一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法制造方法及图纸

本公开涉及复合材料制备领域，主要涉及碳增强铝基复合材料，具体提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法。所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统，所述搅拌系统中包含制备室及搅拌杆，所述搅拌杆上套有可拆卸的压盖，所述压盖上有插向制备室溶液中的挡板，所述压盖与制备室的边缘紧密配合。避免液态搅拌铸造法中由于搅拌重心存在导致的成分偏聚现象，实现碳在铝液内部的均匀分散，提高界面之间的结合。

【技术实现步骤摘要】
一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法
本公开涉及复合材料制备领域，主要涉及碳增强铝基复合材料，具体提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法。
技术介绍
随着经济的发展，人们对金属材料的需求越来越大，其中铝由于价格低廉而被广泛应用，其中，纯铝或铝合金的应用最广。铝合金虽然具有优异的力学性能，同时具有良好的导电性与导热性，但随着应用场景的复杂化，对材料的性能也要求越来越高，单纯的铝合金材料已经很难满足很多特定场景下的应用。现有技术中常常以石墨烯及其他具有石墨结构的材料(如碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等)作为纯铝及铝合金的增强相来进一步提高纯铝或铝合金的综合性能，使铝碳复合材料可以应用到更广泛的领域中。目前铝碳复合材料的制备存在一些技术难题，一是石墨烯及其他具有石墨结构的材料(如碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等)容易在铝基体中发生团聚：如石墨烯与碳纳米管作为纳米材料其本身分散性较差，在铝基体中，极易产生团聚问题。二是界面化合物Al4C3的形成：铝碳复合材料的界面反应难以控制，容易形成Al4C3脆性化合物，破坏复合材料的力学等性能。三是碳材料与铝基体的润湿性差，不易形成较强的界面结合。铝碳复合材料的制备方法主要分为以粉末冶金为代表的固态法和以搅拌铸造为代表的液态法。固态法的优点是通过球磨可以实现碳材料在铝基体中更好的分散性且界面结合好，成分易调控，可以实现碳材料含量的精确控制。而固态法的缺点在于工艺复杂、制备成本高、制备效率低、复合材料的尺寸受限大，因此以目前的技术水平难以工业化生产。对于液态搅拌铸造法来说，其工艺流程简单、制备成本低、生产效率高、材料的尺寸不受限制，可以制备大型零件并实现工业化生产。但专利技术人发现，由于搅拌过程中液体重心偏移，极易发生成分偏聚现象，对复合材料的性能影响很大。且由于碳材料密度小于铝基体且纳米碳材料极易团聚，因此想要直接加入铝液内部并且均匀的分散实现起来非常困难，并且还存在界面结合不好的问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法，避免液态搅拌铸造法中由于搅拌重心存在导致的成分偏聚现象，实现碳在铝液内部的均匀分散，提高界面之间的结合。本专利技术第一方面，提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置，所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统，所述搅拌系统中包含制备室及搅拌杆，所述搅拌杆上套有可拆卸的压盖，所述压盖上有插向制备室溶液中的挡板，所述压盖与制备室的边缘紧密配合。优选的，挡板片数为2-6片。优选的，所述搅拌系统包括升降台，所述升降台位于搅拌杆上方，搅拌杆下方末端包括可拆卸的搅拌头，升降台由升降系统控制升降。优选的，所述升降系统包括升降杆，升降杆上安装有定滑轮，定滑轮一端连接升降块，另一端连接配重块，所述升降块套在升降杆上，升降块与升降台通过连杆相连。优选的，所述制备碳增强铝基复合材料的装置还包括外置手持加粉装置。优选的，所述制备室外套有加热保温装置。本专利技术第二方面，提供一种制备碳增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：1)将纯铝或铝合金在中频感应炉中进行熔炼并对金属液进行除渣除气；2)将待添加的石墨结构的材料用铝箔包裹好，或将石墨结构的材料与铝粉混合或其它形式掺杂压块，制成添加相，将所述添加相置于手持加粉装置末端或螺杆输送器上；3)将步骤1)中熔炼、除渣除气后的金属液移入权利要求1-5任一项所述的制备碳增强铝基复合材料的装置的制备室中，保温一段时间后将搅拌头降入靠近金属液底部，调节好高度后将搅拌杆固定，调节转速至金属液中心出现漩涡；4)将步骤2)中的添加相插入漩涡中，添加相将被搅入金属液中，将压盖放入制备器中，并使压盖紧贴铝液表面，调整转速，搅拌；5)搅拌结束后，关闭搅拌装置，取出压盖并将搅拌杆升起，对金属液表面进行扒渣，取出制备室并将金属液浇注至特定的模具中，冷却，即得到碳增强铝基复合材料。