CN107282929B - 纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压制备方法及装置，采用电流直加热方式对坯料进行加热，可对粉末进行同步烧结和热挤压。制备方法为将含有硬脆相纤维第二相的复合粉末压成坯体后装入模具，放入电流直加热动态烧结炉中，在压力5～90MPa，温度范围300～3000℃下进行烧结与热挤压。装置由电流直加热动态烧结热压炉和热挤压模具组成，其中模具由石墨、碳化硅或二硅化钼加工，在进料段和变形段内壁嵌有陶瓷绝缘层。采用本发明的装置和方法可对复合材料在较低变形速率的热挤压，所制备的纤维增强复合材料中硬脆性纤维平行于线材方向排列，而不发生断裂，表现出优良的性能。

Description

纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压制备方法及 装置
技术领域
本发明涉及一种热挤压制备方法及装置,具体说是一种纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压制备方法及装置。
背景技术
热挤压技术是一种将金属材料加热到热锻成形温度进行挤压的方法，通常的做法是在挤压前将坯料加热到金属再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压。在热锻温度下，材料具有较好的塑形，可在施加较低载荷的条件下实现金属的挤压程序。因此，热挤压技术已广泛应用于制备普通等截面的长形件、型材、管材、棒材及各种机器零件等，是一种重要的塑形成型手段。目前，普遍采用的热挤压方法是先将坯料加热至热锻温度再放入模具进行挤压，在过程中常伴有较严重的氧化和脱碳等加热缺陷，影响了挤压件的尺寸精度和表面粗糙度，一般情况下，机器零件热挤压成形后，需再采用切削等机械加工来提高零件的尺寸精度和表面质量。同时，从热源到模具的快速转移，也对操作技术有很高要求。
纤维定向增强复合材料的优势已被多次论证，例如：在复合电触头材料中，将第二相纤维平行于线材方向排列，可使线材的电导率和抗电弧性能实现综合提高；在结构材料Al/S iC复合材料中，当S iC纤维平行于线材方向时，可通过提高载荷传递实现复合材料的强度提高。因此纤维定向增强复合材料受到广泛关注，而通过热挤压方式实现纤维定向排列也已有许多文献报道，在热挤压过程中，纤维第二相将发生偏转，最终平行于塑性变形方向(即线材方向)。由于现有热挤压工艺的限制，通常采用较快的挤压速率，以避免坯料温度下降和模具温度过高，但对于脆性第二相，这种快速挤压方式往往会导致纤维的断裂，从而造成产品性能下降。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本申请提供了一种纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压制备方法及装置，通过慢速热挤压，在保证硬脆相纤维不脆断的基础上，实现坯料中无序纤维的重新定向；该装置可以在较高的温度下，降低挤压速率和保证较长工作时间，还能实现粉末烧结和热挤压的同步进行。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压制备方法，具体为：将粉末或粉体压制成的坯料从进料口放入模具，依次装入垫片和挤压冲头，放入动态烧结热压炉中，注入惰性气体后通电，过程中施加5～90MPa的压力，烧结和挤压温度为300～3000℃，热挤压压力为0.1～90MPa，烧结和热挤压过程时长能在0～1000h内调控。
进一步的，所述粉末为复合材料粉末，基体为金属或有机物，第二相为塑性金属或高分子或纤维形貌的陶瓷或纤维硬脆材料，复合粉末颗粒粒径小于1mm。
一种纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压装置，包括：热挤压模具和电流直加热动态烧结炉；所述热挤压模具，包括上盖板、引料段、成型段、变形段、热电偶、进料段、挤压冲头；所述上盖板置于热挤压模具顶部，在热挤压模具内部依次设有引料段、成型段、变形段、进料段，热电偶置于进料段侧面，挤压冲头穿过热挤压模具底部置于进料段中；所述电流直加热动态烧结炉，包括：动态烧结热压炉和电控装置，所述动态烧结热压炉，包括：上工作台、下工作台、热压机电极、保温套、导轨、千斤顶，所述上工作台、下工作台通过导轨相连接，在上工作台底部、下工作台上面均设有热压机电极，两个热压机电极通过电控装置相连，所述保温套安装在动态烧结热压炉内，所述千斤顶安装在下工作台底部。
进一步的，热挤压模具中的进料段、变形段内壁嵌有陶瓷绝缘层，在进料段端部也嵌有陶瓷绝缘层，模具的其他部分材料为石墨或碳化硅或二硅化钼。在工作时，电流在进料段和变形段区仅通过挤压冲头、垫片和坯料，在引料段电流仅通过模具。
进一步的，在坯料与挤压冲头之间设有垫片。
进一步的，电控装置，包括电路控制系统、感应调压器、干式变压器、计算机数据采集系统，电路控制系统的输出端与感应调压器的输入端连接，干式变压器的输入端与感应调压器的输出端连接，干式变压器的输出端与动态烧结热压炉的电流输入端连接，计算机数据采集系统由计算机和模数转换模块组成，计算机通过模数转换模块与动态烧结热压炉的数据采集端口相连。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本申请通过模具改进控制电流在各区域的密度，提高坯料在变形段的发热效率；其次，本发明采用石墨、碳化硅或二硅化钼等在高温下具有较低的蠕变的材料做热挤压模具，可在更高温度下进行慢速热挤压，有效避免硬脆相纤维的断裂；最后，本申请中热挤压和烧结同时进行，无需进行后续退火处理，大大提高了产品生产效率。
