CN107012412B - 一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：制作软模：将金属丝网固定于软模内部；将复合材料粉末均匀散布在金属丝网周围，将软膜封口并密封；软模入硬模：将软模置于硬模主体内部的第一压块与第二压块之间，其中第二压块与底座接触，第一压块与上盖之间填充炸药，并在上盖的通孔处设置引爆件；至少一次爆炸成型：引燃引爆件，在炸药的爆炸力作用下推动第一压块向第二压块方向移动，使活性复合材料成型；脱模：将软模与硬模脱离，再将成型后活性复合材料与软模脱离，得到活性复合材料坯料。本发明采用爆炸成型物理工艺进行复合材料制备，材料成型过程中没有温度变化，不会改变材料最初的化学性质。

Description

一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法。

背景技术

目前，对于活性复合材料的制备有多种工艺方法，主要包括冷等静压法、热等静压法、冷喷涂法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等。其中等静压成型的制品性能优异、生产周期短、应用范围广，但工艺效率低、设备昂贵；冷喷涂设备噪音大、设备庞大无法移动，且耗气量与粉末消耗量大，喷涂定向性差；气相沉积法虽然可以制得形状复杂的复合材料，但其工序时间较长，对预成型体的加热反应可能会引起纤维或晶须等强化材料的性能下降，且参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒。

现有的金属粉末复合材料制备工艺大多需要在高温高压状态下进行，加温工序致使金属粉末的化学性质可能发生变化。而对于可在常温下进行的工艺设备，多存在设备昂贵、生产工序时间久等问题。同时因金属粉末颗粒的松散性导致制备的复合材料因缺少支撑机构而韧性不足、易碎，为使粉末固结大多使用粘结剂，然而这会影响复合材料的性质以及使用范围和使用寿命。因此，提供一种在常温状态下的制备工艺简单且材料之间不添加多余粘结剂的制备方法是本领域目前需解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种常温状态下制备的、不用外加粘结剂进行粉末间固结的一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制作软模：将金属丝网固定于软模内部，将复合材料粉末均匀散布在所述金属丝网周围，将所述软膜封口并密封；

(2)软模入硬模：所述硬模由具有上下开口的桶体结构的硬模主体、用于封堵所述硬模主体下表面的底座以及与所述硬模主体可拆卸连接的上盖组成，将所述软模置于所述硬模主体内部的第一压块与第二压块之间，其中所述第二压块与所述底座接触，所述第一压块与所述上盖之间填充炸药，并在所述上盖的通孔处设置引爆件；

(3)至少一次爆炸成型：引燃所述引爆件，在炸药的爆炸力作用下推动所述第一压块向所述第二压块方向移动，使所述活性复合材料成型；

(4)脱模：将所述软模与所述硬模脱离，再将成型后所述活性复合材料与所述软模脱离，得到活性复合材料坯料。

进一步的，所述软模包括软模本体，所述软模本体内部嵌入丝网固定件，所述丝网固定件的另一端用于固定所述金属丝网。

进一步的，所述软模本体与所述金属丝网之间还设有脱模层，所述脱模层上设置有穿设所述丝网固定件的通孔，在安装所述金属丝网之前，将所述脱膜层粘接于所述软模本体内部。

进一步的，所述软模还包括软模上盖，所述软模上盖上粘接有脱膜层，步骤(1)中将所述软膜封口并密封的具体操作为，将所述软模上盖与装有所述复合材料粉末及所述金属丝网的所述软模本体粘接固定后装入密封套内密封。

进一步的，步骤(1)中将所述软膜封口并密封后，进行抽真空处理。

进一步的，所述爆炸成型包括连续的一次爆炸成型和二次爆炸成型，所述一次爆炸成型的作用力适于使所述第一压块移动的距离为设定距离的60％-80％，所述二次爆炸成型的作用力适于使所述第一压块继续移动至设定位置处。

进一步的，所述复合材料粉末由硼粉末、铝粉末、镍粉末、铁粉末、钛粉末、三氧化二铁粉末中的两种以上混合而成，将所述复合材料粉末放入球磨机中研磨成粒径范围为5μm-100μm的复合材料粉末。

进一步的，所述金属丝由第一金属丝和/或第二金属丝编织而成，所述金属丝的材质为镍、钛、铝、铁中的一种或几种组合。

进一步的，所述第一金属丝的丝径范围为20μm-200μm，所述第二金属丝的丝径为100μm-500μm，编制后的所述金属丝网的编制密度为相邻两金属丝之间距离为3mm-15mm。