优选的，步骤1)中，熔炼时间为5-30min。优选的，步骤3)中，保温10～30min，保温温度为金属液相线20～100℃。优选的，步骤4)中，转速为1000rpm/min～2800rpm/min，搅拌2～10min。优选的，通过升降台控制搅拌头的升降及固定。有益效果：1)压盖部分有2-6片插入铝液中的挡板，挡板的存在可以防止在搅拌过程中铝液中心形成漩涡后铝液整体转动，因此挡板的存在可以大大增加搅拌头与铝液之间的剪切力，提高铝液与具有石墨结构的材料(如石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等)之间的剪切力，从而在这种剪切力的作用下将团聚的在一起的增强体颗粒打开并随铝液的流动均匀的分散到铝基体中，实现碳材料在铝液中的均匀分布，使增强体与铝基体界面结合较好，提高复合材料性能。2)压盖与制备室的边缘配合紧密，在搅拌过程中贴在铝液的表面，防止搅拌过程中铝液剧烈的上翻，提高搅拌过程中的安全性，减少铝液与空气的接触，减少铝液在搅拌过程中的氧化。3)搅拌头通过螺母固定于搅拌杆的末端，可以随时对搅拌头进行更换，相比于搅拌头于搅拌杆一体化的设计，减少了生产过程中搅拌头磨损后的成本，并可以调节搅拌叶片的片数及更换其他类型的搅拌叶片。4)本设备的结构简单，易于实现，制作成本低。附图说明图1为实施例1所述制备碳增强铝基复合材料的装置图。其中：1.升降块；2.配重块；3.定滑轮；4.搅拌杆；5.压盖；6.制备室；7.加热保温装置；8.搅拌头；9.挡板；10.电机；11.转速输入模块；12.升降杆；13.升降台。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。本公开所述的“成分偏聚”是指固溶体内溶质原子富集的小区域(偏聚区)的形成过程。本公开所述的“石墨结构的材料”是指石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等具有石墨环状结构的材料。本公开所述的制备室为能够进行搅拌的常规容器。本公开所述的转速输入模块为可以输入转速的转速控制器。实施例1如图1所示，本实施例提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置，所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统。所述转速控制系统包括转速输入模块11和与其相连的电机10。所述搅拌系统包括制备室6，制备室6外部套有加热保温装置7，便于加热结束后立即开始搅拌，在搅拌过程中保持温度防止金属液降温。制备室6内有搅拌杆4，搅拌杆4下方末端有可拆卸的搅拌头8，所述搅拌头8由2～4片均匀分布的叶片组成，优选为4片，叶片长度为制备室7内径的0.5～0.9，优选为0.6。叶片平面与水平面夹角为0～20°，搅拌头8也可以为其他形式的搅拌叶片，如立体式。所述搅拌头4由于搅拌金属液，在实际生产中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统，所述搅拌系统中包含制备室及搅拌杆，所述搅拌杆上套有可拆卸的压盖，所述压盖上有插向制备室溶液中的挡板，所述压盖与制备室的边缘紧密接触。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统，所述搅拌系统中包含制备室及搅拌杆，所述搅拌杆上套有可拆卸的压盖，所述压盖上有插向制备室溶液中的挡板，所述压盖与制备室的边缘紧密接触。


2.如权利要求1所述的制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述搅拌系统包括升降台，所述升降台位于搅拌杆上方，搅拌杆下方末端包括可拆卸的搅拌头，升降台由升降系统控制升降。


3.如权利要求2所述的制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述升降系统包括升降杆，升降杆上安装有定滑轮，定滑轮一端连接升降块，另一端连接配重块，所述升降块套在升降杆上，升降块与升降台通过连杆相连。


4.如权利要求1所述的制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述制备碳增强铝基复合材料的装置还包括外置手持加粉装置。


5.如权利要求1所述的制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述制备室外套有加热保温装置。


6.一种制备碳增强铝基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将纯铝或铝合金在中频感应炉中进行熔炼并对金属液进行除渣除气；
2)将待添加的石墨结构的材料用铝箔包裹好，或将石墨结构的材料与铝粉混...

【专利技术属性】
技术研发人员：田学雷，仇法文，张效夫，蔡武豪，郑洪亮，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37