碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置及其制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置及其制备方法，包括以下步骤：熔炼铝合金基体；合金熔体经保温装置流进结晶器内；在保温装置内设置搅拌装置，定量CNTs粉末和气体输送到搅拌装置中空腔体中预混合后，经其底部输送到合金熔体的凝固前沿线附近，搅拌杆高速旋转剪切分散CNTs粉末到铝熔体中；最后经半连续铸造，形成复合材料铸锭。本发明专利技术中CNTs的添加位置在结晶内熔体凝固线前沿附近，CNTs在熔体中停留时间短，熔体温度低、粘度大减少了CNTs粉体上浮，气粉混合体在搅拌装置高速旋转剪切作用下，有利于CNTs粉末的均匀分散到熔体中；铸造过程中搅拌叶上方熔体与外界接触面积非常小，能够大大减轻搅拌过程中卷入氧化膜等缺陷。

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置及其制备方法
本专利技术涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置及其制备方法，属于材料工程

技术介绍
碳纳米管（CarbonNanotubes，CNTs）是一种新型的管状碳结构一维纳米材料，其独特的中空结构使得碳纳米管拥有诸多优良的性能，密度小、强度高、长径比大、导电导热率高、热膨胀系数低、热稳定性好、耐强酸、强碱腐蚀性能优异，因此，被视为理想的高性能复合材料的增强体。CNTs增强金属基复合材料因兼有金属和CNTs的特点而具有独特的力学和物理性能，在航空航天器、汽车制造、电子仪器等工业领域有广阔的应用前景。目前CNTs增强铝基复合材料主要制备方法有粉末冶金法、无压浸渗法、原位合成法和搅拌铸造法等。粉末冶金法是将CNTs与金属粉均匀搅拌混合，然后进行球磨、干燥、压实和烧结等，但该方法生产成本高，且球磨过程中易造成CNTs结构的破坏，结构被破坏的CNTs在高温烧结时易与金属基体发生反应生成有害相，如与铝基体生产Al4C3，降低了复合材料的性能。无压浸渗法是将不同比例混合均匀的粉体压制成预制件，然后在毛细管力作用下将熔融金属液渗入预制件，与其它复合工艺相比，无压渗透具有工艺简单、对设备的要求低、所制备的材料致密度高、可以近终成型等优点，但生产效率低，不利于批量生产。原位复合技术作为一种新的复合技术，主要是采用适当的工艺方法在金属基底上达到一种化学或者非化学的反应制备出增强相，在CNTs增强金属基复合材料制备上主要以化学气相沉积法为主，技术生产成本高，不利于生产大尺寸构件。搅拌铸造法是在熔融液态金属中加入CNTs，通过搅拌使得CNTs分散于熔体中，长时间搅拌使得熔体中混杂较多的氧化膜，在转注过程中停止搅拌时熔体中的CNTs易上浮，并且为了便于施加搅拌装置炉体容量往往较小，不适合大规模连续生产。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置及其制备方法，避免CNTs在熔体中大量上浮，并减少氧化膜等缺陷，同时能够适合于工业化连续生产。本专利技术的技术解决方案是：一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，包括熔炼保温炉、搅拌装置、保温装置、结晶器以及流槽，所述熔炼保温炉设有熔体出口，所述保温装置内设有通道，所述结晶器安装于保温装置下方，所述熔体出口和所述流槽的入口相连通，所述流槽的出口和所述保温装置上通道的入口相连通，所述保温装置上通道的出口和结晶器的入口相连通，所述保温装置上设有通孔，该通孔与结晶器入口相连通，所述搅拌装置插入该通孔中。进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：所述保温装置的通道入口位于保温装置前侧，所述保温装置的通道出口位于保温装置下侧。进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：所述搅拌装置包括搅拌叶和旋转轴，所述搅拌叶安装于旋转轴下方，所述旋转轴呈中空状且上下两端均设有开口。进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：所述保温装置包括上保温板镶块，上保温板和下保温板，所述下保温板安装于结晶器上方，所述保温装置的通道出口设置于下保温板上，所述上保温板位于下保温板上方，所述上保温板与下保温板之间具有空隙形成所述保温装置的通道，所述上保温板上设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述上保温板的U型槽的槽口朝向流槽的出口，所述搅拌装置贯穿上保温板的U型槽和保温装置的通道出口，所述上保温板镶块镶嵌于上保温板的U型槽内并与上保温板的U型槽相配合，从而减少搅拌叶上方外漏液面，降低氧化膜卷入风险。更进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：所述上保温板和下保温板之间设有一中保温板，该中保温板上设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述中保温板上的U型槽的槽口朝向所述流槽的出口。更进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其中：另设有压板，所述压板覆盖于上保温板和上保温板镶块的上方，且所述压板上也设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述压板上的U型槽的槽口朝向流槽的出口。本专利技术还公开了一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将铝合金在熔炼保温炉内熔化精炼并保温，熔炼保温熔体内温度为730-760℃，获得合金熔体；（2）待所有工装准备就绪后从熔体出口放流铝熔体，使得合金熔体经由保温装置通道流入结晶器内；（3）连续添加定量包覆铜的CNTs粉末和定量保护气体到搅拌装置旋转轴的空腔中，形成气粉混合体，同时开启搅拌装置搅拌，使得气粉混合体经搅拌装置底部开口进入合金熔体中，经搅拌装置高速剪切，迅速分散到保温装置内的合金熔体中，形成CNTs分散熔体，并通过结晶器对CNTs分散熔体进行半连续铸造；（4）随着结晶器的引锭头下移，CNTs分散熔体不断在结晶器冷却作用下，形成复合材料铸锭，移出结晶器。