进一步的，所述软模本体的主体材质为弹性材料，在所述主体材质内添加增强材料。

本发明的一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，活性复合材料采用金属丝网与复合材料粉末混合的方式，金属丝网可做复合材料粉末的支撑结构，利于提高活性复合材料的强度和韧性，同时利用金属丝网作为粉末之间固结的支撑材料，不需额外的粘结剂，不影响材料的整体性质；爆炸成形制作时，采用软模和硬模结合的模具，通过软模保证了材料的密封效果，防止制作过程中粉末的喷出浪费，通过硬模可容易控制成型后活性复合材料的形状；采用至少一次爆炸成形工序可进一步提高压制效果和活性复合材料的致密性。

(2)本发明提供的软模中，嵌入的丝网固定件可将金属丝网固定在软模中，保证活性复合材料的丝网编制密度，方便成型，并均匀提高活性复合材料的整体韧性。

(3)本发明提供的软模中，软模本体内部设置有脱膜层，便于将活性复合材料从软模上剥离，提高活性复合材料的利用率，减少损失。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法工艺流程图；

图2为本发明内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法中所用的爆炸成型模具初始条件下剖面示意图；

图3为本发明内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法中所用的爆炸成型模具爆炸后剖面示意图；

图4为本发明内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法中所用的爆炸成型模具软模结构示意图；

图中：1-软模，11-软模本体，12-脱膜层，13-软模上盖，2-活性复合材料，21-金属丝网，3-硬模，31-硬模主体，32-底座，33-上盖，4-第一压块，5-第二压块，6-炸药，7-引爆件，8-丝网固定件，9-密封套，10-压环

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，如图1至图3所示，包括以下步骤：

(1)制作软模1：将金属丝网21固定于软模1内部，将复合材料粉末均匀散布在金属丝网21周围，将软膜1封口并密封；

(2)软模1入硬模3：硬模3由具有上下开口的桶体结构的硬模主体31、用于封堵硬模主体下表面的底座32以及与硬模主体可拆卸连接的上盖33组成，将软模1置于硬模主体31内部的第一压块4与第二压块5之间，其中第二压块4与底座32接触，第一压块4与上盖33之间填充炸药6，并在上盖33的通孔处设置引爆件7；

(3)至少一次爆炸成型：引燃引爆件7，在炸药的爆炸力作用下推动第一压块4向第二压块5方向移动，使活性复合材料2成型；

(4)脱模：将软模1与硬模3脱离，再将成型后活性复合材料2与软模1脱离，得到活性复合材料2坯料。

采用爆炸成型方式制备该活性复合材料，与常规的粉末复合材料制备相比，金属丝网增加了活性复合材料的强度和韧性，同时有助于粉末材料之间的紧密固结，不用添加外在的粘结剂等物质，不影响复合材料整体的化学性质。

现有技术中，对于粉末复合材料的制备方法，多为采用单一的高压软模成型或硬模爆炸成型，高压软模成型中由于软模易形变，对于制备后的复合材料形状不易控制，而硬模爆炸成型中，很容易出现粉末喷出的浪费现象。本发明的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，采用硬模与软模相结合的方法，将预成型的金属丝网与复合材料粉末密封在软模中，可有效防止成型过程中材料的喷出浪费；再将软模置于硬模中挤压成型，在炸药爆炸力的作用下，第一压块和第二压块主要起到对软模的挤压作用，因软模质地较软，容易发生形变，因此可通过第一压块和第二压块的形状来控制挤压后的软模形状，进一步控制成型后的活性复合材料的形状，起到定向成型制备活性复合材料的目的。

本发明的活性复合材料的制备方法，通过金属丝网提高了复合材料粉末之间的固结效果，并起到支撑作用，提高材料韧性；采用硬模与软模结合的制备方法，既能防止材料的喷出浪费又可有效控制材料的形状。同时，爆炸成型在常温条件下完成，在爆炸产生的瞬时冲击力作用下对复合材料进行挤压，既可达到复合材料的致密度要求，且成型过程中材料化学性质不会发生变化，成型设备及制作方法简单。

