【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合材料预处理领域，涉及一种碳纤维金属基复合材料预处理装置及方法。
技术介绍
1、碳纤维增强金属基复合材料具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数的特点，是一种很有应用潜力的复合材料。
2、粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。使用粉末冶金方式制备碳纤维增强金属基复合材料时，碳纤维在粉末中的分散性会直接影响到制备完成的复合材料的性能，在分散性不良的情况下会使得制备过程中金属基体与碳纤维之间产生孔隙缺陷或纤维团聚等问题。
3、而现有预处理混粉过程中通常使用的球磨法，在球磨混粉中会由于玛瑙球(或钢球)的撞击使得碳纤维在混粉过程中破碎，使得难以控制复合材料中碳纤维的长度，并且不规则的破碎界面会在后续加工中产生不必要的缺陷；在少量粉体用球磨混合，球磨时大、中、小球的数量难以把控，搅拌过程中易沉淀在底部导致混合不均匀；球磨时间较长且过程繁琐；球磨过程中大量粉末粘黏在球上造成浪费。
技术实现思路
1、专利技术目的
2、为了解决现有球磨法混合碳纤维增强金属基复合材料粉末过程中碳纤维容易发生破碎，少量混粉会出现混合不均匀的问题，本专利技术提供了一种碳纤维金属基复合材料预处理装置及方法，通过旋转混合结合超声震动方法，使碳纤维增强金属基复合材在粉末混合过程中将碳纤维与金属粉末充分混合，并且保护碳纤维不在混粉过程中被破碎，从而提高碳纤维的分散性并提高碳纤维增强金属基复合材料成品性能。p>
3、技术方案
4、一种碳纤维金属基复合材料预处理装置，包括球形筒体、外壳、超声发生器、机架、第一旋转驱动机构、第二旋转驱动机构和底座；
5、所述球形筒体用于盛装需要混合的样品，所述球形筒体通过转动轴转动设置在外壳的内部，且所述转动轴的一端伸出外壳，
6、所述超声发生器固定设置在球形筒体的外壁上，所述超声发生器的发生端朝向球形筒体；
7、所述机架设置在底座上；
8、所述外壳通过连接轴转动设置在机架上，所述连接轴的一端伸出机架外；
9、所述第一旋转驱动机构设置在外壳上，且与连接轴伸出机架外的一端驱动连接。作为上述方案的进一步描述，所述外壳为环形结构；所述球形筒体内部具有容纳空间，在球形筒体的内壁阵列设置有凹槽，且相邻凹槽的间距为1-2mm。作为上述方案的进一步描述，所述第一旋转驱动机构包括第一伺服电机、第一皮带轮、第二皮带轮和第一传动带，所述第一伺服电机通过支架固定设置于外壳上，且在第一伺服电机的输出端设置有第二皮带轮；所述第一皮带轮设置在转动轴伸出外壳的一端；所述第一皮带轮和第二皮带轮之间通过第一传动带传动连接；
10、所述第二旋转驱动机构包括第二伺服电机、第三皮带轮、第四皮带轮和第二传动带，
11、所述第二伺服电机通过设置于机架上，且在第二伺服电机的输出端设置有第四皮带轮；所述第三皮带轮设置在连接轴伸出机架外的一端；所述第三皮带轮和第四皮带轮之间通过第一传动带传动连接。
12、作为上述方案的进一步描述，所述超声发生器设置有两个，且两个所述超声发生器对称设置在球形筒体的外壁上；所述外壳上还设置有配重块，所述配重块与第一伺服电机对称设置在外壳上；所述球形筒体的进料口设置有进料盖板，在进料盖板上设置有止逆气阀。
13、一种使用上述的碳纤维金属基复合材料预处理装置的预处理方法，包括以下步骤：
14、步骤1：将金属粉末和碳纤维放入球形筒体内；
15、步骤2：使用真空泵对球形筒体内部抽真空；
16、步骤3：启动超声发生器，调节超声频率，使球形筒体内部的金属粉末和碳纤维震动；
17、步骤4：启动第一旋转驱动机构，对球形筒体内部的金属粉末和碳纤维的混合体进行混合；
18、步骤5：启动第二旋转驱动机构，对球形筒体内部的金属粉末和碳纤维的进一步混合；
