纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制备装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制备装置，用于解决现有的制备过程需分预制体制备、预制体烧结和液体浸渗三种工艺进行的技术问题，其技术方案是将挤压模具、熔炼装置、电磁产生系统一体化设计，利用电磁场来实现复合材料的均匀搅拌、纳米纤维预取向以及确定纳米纤维的增强区域，通过挤压可一次快速成形纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制件。本实用新型专利技术采用电磁预取向和挤压取向相结合的方式，实现了纤维增强金属基复合材料中纤维的定向取向，可一次、低成本制造高性能的各向异性复合材料制件。通过线圈电源的交直流转换，方便地完成了均匀搅拌和纤维按需取向两个过程，使模腔内的增强纤维和金属均匀混合后定向取向。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种金属基复合材料制备装置，特别涉及一种纳米纤维定向和定 域增强金属基复合材料制备装置。
技术介绍
纳米纤维具有特殊的结构和优异的性能，以其作为增强材料，可制备出具有优异 综合性能的纳米纤维增强金属基复合材料。然而，纳米纤维在基体中的分布状态将对复合 材料的强化行为产生重要影响，当纤维在基体中呈定向分布时，所获得的强化效果远高于 三维随机分布，而且对于特殊功能构件，只需要对其进行局部复合材料增强。由此可见，为 最大程度地发挥纳米纤维对金属基体的增强作用，充分提高复合材料的可设计性，有必要 在制备过程中根据构件的受力特点控制纤维的分布状态。但是由于纳米短纤维之间存在很 强的范德华力，极易产生团聚，导致纳米纤维在复合材料中很难均勻分散，而且在目前的金 属基复合材料制备方法中较难实现对随机取向的短纤维实施定向和定域增强。文献“硅酸铝/ZL109复合材料的纤维定向及其磨损特征，李文方，黄岳山，蒙继 龙，曾美琴.材料科学与工程，1999，17 (2) :14 17”公开了一种纤维定向增强金属基复合 材料的制备方法，该方法先利用挤压方法制备纤维定向分布的预制件，然后对预制体进行 烧结，最后利用液体浸渗法制成纤维定向增强金属基复合材料块体。但是，该方法制备纤维 定向增强金属基复合材料要经过预制体制备、预制体烧结、液体浸渗三种工艺，所使用的预 制体制备装置包括凸模1、凹模桶4、成形模6、混合体17、预制体18，先将直径约为3 5 y m 的纤维按一定的体积分数与添加剂及具有良好流动性能的粘结剂混合，并将混合体17放 于凹模桶4中，凸模1下行在常温下挤压，随着混合体17的流动，纤维在其内部转动并趋向 于流动方向，形成纤维定向分布的预制体18，随后将预制体18放置于加热炉19中进行烧 结。液体浸渗装置主要包括凸模1、凹模桶4，将烧结好的预制体18置于凹模桶4内，在预 制体18上浇入金属液20，凸模1下行，在压力下金属液20渗入预制体18，制备得到纤维定 向增强的金属基复合材料。现有技术存在以下不足难于实现纳米纤维在基体金属中的均勻分布；只能实现 增强纤维在基体金属中沿挤压方向定向分布，难于实现按需定向和定域同时增强；而且整 个制备过程需分预制体制备、预制体烧结和液体浸渗三种工艺进行，操作步骤多。
技术实现思路
为了克服现有技术制备纤维定向增强金属基复合材料需分步进行以及无法制备 纤维定域增强金属基复合材料的不足，本技术提供一种纳米纤维定向和定域增强金属 基复合材料制备装置，利用电磁场来实现复合材料的均勻搅拌、纳米纤维预取向以及确定 纳米纤维的增强区域，随后通过挤压可一次快速成形纳米纤维定向和定域增强金属基复合 材料制件。本技术解决其技术问题所采用的技术方案一种纳米纤维定向和定域增强金3属基复合材料制备装置，包括凸模1、凹模桶4和成形模6，其特点是还包括熔炼装置、电磁 产生系统，所述熔炼装置包括B电阻加热器12，坩埚13，坩埚13通过安装有阀门15的管道 与气压罐16连通，坩埚13周围放置B电阻加热器12 ；进液管10将熔炼装置的坩埚与凸模 1和凹模桶4形成的模腔相连通，线圈5置于挤压模具A电阻加热器3的外侧；所述电磁产 生系统包括线圈5和电流源11 ；线圈5的两端分别与电流源11的两个接线端电连接，电流 源11产生的电流通入到线圈5中形成电磁场；所述电流源11由直流电源11-1、脉冲电源 11-2、变频控制器11-3、开关K1和开关K2组成，所述脉冲电源11-2的两端连接变频控制器 11-3，变频控制器11-3的一端通过开关K1连接到线圈5上，另一端直接连接到线圈5上； 直流电源11-1的一端通过开关K2连接到线圈5上，另一端直接连接到线圈5上；通过对开 关K1和开关K2的开合调整，实现线圈电源的交直流转换；所述凹模桶4置于下垫板7上， 成形模6是一个中间有通孔的圆柱体，置于凹模桶4之内、下垫板7之上，成形模6的外壁 和凹模桶4的内壁采用间隙配合；芯轴9置于成形模6的通孔中，芯轴9和成形模6之间 形成挤压空腔；垫块2位于凹模桶4之上，其外径大于凹模桶4内径；凸模1置于垫块2之 上，其外径和凹模桶4的内径满足间隙配合；冷却装置8置于下垫板7之上、凹模桶4外壁 下方，A电阻加热器3位于冷却装置8上方，套在凹模桶4的外壁。