附图说明
本发明共有附图2幅：
图1为电流直加热动态烧结炉结构示意图；
图2为热挤压模具结构示意图。
图中序号说明:1上工作台，2热压机电极，3保温套，4导轨，5千斤顶，6电控装置，7上盖板，8引料段，9成型段，10变形段，11热电偶，12进料段，13坯料，14挤压冲头，15垫片，16陶瓷绝缘层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例采用电流直加热动态烧结热压炉，如图1所示，本实例中热挤压模具如图2所示，其中陶瓷绝缘层选用氧化铝陶瓷，其他部分采用碳化硅。
制备出纤维形貌氧化锡，并通过化学包覆法制备出银-氧化锡复合粉体，在10MPa压力下将复合粉体冷压成坯体后从进料口装入热挤压模具，再装入垫片和热挤压冲头。将热挤压模具装入电流直加热动态烧结热压炉中，插入K型热电偶，在保温套中通入氩气，为热压机电极通入冷却循环水后，施加10MPa压力并通电。待温度升高到600℃时将提高压力进行同步热挤压和热烧结，挤出速率为0.01mm/min，通过热压机工作台行程确定挤出速率，当行程达到坯料厚度时停止加压并关闭电源，待温度降低到室温后关闭氩气和冷却循环水，取出样品，得到氧化锡纤维沿线材方向平行定向排列的银-氧化锡线材。
实施例2
本实例中热挤压模具的陶瓷绝缘层选用氧化铝陶瓷涂层，其他部分采用高纯石墨。
将贵金属铱加工成于进料口匹配的尺寸，从进料口装入热挤压模具，再装入垫片和热挤压冲头。将热挤压模具装入电流直加热动态烧结热压炉中，通过红外测温装置测温，在保温套中通入氩气，为热压机电极通入冷却循环水后，施加10MPa压力并通电。待温度升高到1800℃时将提高压力进行同步热挤压和热烧结，挤出速率为0.1mm/min，通过上、下工作台行程确定挤出速率，当行程达到坯料厚度时停止加压并关闭电源，待温度降低到室温后关闭氩气和冷却循环水，取出样品，得到与成型段尺寸匹配的贵金属铱线材。
本发明的方法是在现有直热式热压炉的基础上，改进模具形状。采用石墨、碳化硅或二硅化钼等材料作为模具，以陶瓷做绝缘层限定电流密度，使电流在进料和变形段完全通过坯料，提高热效率。利用石墨、碳化硅或二硅化钼等材料在高温下较低的蠕变，进行同步烧结和热挤压，可大大缩短材料制备时间，提高生产效率，节约能源。
本发明的一种纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压装置包括热挤压模具和电流直加热动态烧结炉组成，利用控制电流密度直接对变形段坯料加热，可在较长的时间范围内进行高温同步粉末烧结和热挤压。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压装置，其特征在于，包括：热挤压模具和电流直加热动态烧结炉；所述热挤压模具，包括上盖板、引料段、成型段、变形段、热电偶、进料段、挤压冲头，所述上盖板置于热挤压模具顶部，在热挤压模具内部依次设有引料段、成型段、变形段、进料段，热电偶置于进料段侧面，挤压冲头穿过热挤压模具底部置于进料段中；所述电流直加热动态烧结炉，包括：动态烧结热压炉和电控装置，所述动态烧结热压炉，包括：上工作台、下工作台、热压机电极、保温套、导轨、千斤顶，所述上工作台、下工作台通过导轨相连接，在上工作台底部、下工作台上面均设有热压机电极，两个热压机电极通过电控装置相连，所述保温套安装在动态烧结热压炉内，所述千斤顶安装在下工作台底部；
电控装置，包括电路控制系统、感应调压器、干式变压器、计算机数据采集系统，电路控制系统的输出端与感应调压器的输入端连接，干式变压器的输入端与感应调压器的输出端连接，干式变压器的输出端与动态烧结热压炉的电流输入端连接，计算机数据采集系统由计算机和模数转换模块组成，计算机通过模数转换模块与动态烧结热压炉的数据采集端口相连。
2.根据权利要求1所述纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压装置，其特征在于，热挤压模具中的进料段、变形段内壁嵌有陶瓷绝缘层，在进料段端部也嵌有陶瓷绝缘层，模具的其他部分材料为石墨或碳化硅或二硅化钼。
3.根据权利要求1所述纤维定向增强复合材料电流直加热粉末热挤压装置，其特征在于，在坯料与挤压冲头之间设有垫片。
4.一种使用权利要求1-3任一项装置进行挤压制备的方法，其特征在于，具体为：将粉末或粉体压制成的坯料从进料口放入热挤压模具，依次装入垫片和挤压冲头，放入动态烧结热压炉中，注入惰性气体后通电，过程中施加5～90MPa的压力，烧结和挤压温度为300～3000℃，热挤压压力为0.1～90MPa，烧结和热挤压过程时长能在0～1000h内调控；所述粉末为复合材料粉末，基体为金属或有机物，第二相为塑性金属或高分子或纤维形貌的陶瓷或纤维硬脆材料，复合粉末颗粒粒径小于1mm。
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