CN101376170B - 镁基-碳纳米管复合材料的制造设备及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镁基-碳纳米管复合材料的制造设备，该制造设备包括一触变成形机、一压铸模具及一进料装置。本发明还涉及一种使用该制造设备制备镁基-碳纳米管复合材料的方法，其包括以下步骤：提供大量的镁颗粒和大量的碳纳米管；用一吸气装置将上述的镁颗粒和碳纳米管吸入触变成形机中，形成一镁颗粒和碳纳米管的混合体；加热上述混合体，形成一触变态的浆料；将上述浆料喷入一压铸模具中，冷却后，形成镁基-碳纳米管复合材料。使用本发明所述的制造设备所制备的镁基-碳纳米管复合材料，由于其中的碳纳米管分散均匀，从而具有强度高和韧性好等优点，可广泛地应用于3C产品、汽车零部件、航天航空零部件等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制造设备及其制造方法，尤其涉及一种镁基-碳纳米管复合材料的制造设备及其制造方法。
背景技术
镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁的比重是1.74克每立方厘米(g/cm3)，只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4，具有比强度、比刚度、吸震降噪性能好、铸造性能好、储量丰富、易于回收利用等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。因此，镁合金在这方面可以发挥更大的优势。由于其特殊的性能，所以广泛用于航空航天领域、汽车行业和信息产业当中。但是，铸造镁合金的绝对强度低、组织较软、高温性能较差等弱点，使得镁合金仅能用来制造壳类等不能承受较大载荷的零件。而镁基复合材料具有更高的比强度、比刚度，同时还可能具有较好的耐磨性、耐高温性能。所以，相比镁合金，镁基复合材料具有更大的潜在的应用前景。
目前，主要是采用向镁基复合材料中加入纳米级颗粒增强体的方式提高镁基复合材料的强度和韧性。具有纳米级晶体的碳纤维或碳纳米管等碳纳米材料，其形状为类似于圆柱形弯曲片材的物质，其中碳原子以六边形网格形式排列，具有1.0-150纳米(nm)直径和最长至100微米(μm)长度。这些物质的抗拉强度为钢的100倍，其密度为1.35g/cm3，膨胀率低、导热、导电性及可滑动性能好，是理想的纳米晶须增强增韧材料。
向镁基复合材料中加入上述的纳米级颗粒的一种典型工艺是半固态成形工艺。半固态成形工艺主要包括压铸和触变注射成形。由于镁基复合材料锭料在二次加热时易氧化燃烧，因此当前主要采用触变注射成形工艺制备镁基复合材料。采用触变成形注射工艺制备镁基复合材料的具体过程如下：将基体切削加工成细颗粒状，同时加入增强颗粒，将混合物颗粒装入料斗中，通入氩气进行保护，当复合材料颗粒运动到加热部位时，将呈部分融熔状态的形成了具有触变结构的半固态料，在螺旋体作用下，当其累计到一定的体积时，再被高速注射到已经被抽空的预热模具中成形。在整个触变注射成形的过程中，镁基复合材料可以像热塑性塑料一样流动成形，清洁，安全，原材料消耗大大减少和没有熔渣产生，更不需熔炼液态金属和浇注等过程，成形件可达到很高的精度，缩松少，致密度高。
将碳纳米管作为镁基复合材料的增强体可表现出良好的强度和韧性，所以镁基-碳纳米管复合材料有可能具有极好的综合机械性能。但是，采用上述的半固态成形工艺制备的镁基-碳纳米管复合材料中存在着碳纳米管分散不均匀的问题(请参见，Development of novel carbon nanotube reinforcedmagnesium nanocomposites using the powder metallurgy technique，C S Goh etal.，Nanotechnology，vol17，p7(2006))。由于碳纳米管在镁基-碳纳米管复合材料中分散不均匀，从而导致了镁基-碳纳米管复合材料在强度和韧性方面没有达到预期的要求。
因此，确有必要提供一种镁基-碳纳米管复合材料的制造设备及其制造方法，使用该制造设备制备的镁基-碳纳米管复合材料中的碳纳米管分散均匀，且该镁基-碳纳米管复合材料具有强度高及韧性好的优点。
发明内容