具体的，软模1包括软模本体11，软模本体11内部嵌入丝网固定件8，丝网固定件8的另一端用于固定金属丝网21。活性复合材料2中，金属丝网21通过螺旋缠绕或叠层编织的方法构成立体形状，再在金属丝网21周围散布复合材料粉末，由于金属丝网21丝径较细，硬度小、质轻，为防止复合材料粉末撒入过程中金属丝网21坍塌而影响活性复合材料2的整体性质，通过丝网固定件8将金属丝网21固定。其中丝网固定件8为金属材质，一端嵌入在软模本体11内部，另一端具有环状结构便于与金属丝网21连接，其中不同软模1中丝网固定件8的个数根据预成型的不同的活性复合材料2中金属丝网21的个数及丝网密度和编织方式确定。

具体的，软模本体11与金属丝网21之间还设有脱模层12，脱模层12上设置有穿设丝网固定件8的通孔，在安装金属丝网21之前，将脱膜层12粘接于软模本体11内部。在爆炸成型过程中，随着压制压力的提高，软模1液化流动，在软模与粉体的界面处，软膜材料在高压下必然会挤入复合材料的孔隙内。压制结束后，在卸压的一瞬间，挤入到复合材料孔隙内的软模材料首先要从孔隙内脱出，然后随软模进行恢复变形，软模迅速恢复到原来形状，如果挤入复合材料表面孔隙内的软模材料不能迅速的脱出，则在压制压力卸除的一瞬间，压坯受到三向拉应力，易造成成型后的复合材料断裂。因此，为防止这一现象发生，在软模本体11与活性复合材料2之间加入脱模层12，脱模层12为具有一定强度的界面材料，可选用塑料、铝箔或橡皮等，优选的，脱模层12为塑料。使复合材料2在成型过程中的任何压力下均与软模主体11之间有一隔离界面，以防止软膜材料侵入复合材料的孔隙。

步骤(1)中将软膜1封口并密封的方式不唯一；本实施方式中，优选为，软模1还包括软模上盖13，软模上盖13上粘接有脱膜层12，将软模上盖13与装有复合材料粉末及金属丝网21的软模本体11粘接固定实现封口，再装入密封套9内密封；密封后，进行抽真空处理。密封套9的设置可以防止爆炸成型过程中粉末因挤压而喷出；同时对密封套9抽真空，可对软模及内部材料进行预挤压，进一步防止粉料喷出。作为另一种封口方式，还可以将软模本体11制作为本身可进行封口的结构，这种方式不需要软模上盖13即可；作为另一种密封方式，还可以在软模本体11外侧粘结密封曾，密封曾的面积大于软模本体11的面积，软膜封口后，将密封层整体粘接于软模上，这种方式则不需要抽真空处理。

具体的，软模本体11的主体材质为弹性材料，在主体材质内添加增强材料。弹性材料做主体材料，可保证软模可进行形变，便于对成型后活性复合材料形状的控制；而为了保证软模具有一定的硬度，将增强材料与弹性材料有机结合在一起，也可通过增强材料加入量的调节来改变软模的硬度。更具体的，主体材质为橡胶或环氧树脂，优选的，为环氧树脂；增强材料为碳纤维或玻璃纤维预浸料，优选的，为碳纤维。

具体的，爆炸成型包括连续的一次爆炸成型和二次爆炸成型，一次爆炸成型的作用力适于使第一压块4移动的距离为设定距离的60％-80％，二次爆炸成型的作用力适于使第一压块4继续移动至设定位置处。连续两次爆炸成型，可以进一步提高活性复合材料的致密性。更具体的，炸药可为TNT、硝铵炸药、导爆索和塑料炸药等，优选的，炸药为TNT；引爆件可采用雷管。

爆炸成型的压制程度，可以通过控制炸药6的量进行初步确定，同时为了进一步精确控制软模1的挤压程度即第一压块4的移动距离，通过阶梯状的硬模主体31及第一压块4结构来实现。同时，复合材料粉末的填充量不同及压制要求的不同都会导致第一压块4下移距离的不同，因此配套设置有套设在第一压块4上的压环10，在爆炸部作用下，压环10的上表面与第一压块4的台阶下表面接触，压环10的下表面与硬模3的阶梯上表面接触。对于不同的活性复合材料2，其压实厚度要求不一，为满足不同复合材料的使用需求，设置有多个与第一压块4配套的压环10。其中，压环10的厚度有0.2cm、0.5cm、1cm等多种型号，压环10数量也有多个，可在成型前根据需要在第一压块4上套设对应厚度及对应数量的压环10，从而制得多种不同厚度的活性复合材料2。

具体的，复合材料粉末由硼粉末、铝粉末、镍粉末、铁粉末、钛粉末、三氧化二铁粉末中的两种以上混合而成，将复合材料粉末放入球磨机中研磨成粒径范围为5μm-100μm的复合材料粉末。