再进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其中：其特征在于：所述步骤（3）中CNTs分散熔体在结晶器内结晶形成液穴，将熔体分成液相区和固液两相区，所述气粉混合体添加于固液两相区内。再进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其中：所述步骤（3）中CNTs分散熔体的温度为液相线温度±8~12℃。再进一步地，上述碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，其中：所述固液两相区与复合材料铸锭的分界线为凝固前沿线，所述搅拌装置的搅拌叶设置于合金熔体的凝固前沿线以上0~100mm，使得气粉混合体添加于凝固前沿线上沿，所述搅拌装置转速为500~2000转/分。本专利技术突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：（1）增强体CNTs粉体添加位置在结晶器内的铝熔体凝固线前沿附近，凝固线前沿附近铝熔体温度低、甚至处于半固态状态，粘度大能增大CNTs粉体上浮阻力，并且熔体很快就结晶凝固，CNTs粉体在铝熔体中停留时间短，CNTs粉体收得率高。（2）增强体CNTs粉体的添加方式为气粉混合，并且出口设置在搅拌装置底部。定量的粉体和气体在搅拌装置内部通道内混合，有利于CNTs粉体自身的分散均匀，同时增强体CNTs粉体出口在搅拌装置底部，紧邻高速旋转的搅拌叶，搅拌叶的高速剪切能够将CNTs粉体在熔体中很快分散。（3）半连续铸造用结晶器设置了独特设计的保温装置，铸造过程中通过控制流槽内熔体液面高度高于保温装置入口，铸造过程中搅拌叶上方熔体与外界接触面积非常小，能够大大减轻搅拌过程中卷入氧化膜等缺陷。附图说明图1是碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置示意图；图2是结晶器组件的分体示意图。。图中，各附图标记的含义为：1—流槽，2—搅拌叶，3—旋转轴，4—压板，5—上保温板镶块，6—上保温板，7—中保温板，8—下保温板，9—结晶器本体，10—结晶器下板，11—结晶器内衬，12—引锭头，13—铝熔体，14—液位线，15—气粉混合体，16—固液两相区，17—凝固前沿线，18—复合材料锭，19—熔炼保温炉。具体实施方式以下结合附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步详述，以使本专利技术技术方案更易于理解和掌握。本专利技术碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，如图1所示，包括熔炼保温炉19、搅拌装置、保温装置、结晶器以及流槽1，熔炼保温炉2的其中一侧侧壁的底部设有熔体出口，为了方便控制熔体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：包括熔炼保温炉、搅拌装置、保温装置、结晶器以及流槽，所述熔炼保温炉设有熔体出口，所述保温装置内设有通道，所述结晶器安装于保温装置下方，所述熔体出口和所述流槽的入口相连通，所述流槽的出口和所述保温装置上通道的入口相连通，所述保温装置上通道的出口和结晶器的入口相连通，所述保温装置上设有通孔，该通孔与结晶器入口相连通，所述搅拌装置插入该通孔中。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：包括熔炼保温炉、搅拌装置、保温装置、结晶器以及流槽，所述熔炼保温炉设有熔体出口，所述保温装置内设有通道，所述结晶器安装于保温装置下方，所述熔体出口和所述流槽的入口相连通，所述流槽的出口和所述保温装置上通道的入口相连通，所述保温装置上通道的出口和结晶器的入口相连通，所述保温装置上设有通孔，该通孔与结晶器入口相连通，所述搅拌装置插入该通孔中。2.根据权利要求1所述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：所述保温装置的通道入口位于保温装置前侧，所述保温装置的通道出口位于保温装置下侧。3.根据权利要求1所述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：所述搅拌装置包括搅拌叶和旋转轴，所述搅拌叶安装于旋转轴下方，所述旋转轴呈中空状且上下两端均设有开口。4.根据权利要求3所述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：所述保温装置包括上保温板镶块，上保温板和下保温板，所述下保温板安装于结晶器上方，所述保温装置的通道出口设置于下保温板上，所述上保温板位于下保温板上方，所述上保温板与下保温板之间具有空隙形成所述保温装置的通道，所述上保温板上设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述上保温板的U型槽的槽口朝向流槽的出口，所述搅拌装置贯穿上保温板的U型槽和保温装置的通道出口，所述上保温板镶块镶嵌于上保温板的U型槽内。5.根据权利要求3所述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：所述上保温板和下保温板之间设有一中保温板，该中保温板上设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述中保温板上的U型槽的槽口朝向所述流槽的出口。6.根据权利要求3所述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金炎，林师朋，赵明宝，纪艳丽，郭世杰，长海博文，
申请(专利权)人：苏州有色金属研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32