一种镁基-碳纳米管复合材料的制造设备，该制造设备包括一触变成形机、一压铸模具及一进料装置，所述的触变成形机包括一加热桶、一供料口及一喷嘴，供料口设置在加热桶的第一端，喷嘴设置在加热桶与第一端相对的第二端，所述的压铸模具设置于上述的喷嘴处，所述的触变成形机进一步包括一加热带、一螺杆，该加热带环绕在加热桶的外围，该螺杆设置在加热桶的轴心处，进料装置包括一料斗，该料斗设置在供料口上，其中，上述的进料装置还进一步包括一吸气装置、一第一料桶、一第二料桶及输料管，上述吸气装置设置在料斗上，料斗与第一料桶和第二料桶之间用输料管连接。
一种使用上述的制造设备制备镁基-碳纳米管复合材料的方法，该方法包括以下步骤：提供大量的镁颗粒和大量的碳纳米管；用一吸气装置将上述镁颗粒和碳纳米管吸入触变成形机中，形成一镁颗粒和碳纳米管混合体；加热上述混合体，形成一触变态的浆料；将上述浆料喷入一压铸模具中，冷却后，形成镁基-碳纳米管复合材料。
与现有技术相比较，所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造设备及其制造方法，利用制造设备的吸气装置吸气时产生的负压，将镁颗粒和碳纳米管通过输料管吸入料斗中，由于镁颗粒和碳纳米管在输料管中不断碰撞，从而在料斗中形成镁颗粒和碳纳米管混合均匀的混合体。另外，通过调节开关阀的大小控制进入料斗中的镁颗粒和碳纳米管的吸入量，防止在料斗中积存大量的镁颗粒和碳纳米管的混合体造成上述的混合体成分偏析，从而使得镁颗粒和碳纳米管的混合体在进入加热桶时混合均匀。此外，通过螺杆在触变态浆料中的螺旋搅拌，使镁颗粒和碳纳米管在触变态浆料中分布进一步均匀化。因此，利用本发明所提供的制造设备所制备的镁基-碳纳米管复合材料，由于其中的碳纳米管分散均匀，从而具有强度高和韧性好的优点，可广泛地应用于3C产品、汽车零部件、航天航空零部件等方面。
附图说明
图1是本技术方案镁基-碳纳米管复合材料的制造设备的结构示意图。
图2是本技术方案镁基-碳纳米管复合材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本技术方案所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造设备及其制造方法作进一步的详细说明。
请参阅图1，本技术方案提供了一种镁基-碳纳米管复合材料9的制造设备10，该制造设备10包括一触变成形机5、一压铸模具6及一进料装置7。所述触变成形机5包括一加热桶51、一供料口52及一喷嘴53，供料口52设置在加热桶51的第一端，喷嘴53设置在加热桶51与第一端相对的第二端，所述压铸模具6设置于喷嘴53处。所述触变成形机5进一步包括一加热带54、一螺杆56。该加热带54环绕在加热桶51的外围，在加热带54的外围设置一保温层55，该保温层55可以起到保持加热桶内部温度恒定的作用。螺杆56设置在加热桶51的轴心处，且可以在加热桶51中旋转。进料装置7包括一料斗71、一吸气装置72、第一料桶73、第二料桶74及输料管75。料斗71设置在供料口52上，吸气装置72设置在料斗71上，输料管75连接料斗71与第一料桶73和第二料桶74。在第一料桶73中放置大量的镁颗粒3，在第二料桶74中放置大量的碳纳米管4。吸气装置72吸气时可以产生负压，该负压可以将第一料桶73中的镁颗粒3和第二料桶74中的碳纳米管4通过输料管75吸入料斗71中。
本实施例中，吸气装置72为一吸气泵，连接料斗71与第一料桶73和第二料桶74的输料管75为一Y型输料管，在连接第一料桶73的Y型输料管75第一个分支753上设置有第一开关阀751，可以调节第一开关阀751的大小来控制第一料桶73中的镁颗粒3吸入料斗71中的吸入量。在一连接第二料桶74的Y型输料管75第二分支754上设置有第二开关阀752，可以调节第二开关阀752的大小来控制第二料桶74中的碳纳米管3吸入料斗71中的吸入量。
请参阅图2，使用上述的镁基-碳纳米管复合材料9的制造设备10制造镁基-碳纳米管复合材料9的方法，其具体包括以下步骤：
(一)提供大量的镁颗粒3和大量的碳纳米管4分别置于第一料桶73和第二料桶74中。
