/m，热导率为110w/(m
·
k))，加入2.5vol.％高导电导热仿神经元丝状碳纤维增强相及2.5vol.％仿神经元平面状石墨片增强相，构建如图1所示的神经元仿生高导电导热结构(即仿神经元连续网状传输结构)，具体包括以下步骤：
47.s1、预铺粉：为解决熔体表面张力及镁在加料过程中的易燃性问题，预先在熔炼坩埚底部中加入2.5vol.％仿神经元丝状碳纤维及2.5vol.％仿神经元平面状石墨片，并以50r/min的速率低速机械搅拌5min，以确保增强相粉末的预搭接和初步分散。
48.s2、熔炼：再向步骤s1的熔炼坩埚置中加入sa42镁合金在720℃下熔炼制备合金熔液；
49.s3、精炼：调整步骤s2所得的合金熔液温度至740℃，加入精炼剂rj-6进行精炼，精炼完成后去除熔体表面氧化渣，得到合金熔体；
50.s4、降温分散及浇注：待熔体降温至650℃，以500r/min速度搅拌，搅拌时间为10min。搅拌后待温度升至720℃时浇注，得到仿神经元高导电导热各向同性镁基材料，其结构与神经元结构对比如图2所示。搅拌过程中增加混合保护气体(99vol.％co2+1vol.％sf6)流量。
51.于镁基材料底部纵向及横向取样，测试电导率及热导率。
52.对比例1
53.本对比例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：步骤s3中，加入5vol.％仿神经元结构丝状碳纤维增强相。
54.于镁基材料底部横向及纵向取样，测试电导率及热导率。
55.对比例2
56.本对比例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：步骤s3中，加入5vol.％仿神经元结构平面状石墨片增强相。
57.于镁基材料底部横向及纵向取样，测试电导率及热导率。
58.对比例3
59.以sa42镁合金粉末为基体，采用球磨、热压烧结及挤压工艺加入2.5vol.％高导电导热仿神经元丝状碳纤维增强相及2.5vol.％仿神经元平面状石墨片增强相。其中，球磨转速为300r/min；热压烧结的温度为522℃、压力为30mpa，保持真空条件；挤压工艺的挤压温度为350℃，挤压比为25:1，为本领域的常规技术。
60.于镁基材料底部横向(平行于挤压方向)及纵向(垂直于挤压方向)取样，测试电导率及热导率。
61.性能测试
62.测试方法：测试材料室温下(25℃)的传导性能(电导率和热导率)。其中，通过涡流法(sigma 2008a)在室温下测量复合材料的电导率。使用激光瞬态导热仪(lfa467ht)测试热扩散率α。通过比较该仪器系统中的标准样品(cu，)来测试比热容c
p
。通过电子密度仪(et-320)测量密度ρ。热导率λ由λ＝ραc
p
获得，测试结果如表1和表2所示。
63.表1实施例和对比例中镁基材料的电导率
64.样品纵向电导率/106s
·
m-1
强化效率横向电导率/106s
·
m-1
强化效率实施例119.722.3％19.722.3％对比例117.810.6％18.011.8％对比例217.79.9％17.69.3％对比例316.52.5％17.16.2％
65.表2实施例和对比例中镁基材料的热导率
66.样品纵向热导率/w
·
(m
·
k)-1
强化效率横向热导率/w
·
(m
·
k)-1
强化效率实施例113522.7％13724.5％对比例112513.6％12614.5％对比例212210.9％12110.0％对比例31132.7％1176.5％
67.综上，根据对比例1-2可见，仅在基体中引入仿神经元结构平面状增强相或仿神经元结构丝状增强相，其制备的金属材料无法构建仿神经元连续网状传输结构，导致其电导率和热导率均远低于实施例1同时向基体中引入仿神经元结构平面状增强相和仿神经元结构丝状增强相；根据对比例1可知，采用传统的热压烧结和挤压工艺来引入仿神经元结构平面状增强相和仿神经元结构丝状增强相，会引起了金属材料传导性能的各向异性，导致其电导率和热导率更低。
68.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影
响本发明的实质内容。

技术特征：
1.一种基于神经元仿生结构的高导电导热金属材料制备方法，其特征在于，在基体材料中引入仿神经元结构增强相，所述仿神经元结构增强相包括仿神经元结构平面状增强相和仿神经元结构丝状增强相，仿神经元结构增强相均匀分散在基体材料中。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述仿神经元结构增强相在金属材料中的体积百分比为1％-20％，仿神经元结构平面状增强相和仿神经元结构丝状增强相的体积比为1:1-1:3。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述仿神经元结构平面状增强相包括石墨片、碳化硅、氮化铝、金刚石、铜箔、铝箔、银箔、金箔中的至少一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述仿神经元结构丝状增强相包括碳纤维、铜丝、银丝、金丝中的至少一种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体材料包括镁合金、铝合金、铜合金中的至少一种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：s1、预铺粉：在熔炼装置底部加入仿神经元结构增强相，并低速搅拌；s2、熔炼：再向步骤s1的熔炼装置中加入原料合金，熔炼制备合金熔液；s3、精炼：调整步骤s2所得的合金熔液的温度，加入精炼剂进行精炼，得到合金熔体；s4、降温分散及浇注：待熔体冷却至一定温度后快速搅拌，再将熔体升温至一定温度后浇注，得到神经元仿生结构金属材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述低速搅拌的速度为50-100r/min，搅拌时间为3-10min。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，熔体冷却至560-1030℃。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述快速搅拌速度为200-1000r/min，快速搅拌时间为5-15min。10.一种如权利要求1-9任一项所述制备方法获得的基于神经元仿生结构的高导电导热金属材料。

技术总结
本发明公开了一种基于神经元仿生结构的高导电导热金属材料制备方法，适用于具有高导电导热强化效率和各向同性金属材料的结构设计，属于高导电导热金属材料及其结构设计领域。通过仿神经元结构增强相的引入及相互桥接所构成的连续高效仿神经元网状传输结构，制备出了具有高导电导热强化效率及优异各向同性的金属材料。神经元仿生传导结构的协同强化作用显著提高了增强相的强化效率，优异的各向同性确保了高导电导热金属材料的综合传导能力。性确保了高导电导热金属材料的综合传导能力。性确保了高导电导热金属材料的综合传导能力。


技术研发人员：李德江 姚繁锦 曾小勤 李子昕 胡波
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/31