CN103974801B - 使用压扭的螺旋层压复合材料的制备方法 - Google Patents

使用压扭的螺旋层压复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有新型结构的复合材料的制备方法，其中两种或更多种不同类型的金属件被交替地周向设置并通过压扭给材料周向地施加塑性变形，从而层之间能够进行良好的金属结合，在复合材料制备过程中同时施加大的剪切变形，从而通过材料的晶粒细化改善材料的机械性能，如强度、硬度、耐磨性和类似性能。根据本发明的复合材料的制备方法包括以下步骤：(a)制备包括不同金属的两种或更多种类型的单元金属试样；(b)在具有上模和下模的模具内周向地设置所述两种或更多种类型的单元金属试样；(c)利用所述上模和所述下模对加载的金属试样施加压应力；以及(d)旋转所述上模和所述下模中的一个或两个以对受压的金属试样施加扭矩。

Description

使用压扭的螺旋层压复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及具有螺旋结构的层压复合材料的制备，更具体地，涉及一种新型复合材料的制备方法，其中两种或更多种类型的金属试样被周向地交替设置，然后经受压扭(compressivetorsion)以向设置的金属试样施加周向的塑性变形，从而在两种或更多种类型的金属之间形成螺旋的金属结合并同时通过复合制造步骤中施加的大剪切变形改善材料的机械性能，例如强度、硬度、耐磨性等。
背景技术
近来随着对多功能材料需求的日益增加，当任何材料不能满足不同的所需性能时，会通过混合具有优良性能的不同材料制造具有更高性能的材料。
典型地通过包括金属-陶瓷层压板的绝缘材料示例。这种绝缘材料通过混合具有机械刚性的金属和具有隔热的陶瓷，补偿金属的低隔热和陶瓷的脆性。
复合材料的示例包括通过简单地层压两种材料的层压复合材料、通过混合粉末形式的两种组分的颗粒的颗粒复合材料、通过在特定的方向上在基体中植入钢丝或纤维的纤维增强复合材料。
特别地，层压材料主要用于飞机机翼或绝缘材料，由混凝土或通过粉末冶金制造的复合材料是颗粒复合材料的典型示例。而且，纤维增强复合材料可被用在橡胶软管、汽车轮胎等中。
最近，作为轻质结构的新型材料，两种不同材料的层压复合材料受到关注，因为用于单层的材料的性能可被一起使用，从而可以获得例如高的强度和硬度的优异机械性能，优异的耐磨性能或超塑性。
同时，全球正在对晶粒细化进行详尽的研究以改善材料的性能。当金属经历塑性加工时，具有小角度晶界的位错胞结构开始形成，从而，与变形量成比例地增加，位错胞亚晶粒的角度晶界增加并且晶粒还开始逐渐细化。对使用上述性能的金属施加大量的变形从而将金属的晶粒细化为超细晶粒或纳米晶粒的方法被称为“刚塑性处理”，其近来已经变得日益普遍。
在刚塑性处理中，剪切变形，而不是压变形或拉变形，在塑性变形条件方面更有影响，塑性变形条件影响金属的晶粒细化。因此，必须设计模具的形状从而在刚塑性处理过程中尽可能地发生剪切变形。目前已经发展了多种刚塑性处理，包括ECAP(等通道转角挤压)、HPT(高压扭转)、ARB(累积轧合)、ECAR(等径角轧制)等。
发明内容
技术问题
因此，本发明的目的是提供一种层压复合材料的制备方法，与传统方法相比，其能够更简单地制造具有各种结构的复合材料，从而对应于不同性能的需求。
本发明的另一个目的是提供一种复合材料，其包括在厚度方向上螺旋地层压的两种或更多种类型的金属，并且其中其结构可被不同地改变，从而获得简单的层压复合材料无法得到的性能。
技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种制备层压复合材料的方法，该方法包括以下步骤：(a)制备包括不同金属的两种或更多种类型的单元金属试样；(b)在具有上模和下模的模具内周向地设置所述两种或更多种类型的单元金属试样；(c)利用所述上模和所述下模对加载的金属试样施加压应力；以及(d)旋转所述上模和所述下模中的一个或两个以对受压的金属试样施加扭矩。
而且，在根据本发明的方法中，在步骤(b)中，所述两种或更多种类型的单元金属试样可以被周期性地或非周期性地周向设置。
而且，在根据本发明的方法中，在步骤(b)中，可以通过调整加载的单元金属试样的数量控制所述复合材料的性能。
而且，在根据本发明的方法中，在步骤(d)中，可以通过调整旋转的次数控制所述复合材料的性能。
而且，在根据本发明的方法中，在步骤(b)中，A可以是铜或铜合金，B可以是铝或铝合金。
而且，在根据本发明的方法中，所述单元金属试样可以具有扇形或半圆形形状。
另外，本发明提供一种包括两种或更多种不同类型的金属的复合材料，其中，所述两种或更多种类型的金属在厚度方向上被螺旋地层压。