具体的，金属丝由第一金属丝和/或第二金属丝编织而成，金属丝的材质为镍、钛、铝、铁中的一种或几种组合。

具体的，第一金属丝的丝径范围为20μm-200μm，第二金属丝的丝径为100μm-500μm，编制后的金属丝网的编制密度为相邻两金属丝之间距离为3mm-15mm。

上述内容详细描述了本发明的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，下面将列举具体实施例对本发明进行进一步的描述：

实施例一：

将丝径为20μm的铁丝固定在软模内部，且相邻的两平行布置的铁丝之间距离为3mm，再将按1:1混合的粒径均为5μm的铝粉末和三氧化二铁粉末均匀散布在铝丝网周围，将软模封口密封，此时复合材料粉末的初压密度为65％；将密封好的软模放在硬模中的第一压块和第二压块之间，并在第一压块上套设一个1cm和两个0.2cm的压环，在第一压块上填充280g炸药，拧紧上盖后，在通孔处设置雷管；引爆雷管，第一压块在爆炸力推动下挤压软模，完成一次爆炸成型，在此基础上再在第一压块上填充330g炸药，引爆雷管，完成二次爆炸成型；通过对底座施加向上的力来将成型后软模顶出，与硬模脱离，再通过密封套卸压后沿脱膜层将活性复合材料与软模剥离，得到活性复合材料坯料，此时活性复合材料的压实密度为74％。

实施例二：

将丝径为45μm的铝丝固定在软模内部，且相邻的两平行布置的铝丝之间距离为4mm，再将按1:1混合的粒径均为30μm的铝粉末和钛粉末均匀散布在铝丝网周围，将软模封口密封，此时复合材料粉末的初压密度为60％；将密封好的软模放在硬模中的第一压块和第二压块之间，并在第一压块上套设一个1cm的压环，在第一压块上填充300g炸药，拧紧上盖后，在通孔处设置雷管；引爆雷管，第一压块在爆炸力推动下挤压软模，完成一次爆炸成型，在此基础上再在第一压块上填充350g炸药，引爆雷管，完成二次爆炸成型；通过对底座施加向上的力来将成型后软模顶出，与硬模脱离，再通过密封套卸压后沿脱膜层将活性复合材料与软模剥离，得到活性复合材料坯料，此时活性复合材料的压实密度为75％。

实施例三：

将丝径为20μm的镍丝和丝径为100μm的钛丝交错编织固定在软模内部，且相邻的两平行布置的金属丝之间距离为6mm，再将粒径30μm的镍粉末和钛粉末按1:1混合并均匀散布在金属丝网周围，将软模封口密封，此时复合材料粉末的初压密度为60％；将密封好的软模放在硬模中的第一压块和第二压块之间，并在第一压块上套设一个0.5cm的压环，在第一压块上填充320g炸药，拧紧上盖后，在通孔处设置雷管；引爆雷管，第一压块在爆炸力推动下挤压软模，完成一次爆炸成型，在此基础上再在第一压块上填充380g炸药，引爆雷管，完成二次爆炸成型；通过对底座施加向上的力来将成型后软模顶出，与硬模脱离，再通过密封套卸压后沿脱膜层将活性复合材料与软模剥离，得到活性复合材料坯料，此时活性复合材料的压实密度为77％。

实施例四：

将丝径为60μm的铁丝和丝径为130μm的钛丝交错编织固定在软模内部，且相邻的两平行布置的金属丝之间距离为7mm，再将粒径50μm的三氧化二铁粉末和钛粉末按1:1混合并均匀散布在金属丝网周围，将软模封口密封，此时复合材料粉末的初压密度为56％；将密封好的软模放在硬模中的第一压块和第二压块之间，并在第一压块上套设一个0.5cm的压环，在第一压块上填充360g炸药，拧紧上盖后，在通孔处设置雷管；引爆雷管，第一压块在爆炸力推动下挤压软模，完成一次爆炸成型，在此基础上再在第一压块上填充400g炸药，引爆雷管，完成二次爆炸成型；通过对底座施加向上的力来将成型后软模顶出，与硬模脱离，再通过密封套卸压后沿脱膜层将活性复合材料与软模剥离，得到活性复合材料坯料，此时活性复合材料的压实密度为73％。