本技术的有益效果是采用电磁预取向和挤压取向相结合的方式，能实现纤 维增强金属基复合材料中纤维的按需取向，可一次、低成本制造高性能的各向异性复合材 料制件。线圈电源能够实现交直流转换，方便完成均勻搅拌和纤维按需取向两个过程，使模 腔内的增强纤维和金属均勻混合后定向取向。另外，纤维所受的电磁力的大小和方向可根 据控制电源的电流强度来随意调节，达到纤维增强区域可控的目的。以下结合附图和实施例对本技术作详细说明。附图说明图1是本技术制备纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料的装置结构示 意图。图2是具体实施例1中制备纳米纤维径向取向增强复合材料时挤压空腔形状示意 图。图3是具体实施例2中制备纳米纤维周向取向增强复合材料时挤压空腔形状示意 图。图4是具体实施例3中制备纳米纤维轴向取向增强复合材料时挤压空腔形状示意 图。图5是现有技术预制体制备装置结构示意图。图6是现有技术预制体烧结装置结构示意图。图7是现有技术液体浸渗装置结构示意图。图中，1-凸模，2-垫块，3-A电阻加热器，4-凹模桶，5-线圈，6-成形模，7-下垫板， 8-冷却装置，9-芯轴，10-进液管，11-电流源，11-1-直流电源，11-2-脉冲电源，11-3-变频 控制器，12-B电阻加热器，13-坩埚，14-复合材料坯料，15-阀门，16-气压罐，17-混合体， 18-预制体，19-加热炉，20-金属液，21-复合材料。具体实施方式实施例1 参见图1、图2，本实施例的制备纳米纤维定向和定域增强金属基复合材 料的装置，由挤压模具、熔炼装置、电磁产生系统组成，其相互连接关系为，熔炼装置通过进 液管10与挤压模具的模腔相连通，电磁产生装置置于挤压模具的外侧。所述挤压模具包括凸模1，垫块2，A电阻加热器3，凹模桶4，成形模6，下垫板7， 冷却装置8及芯轴9 ；所述的凹模桶4置于下垫板7上，成形模6是一个中间有通孔的圆柱 体，它同时置于凹模桶4之内、下垫板7之上，成形模6的外壁和凹模桶4的内壁采用间隙 配合；芯轴9置于成形模6的通孔中，芯轴9和成形模6之间形成挤压空腔，挤压空腔剖面 形状为对称Y型，通过保持挤压空腔环形直径为两端大、中间小的收缩流道，使纤维在剪切 拉伸作用下沿径向取向(见图2)；垫块2位于凹模桶4之上，其外径大于凹模桶4内径；凸 模1置于垫块2之上，其外径和凹模桶4的内径满足间隙配合公差；冷却装置8套在凹模桶 4外壁下方与挤压空腔相应的位置，同时置于下垫板7之上，A电阻加热器3位于冷却装置 8上方，也套在凹模桶4的外壁。所述熔炼装置包括B电阻加热器12，坩埚13，阀门15及气压罐16 ；其中，气压罐 16通过安装有阀门15的管道与坩埚13相连通，坩埚13周围放置B电阻加热器12。所述电磁产生系统包括线圈5和电流源11 ；线圈5的两端分别与电流源11的两 个接线端电连接，电流源11产生的电流通入到线圈5中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制备装置，包括凸模（１）、凹模桶（４）和成形模（６），其特征在于：还包括熔炼装置、电磁产生系统，所述熔炼装置包括Ｂ电阻加热器（１２），坩埚（１３），坩埚（１３）通过安装有阀门（１５）的管道与气压罐（１６）连通，坩埚（１３）周围放置Ｂ电阻加热器（１２）；进液管（１０）将熔炼装置的坩埚与凸模（１）和凹模桶（４）形成的模腔相连通，线圈（５）置于挤压模具Ａ电阻加热器（３）的外侧；所述电磁产生系统包括线圈（５）和电流源（１１）；线圈（５）的两端分别与电流源（１１）的两个接线端电连接，电流源（１１）产生的电流通入到线圈（５）中形成电磁场；所述电流源（１１）由直流电源（１１－１）、脉冲电源（１１－２）、变频控制器（１１－３）、开关Ｋ１和开关Ｋ２组成，所述脉冲电源（１１－２）的两端连接变频控制器（１１－３），变频控制器（１１－３）的一端通过开关Ｋ１连接到线圈（５）上，另一端直接连接到线圈（５）上；直流电源（１１－１）的一端通过开关Ｋ２连接到线圈（５）上，另一端直接连接到线圈（５）上；通过对开关Ｋ１和开关Ｋ２的开合调整，实现线圈电源的交直流转换；所述凹模桶（４）置于下垫板（７）上，成形模（６）是一个中间有通孔的圆柱体，置于凹模桶（４）之内、下垫板（７）之上，成形模（６）的外壁和凹模桶（４）的内壁采用间隙配合；芯轴（９）置于成形模（６）的通孔中，芯轴（９）和成形模（６）之间形成挤压空腔；垫块（２）位于凹模桶（４）之上，其外径大于凹模桶（４）内径；凸模（１）置于垫块（２）之上，其外径和凹模桶（４）的内径满足间隙配合；冷却装置（８）置于下垫板（７）之上、凹模桶（４）外壁下方，Ａ电阻加热器（３）位于冷却装置（８）上方，套在凹模桶（４）的外壁。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：齐乐华，苏力争，关俊涛，刘健，周计明，霍金星，李贺军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]