而且，在根据本发明的复合材料中，在所述两种或更多种类型的金属当中，一种可以是铜或铜合金并且另一种可以是铝或铝合金。
而且，在根据本发明的复合材料中，当在厚度方向上观察时，所述复合材料可以被构造为使得所述两种或更多种类型的金属被周期性地和交替地周向设置。
有益效果
根据本发明，复合材料被构造为使得在厚度方向上螺旋地层压两种或更多种类型的金属，从而展现出与简单的层压结构不同的性能。
而且，根据本发明，复合材料的制备方法使得能够通过简单的工艺制备具有优异界面结合性能的复合材料，该工艺包括在模具内加载单元金属试样并且随后进行压力旋转。
而且，根据本发明，制备复合材料的方法使得能够通过调整单元金属试样的数量或旋转的次数使得复合材料的结构多样化。
而且，根据本发明，制备复合材料的方法包括钢塑性处理，从而在复合材料制造过程中实现晶粒细化，使得与初始加载材料相比，复合材料具有改进的性能。
附图说明
图1是例示根据本发明的复合材料的制备工艺的流程图；
图2是例示根据本发明的复合材料的制备工艺的示意图；
图3是例示连续切片工艺的示意图；和
图4是例示如图3中的连续切片工艺分析的在本示例中制备的复合材料的结果的视图。
具体实施方式
下文中，参考附图给出根据本发明的优选实施例的复合材料的制备方法，但这些实施例不用于限制本发明。因此，对于本领域的技术人员来说，可以明白的是，在不脱离本发明的精神的范围内可以进行不同的改变。
如图1所示，根据本发明的复合材料的制备工艺包括制备金属试样(S10)、加载试样(S20)和进行试样的受压剪切变形(S30)。
如图2所示，制备金属试样(S10)是切割大块金属成扇形(分为4块、6块等相等的部分)或半圆形(分为两个相等的部分)的步骤，从而包括不同类型金属的试样被调整以形成圆柱形的形状并在随后在模具内加载。用于复合材料的金属试样的类型不受限制，根据复合材料的性能要求，包括二、三、四种等类型的多种金属可被制成为复合材料。而且，根据本发明的复合材料制造方法采用压扭工艺。这种工艺是有利的，因为可容易地施加大的变形并且脆性金属可被处理，从而不仅是延展性不好的金属而且略微脆性的金属可以被制成复合材料。
如图2所示，加载试样(S20)是以例如A-B-A-B、A-B-C-A-B-C或A-B-C-D的周期性的模式或以例如A-B-B-C-A的非周期性的模式周向加载不同类型的金属试样以确保总的圆柱形状的步骤。被层压金属材料的类型和层压周期性不受限制，但可被调整以适于性能要求，因为根据将被层压的金属的类型和层压周期性，生成的复合材料的性能可以变化。
进行受压剪切变形(S30)是对加载试样施加扭矩的步骤，试样使用上、下模挤压以经历剪切变形。同样地，上模和下模的表面优选地具有凹部(凹)，以在施加扭矩时防止试样移动。而且，通过旋转上、下模中的任一个或者在不同的方向上旋转上、下模来施加扭矩。由于根据旋转的次数，在厚度方向上复合材料的结构可以变化明显，优选地调整旋转的次数以获得需要的性能。另外，在受压剪切变形时，通过动态再结晶，可以发生晶粒细化。从而，通过与复合材料制造工艺一致的晶粒细化，根据本发明的复合材料的制备方法可以导致改善的性能。
从而，提供一种具有螺旋结构的复合材料，因而获得独特的导电性能或弹性性能，这在传统的简单多层复合材料中是不能获得的。
【示例】
特别地，铜块(A金属)和A606铝合金(B金属)被处理，从而加工出具有由圆形分为四等份产生的扇形形状的金属试样，如图2中所示。随后，铜铝合金单元试样以A-B-A-B的模式在具有上模和下模的圆柱形模具内被周向地交替设置。在上模和下模的表面设置有用于插入试样的凹部(凹)，从而设置的试样容易被固定。另一方面，复合材料结构的形状可通过调整加载试样的尺寸来控制。
随后，在2.5GPa的压力下通过上、下模挤压试样，然后施加扭矩从而变形。同样地，扭转的次数可被调整，使得可以控制获得的复合材料的层间间隔和变形的量。在本示例中，扭转的次数设定为1。
根据本示例的压扭工艺是有利的，因为复合材料制造工艺可以被容易地完成，大的变形可被容易地施加，并且轻质脆性金属可进行复合材料制造工艺。
为了分析在此示例中制备的复合材料的内部结构和结合性能，使用连续切片。如图3所示，连续切片以这种方式执行，即试样的横截面被以预定的间隔抛光并且随后被拍照，然后通过图像处理操作，连续的2D图像被转换为实际的3D图像。
特别地，当复合材料试样被抛光至0.05mm的厚度时，通过扫描获得单独的2D图像，然后通过使用AMIRA程序的图像分析方法3D可视化。图4示出了分析的图像。而且，在抛光复合材料试样的过程中没有观察到例如界面分离等现象，因而根据本发明的复合材料的界面完整性被视为较好。
如图4所示，在此示例中制备的复合材料在厚度方向上具有螺旋的层压结构，这意味着与传统的简单层压结构相比，其在异质复合金属之间具有连续的结构，而且可以获得在传统的复合材料中难以确保的导电性能或弹性性能。