实施例五：

将丝径为120μm的镍丝和丝径为250μm的铝丝螺旋缠绕固定在软模内部，且相邻的两平行布置的金属丝之间距离为9mm，再将粒径70μm的镍粉末和铝粉末按1:1混合并均匀散布在金属丝网周围，将软模封口密封，此时复合材料粉末的初压密度为54％；将密封好的软模放在硬模中的第一压块和第二压块之间，在第一压块上填充380g炸药，拧紧上盖后，在通孔处设置雷管；引爆雷管，第一压块在爆炸力推动下挤压软模，完成一次爆炸成型，在此基础上再在第一压块上填充430g炸药，引爆雷管，完成二次爆炸成型；通过对底座施加向上的力来将成型后软模顶出，与硬模脱离，再通过密封套卸压后沿脱膜层将活性复合材料与软模剥离，得到活性复合材料坯料，此时活性复合材料的压实密度为77％。

实施例六：

将丝径为200μm的镍丝和丝径为500μm的铝丝螺旋缠绕固定在软模内部，且相邻的两平行布置的金属丝之间距离为12mm，再将粒径100μm的镍粉末和铝粉末按1:1混合并均匀散布在金属丝网周围，将软模封口密封，此时复合材料粉末的初压密度为50％；将密封好的软模放在硬模中的第一压块和第二压块之间，在第一压块上填充360g炸药，拧紧上盖后，在通孔处设置雷管；引爆雷管，第一压块在爆炸力推动下挤压软模，完成一次爆炸成型，在此基础上再在第一压块上填充430g炸药，引爆雷管，完成二次爆炸成型；通过对底座施加向上的力来将成型后软模顶出，与硬模脱离，再通过密封套卸压后沿脱膜层将活性复合材料与软模剥离，得到活性复合材料坯料，此时活性复合材料的压实密度为75％。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制作软模：将金属丝网固定于软模内部，将复合材料粉末均匀散布在所述金属丝网周围，将所述软膜封口并密封，所述软模包括软模本体，所述软模本体内部嵌入丝网固定件，所述丝网固定件的另一端用于固定所述金属丝网；

(2)软模入硬模：所述硬模由具有上下开口的桶体结构的硬模主体、用于封堵所述硬模主体下表面的底座以及与所述硬模主体可拆卸连接的上盖组成，将所述软模置于所述硬模主体内部的第一压块与第二压块之间，其中所述第二压块与所述底座接触，所述第一压块与所述上盖之间填充炸药，并在所述上盖的通孔处设置引爆件；

(3)至少一次爆炸成型：引燃所述引爆件，在炸药的爆炸力作用下推动所述第一压块向所述第二压块方向移动，使所述活性复合材料成型；

(4)脱模：将所述软模与所述硬模脱离，再将成型后所述活性复合材料与所述软模脱离，得到活性复合材料坯料。

2.根据权利要求1所述的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，所述软模本体与所述金属丝网之间还设有脱模层，所述脱模层上设置有穿设所述丝网固定件的通孔，在安装所述金属丝网之前，将所述脱膜层粘接于所述软模本体内部。

3.根据权利要求2所述的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，所述软模还包括软模上盖，所述软模上盖上粘接有脱膜层，步骤(1)中将所述软膜封口并密封的具体操作为，将所述软模上盖与装有所述复合材料粉末及所述金属丝网的所述软模本体粘接固定后装入密封套内密封。

4.根据权利要求3所述的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中将所述软膜封口并密封后，进行抽真空处理。

5.根据权利要求1所述的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，所述爆炸成型包括连续的一次爆炸成型和二次爆炸成型，所述一次爆炸成型的作用力适于使所述第一压块移动的距离为设定距离的60％-80％，所述二次爆炸成型的作用力适于使所述第一压块继续移动至设定位置处。

6.根据权利要求1所述的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料粉末由硼粉末、铝粉末、镍粉末、铁粉末、钛粉末、三氧化二铁粉末中的两种以上混合而成，将所述复合材料粉末放入球磨机中研磨成粒径范围为5μm-100μm的复合材料粉末。

7.根据权利要求1所述的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属丝由第一金属丝和/或第二金属丝编织而成，所述金属丝的材质为镍、钛、铝、铁中的一种或几种组合。

8.根据权利要求7所述的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一金属丝的丝径范围为20μm-200μm，所述第二金属丝的丝径为100μm-500μm，编制后的所述金属丝网的编制密度为相邻两金属丝之间距离为3mm-15mm。

9.根据权利要求1所述的内嵌丝网结构的活性复合材料的制备方法，其特征在于，所述软模本体的主体材质为弹性材料，在所述主体材质内添加增强材料。