其中，镁颗粒3为纯镁颗粒或镁合金颗粒，碳纳米管4为市场上销售的普通碳纳米管。本实施例中镁颗粒3为纯镁颗粒，平均直径为20纳米(nm)-100微米(μm)。所采用的碳纳米管4的直径为1.0nm-150nm，长度在1μm-10μm。此外，所述镁合金颗粒的组成为镁和锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙等元素的一种或多种，其中镁元素的质量百分比大于80％，其他元素的总质量百分比小于20％。
(二)用一吸气装置72将上述的镁颗粒3和碳纳米管4吸入触变成形机5中，形成一镁颗粒3和碳纳米管4的混合体91。
其中，用一吸气装置72将上述的镁颗粒3和碳纳米管4吸入触变成形机5的料斗71中进行混合，形成一镁颗粒3和碳纳米管4的混合体。将镁颗粒3和碳纳米管4在触变成形机5的料斗71中进行混合的具体过程为：打开第一开关阀751和第二开关阀752，同时使吸气泵72开始吸气；由吸气泵72吸气时产生的负压，将盛料桶1中的镁颗粒3和盛料桶2中的碳纳米管4通过Y型输料管75吸入料斗71中，在将镁颗粒3和碳纳米管4吸入Y型输料管75的过程中，镁颗粒3和碳纳米管4将会在Y型输料管75中相互碰撞，从而使得吸入到料斗71中的镁颗粒3和碳纳米管4形成均匀的混合体91。
其中，采用吸气泵72进行吸气时，在料斗71产生的负压的大小可以根据需要进行选择。此外，在将镁颗粒3和碳纳米管4进行混合时，可以根据需要选择第一开关阀751和第二开关阀752的大小。
可以理解，在上述的输料管75和吸气泵72与料斗71的连接处，具有很好的密封性。吸气泵72吸气时产生的负压会将镁颗粒3和碳纳米管4吸入料斗57中，在上述的将镁颗粒3和碳纳米管4吸入的过程中，可以通过调节第一开关阀751和第二开关阀752的大小，进而控制料斗71中的镁颗粒3和碳纳米管4的吸入量，从而确保在料斗71中不积存大量的镁颗粒3和碳纳米管4的混合体91，以防止由于镁颗粒3和碳纳米管4的密度相差较大，而造成混合体91的成分偏析。
(三)加热镁颗粒3和碳纳米管4的混合体91，形成一触变态的浆料92。
其中，将镁颗粒3和碳纳米管4的混合体91由料斗71进入加热桶52时，被环绕在加热桶52外围的加热带54加热至预定温度。该预定温度只需确保上述混合体91被加热至触变态的浆料92即可。在加热混合体91时，由于螺杆56在加热桶52内不停地旋转搅拌，从而使得碳纳米管4均匀分布于触变态浆料92中。优选地，加热桶51内充满惰性气体，以防止氧化。
在加热带54上设置的一保温层55，可以保证加热过程中在加热桶51中形成的触变态浆料92不至于降温过快。
(四)将浆料92喷入一压铸模具6中，冷却后，形成镁基-碳纳米管复合材料9。
将浆料92喷入一压铸模具6中，由于螺杆56的旋转，从而产生的压射作用，将加热桶51内的浆料92送往喷嘴53，进而喷入压铸模具6并充满压铸模具6；冷却后，形成一镁基-碳纳米管复合材料9。
可以理解，本技术方案所述的将浆料92喷入压铸模具6的方式，并不仅限于本实施例中所述的通过一螺杆56的旋转将触变态浆料92喷入压铸模具6中的方式；也可为采用类似用在铸造树脂的螺旋形预塑化喷射设备的喷射装置将触变态浆料92喷入压铸模具6中。
本技术方案实施例采用上述的制造设备制备镁基-碳纳米管复合材料9的方法中，由于采用吸气泵72吸气时产生的负压将镁颗粒3和碳纳米管4吸入料斗71中混合，且在吸入的过程中，镁颗粒3和碳纳米管4在Y型输料管75中不断碰撞，从而在料斗71中形成镁颗粒3和碳纳米管4均匀分散的混合体91。
另外，本技术方案实施例中采用吸气泵72吸气时产生的负压将镁颗粒3和碳纳米管4吸入料斗71中的方式，可以通过控制第一开关阀751和第二开关阀752的大小间断地向料斗71中加入一定量的混合体91，从而确保触变成形机5的正常运转，但又使得料斗71中不至于积存大量的混合体91。上述的间断地向料斗71加料的方式可以防止由于镁颗粒3和碳纳米管4的密度相差较大，在混合体91中产生成分偏析。此外，本技术方案还可为连续不断地向料斗71中吸入混合体91，通过控制第一开关阀751和第二开关阀752的大小，从而确保触变成形机5正常运转且不积存大量的混合体91。相较于传统的一次向料斗71中加入大量的镁颗粒3和碳纳米管4的混合体91的方式，其容易在料斗71处积存的大量的混合体，而在上述的混合体中产生较大的成分偏析。故，本技术方案实施例由于采用一吸气泵72将镁颗粒3和碳纳米管4吸入料斗71中的方式，可以有效地避免镁颗粒3和碳纳米管4的混合体91加入料斗71后产生成分偏析。