19、步骤6：调节第一旋转驱动机构和第二旋转驱动机构的输出频率使其充分混合；步骤7：待搅拌结束后打开进料盖板，将金属粉末和碳纤维的混合体倒出；
20、步骤8：将混合好的样品置于圆形压片模具中，在20mpa的压力下压制成碳纤维金属基复合材料预制体。
21、作为上述方案的进一步描述，所述步骤1中，首先向球形筒体内铺撒0.5～1mm厚金属粉末，其后向粉末表面均匀的散布短切碳纤维，所述短切碳纤维层的厚度在0.5mm内，然后按上述重复依次铺设金属粉末和短切碳纤维，其中短切碳纤维长度为1～10mm，金属粉末粒径8～15μm。
22、作为上述方案的进一步描述，所述步骤2中，使用真空泵与止逆气阀连接并对球形筒体内部抽真空，使球形筒体内气压为1～3pa，保持气压5～10min后进行止逆气阀的封闭。
23、作为上述方案的进一步描述，所述步骤3中启动超声发生器的固定超声频率为50～70khz，并设置其震动时间为2～4min，然后停止30s，按上述震动周期循环运行0.5～2小时直至混粉完成。
24、作为上述方案的进一步描述，所述步骤6中，第一伺服电机的输出频率：首先在30秒内从0r/min均匀加速至200r/min，然后保持200r/min转速运行30s，然后在30秒内从200r/min均匀减速至0r/min并暂停运行30s，然后重复上述工作至混粉结束；
25、其中第二伺服电机在第一伺服电机运行15s后启动，其输出频率为：首先在30秒内从0r/min均匀加速至200r/min，然后保持200r/min转速运行30s，然后在30秒内从200r/min均匀减速至0r/min并暂停运行30s，然后重复上述工作至混粉结束；其中第一伺服电机和第二伺服电机的总工作时长为0.5-2小时。
26、作为上述方案的进一步描述，所述步骤7中搅拌结束后打开止逆气阀，将搅拌均匀的金属粉末和碳纤维的混合体取出，首先打开进料盖板，将进料口调至向下，使球形筒体中混合完成的粉末向下滑出，然后启动超声发生器使用超声以40khz震动10s，使粘附在球形筒体内壁的粉末在超声的振动下被振落。
27、优点及效果
28、1.本专利技术利用变频搅拌的方法，使得在未加入钢丸的球形筒体中的样品在双轴转动的搅拌下更充分的混合，过程中粉末可能出现的氧化问题使用真空混合的方式解决，在腔室气压降低后超声引起的振动在球形筒体传播并使粘附于球形筒体内表面的粉末和碳纤维在超声场震动下能够有效的下脱离球形筒体内壁，并随着结合机械混合完成充分的混合。
29、2.本专利技术通过机械转动结合超声振动的方式，使位于球形筒体中的待混合物在超声与外界转动的共同作用下发生混合，对置超声场在其超声波干涉位置能够对粒径范围在10μm附近的小颗粒产生吸附，使部分细小颗粒在其作用下位移至干涉相消位置，在干涉相长位置粉末振动更加剧烈，在其震动的附近进行混合，结合内壁凹槽，由于凹槽间距于声波波长相近，更容易在凹槽出产生更明显本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碳纤维金属基复合材料预处理装置，其特征在于，包括球形筒体(1)、外壳(2)、超声发生器(1a)、机架(8)、第一旋转驱动机构(5)、第二旋转驱动机构(6)和底座(11)；
2.根据权利要求1所述的碳纤维金属基复合材料预处理装置，其特征在于：所述外壳(2)为环形结构；所述球形筒体(1)内部具有容纳空间，在球形筒体(1)的内壁阵列设置有凹槽，且相邻凹槽的间距为1-2mm。
3.根据权利要求2所述的碳纤维金属基复合材料预处理装置，其特征在于：所述第一旋转驱动机构(5)包括第一伺服电机(3)、第一皮带轮(5a)、第二皮带轮(5c)和第一传动带(5b)，所述第一伺服电机(3)通过支架(4)固定设置于外壳(2)上，且在第一伺服电机(3)的输出端设置有第二皮带轮(5c)；所述第一皮带轮(5a)设置在转动轴伸出外壳(2)的一端；所述第一皮带轮(5a)和第二皮带轮(5c)之间通过第一传动带(5b)传动连接；