Claims (11)

1.一种制备层压复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
(a)制备包括不同金属的两种或更多种类型的单元金属试样；
(b)在具有上模和下模的模具内周向地设置所述两种或更多种类型的单元金属试样；
(c)利用所述上模和所述下模对加载的金属试样施加压应力；以及
(d)旋转所述上模和所述下模中的一个或两个以对受压的金属试样施加扭矩。
2.根据权利要求1的方法，其中，在步骤(b)中，所述两种或更多种类型的单元金属试样被周期性地或非周期性地周向设置。
3.根据权利要求1或2的方法，其中，在步骤(b)中，通过调整加载的单元金属试样的数量控制所述复合材料的性能。
4.根据权利要求1或2的方法，其中，在步骤(d)中，通过调整旋转的次数控制所述复合材料的性能。
5.根据权利要求1的方法，其中，在步骤(b)中，所述两种或更多种类型的单元金属试样被周期性地和交替地周向设置。
6.根据权利要求1的方法，其中，在步骤(b)中，两种类型的金属被以A-B-A-B的模式周向地设置。
7.根据权利要求6的方法，其中，A是铜或铜合金，B是铝或铝合金。
8.根据权利要求1的方法，其中，所述单元金属试样具有扇形或半圆形形状。
9.一种包括两种或更多种不同类型的金属的复合材料，其中，所述两种或更多种类型的金属在厚度方向上被螺旋地层压。
10.根据权利要求9的复合材料，其中，当在厚度方向上观察时，所述复合材料被构造为使得所述两种或更多种类型的金属被周期性地和交替地周向设置。
11.根据权利要求9或10的复合材料，其中，所述两种或更多种类型的金属包括铜合金或铝合金。
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