在上述的镁颗粒3和碳纳米管4的混合体91进入加热桶51之后，通过螺杆56在触变态浆料92中的旋转搅拌，使得碳纳米管4在触变态的浆料92中的分布进一步均匀化，从而喷入压铸模具6后，形成碳纳米管4分散均匀的镁基-碳纳米管复合材料9。由于碳纳米管4在镁基-碳纳米管复合材料9中均匀分散，所以利用技术方案所提供的制造设备所制备的镁基-碳纳米管复合材料9具有强度高和韧性好等优点。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (12)
1.一种镁基-碳纳米管复合材料的制造设备，该制造设备包括一触变成形机、一压铸模具及一进料装置，所述的触变成形机包括一加热桶、一供料口及一喷嘴，供料口设置在加热桶的第一端，喷嘴设置在加热桶与第一端相对的第二端，所述的压铸模具设置于上述的喷嘴处，所述的触变成形机进一步包括一加热带、一螺杆，该加热带环绕在加热桶的外围，该螺杆设置在加热桶的轴心处，进料装置包括一料斗，该料斗设置在供料口上，其特征在于，上述的进料装置还进一步包括一吸气装置、一第一料桶、一第二料桶及输料管，上述吸气装置设置在料斗上，料斗与第一料桶和第二料桶之间用输料管连接。
2.如权利要求1所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造设备，其特征在于，在加热带的外围设置一保温层。
3.如权利要求1所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造设备，其特征在于，所述的吸气装置为一吸气泵。
4.如权利要求1所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造设备，其特征在于，在第一料桶中放置有大量的镁颗粒，在第二料桶中放置有大量的碳纳米管。
5.如权利要求1所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造设备，其特征在于，连接料斗与第一料桶和第二料桶的输料管为一Y型输料管。
6.如权利要求5所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造设备，其特征在于，在连接第一料桶的Y型输料管第一个分支上设置有第一开关阀，在连接第二料桶的Y型输料管第二分支上设置有第二开关阀。
7.使用如权利要求1所述的制造设备制备镁基-碳纳米管复合材料的方法，其包括以下步骤：
提供大量的镁颗粒和大量的碳纳米管；
用一吸气装置将上述的镁颗粒和碳纳米管吸入触变成形机中，形成一镁颗粒和碳纳米管的混合体；
加热上述混合体，形成一触变态的浆料；以及
将上述浆料喷入一压铸模具中，冷却后，形成镁基-碳纳米管复合材料。
8.如权利要求7所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造方法，其特征在于，所述的镁颗粒为纯镁颗粒或镁合金颗粒，镁颗粒的平均直径为20纳米-100微米，碳纳米管的直径为1.0纳米-150纳米，长度在1微米-10微米。
9.如权利要求8所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造方法，其特征在于，所述镁合金颗粒的组成为镁和锌、锰、铝、锆、钍、锂、银、钙等元素的一种或多种，其中镁元素的质量百分比大于80％，其他元素的总质量百分比小于20％。
10.如权利要求7所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造方法，其特征在于，通过吸气装置将镁颗粒和碳纳米管吸入触变成形机的料斗中进行混合。
11.如权利要求7所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造方法，其特征在于，加热镁颗粒和碳纳米管混合体形成触变态浆料的过程中，通过螺杆的旋转进行搅拌。
12.如权利要求7所述的镁基-碳纳米管复合材料的制造方法，其特征在于，通过螺杆的旋转将触变态浆料喷入压铸模具中。
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