4.根据权利要求3所述的碳纤维金属基复合材料预处理装置，其特征在于：所述超声发生器设置有两个，且两个所述超声发生器对称设置在球形筒体(1)的外壁上；
5.一种使用权利要求4所述的碳纤维金属基复合材料预处理装置的预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的预处理方法，其特征在于，所述步骤1中，首先向球形筒体(1)内铺撒0.5～1mm厚金属粉末，其后向粉末表面均匀的散布短切碳纤维，短所述切碳纤维层的厚度在0.5mm内，然后按上述重复依次铺设金属粉末和短切碳纤维，其中短切碳纤维长度为1～10mm，金属粉末粒径8～15μm。
7.根据权利要求5所述的预处理方法，其特征在于，所述步骤2中，使用真空泵与止逆气阀(7a)连接并对球形筒体(1)内部抽真空，使球形筒体内(1)气压为1～3Pa，保持气压5～10min后进行止逆气阀(7a)的封闭。
8.根据权利要求5所述的一种旋转搅拌装置的使用方法，其特征在于，所述步骤3中启动超声发生器的固定超声频率为50～70kHz，并设置其震动时间为2～4min，然后停止30s，按上述震动周期循环运行0.5～2小时直至混粉完成。
9.根据权利要求6所述的预处理方法，其特征在于，所述步骤6中，第一伺服电机(3)的输出频率：首先在30秒内从0r/min均匀加速至200r/min，然后保持200r/min转速运行30s，然后在30秒内从200r/min均匀减速至0r/min并暂停运行30s，然后重复上述工作至混粉结束；
10.根据权利要求5所述的预处理方法，其特征在于，所述步骤7中搅拌结束后打开止逆气阀(7a)，将搅拌均匀的金属粉末和碳纤维的混合体取出，首先打开进料盖板(7b)，将进料口调至向下，使球形筒体(1)中混合完成的粉末向下滑出，然后启动超声发生器(1a)使用超声以40kHz震动10s，使粘附在球形筒体(1)内壁的粉末在超声的振动下被振落。
...【技术特征摘要】
1.一种碳纤维金属基复合材料预处理装置，其特征在于，包括球形筒体(1)、外壳(2)、超声发生器(1a)、机架(8)、第一旋转驱动机构(5)、第二旋转驱动机构(6)和底座(11)；
2.根据权利要求1所述的碳纤维金属基复合材料预处理装置，其特征在于：所述外壳(2)为环形结构；所述球形筒体(1)内部具有容纳空间，在球形筒体(1)的内壁阵列设置有凹槽，且相邻凹槽的间距为1-2mm。
3.根据权利要求2所述的碳纤维金属基复合材料预处理装置，其特征在于：所述第一旋转驱动机构(5)包括第一伺服电机(3)、第一皮带轮(5a)、第二皮带轮(5c)和第一传动带(5b)，所述第一伺服电机(3)通过支架(4)固定设置于外壳(2)上，且在第一伺服电机(3)的输出端设置有第二皮带轮(5c)；所述第一皮带轮(5a)设置在转动轴伸出外壳(2)的一端；所述第一皮带轮(5a)和第二皮带轮(5c)之间通过第一传动带(5b)传动连接；
4.根据权利要求3所述的碳纤维金属基复合材料预处理装置，其特征在于：所述超声发生器设置有两个，且两个所述超声发生器对称设置在球形筒体(1)的外壁上；所述外壳(2)上还设置有配重块(12)，所述配重块(12)与第一伺服电机(3)对称设置在外壳(2)上；所述球形筒体(1)的进料口(7)设置有进料盖板(7b)，在进料盖板(7b)上设置有止逆气阀(7a)。
5.一种使用权利要求4所述的碳纤维金属基复合材料预处理装置的预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的预处理方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：李广龙，王子木，张杰，董书琳，张伟，周珊，刘文杰，曲迎东，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：
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