CN107627020A - 铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝基复合材料的制备方法，其包括步骤：S1，提供一块厚度为d1的纯铝板并定义为第一铝板，第一铝板加工有收容孔；S2，提供另一块厚度为d2的纯铝板，放置在第一铝板的下方并定义为第二铝板；S3，在各收容孔内填满增强材料并压实；S4，提供再一块厚度为d3的纯铝板放置在第一铝板的上方并定义为第三铝板；S5，将第三铝板、第一铝板和第二铝板叠放在一起并夹紧固定；S6，提供旋转搅拌头，搅拌针的长度为k，d1+d3<k<d1+d2+d3；S7，搅拌头的搅拌针压入第三铝板、第一铝板以及第二铝板，轴肩接触第三铝板的上表面；以及S8，搅拌头旋转并在第三铝板的上表面平移运动，以形成固态结合的铝基复合材料。该铝基复合材料具有优异的力学性能和高的导电性。

Description

铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种铝基复合材料的制备方法。

背景技术

随着现代科学技术和工业制造业的迅猛发展，航空航天、车辆工程以及电力电子等领域对金属材料的力学性能和导电性提出了更高的要求。在提高金属材料力学性能尤其是抗拉强度以及延展性的基础上保持甚至提高其导电性能逐渐成为这些领域近年来的研究热点。

纯铝作为一种金属材料，具有良好的导电性，可以基本满足上述领域对金属材料导电性能的要求。但是纯铝本身的抗拉强度较低，在提高纯铝抗拉强度的同时，其导电性则会不可避免地由于增强材料(即增强相)的掺入而显著降低。因此，如何制备一种在满足力学性能要求的同时，又能提高其导电性的复合材料是上述领域急需解决的关键问题。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种铝基复合材料的制备方法，其操作简单，能够制备出具有优异的力学性能和高的导电性的铝基复合材料。

为了实现上述目的，本发明提供了一种铝基复合材料的制备方法，其包括步骤：S1，提供一块厚度为d1的纯铝板并定义为第一铝板，第一铝板上加工有多个收容孔；S2，提供另一块厚度为d2的纯铝板，将其放置在第一铝板的下方并定义为第二铝板；S3，在第一铝板的各收容孔内填满增强材料并压实；S4，提供再一块厚度为d3的纯铝板并将其放置在第一铝板的上方并定义为第三铝板，第三铝板压住第一铝板以使增强材料固定在收容孔中；S5，将第三铝板、第一铝板和第二铝板叠放在一起并利用固定夹具夹紧固定第三铝板、第一铝板和第二铝板；S6，提供旋转搅拌头，旋转搅拌头具有轴肩和固定连接于轴肩的搅拌针，搅拌针的长度为k，且d1+d3<k<d1+d2+d3；S7，使搅拌头的搅拌针从第三铝板的靠近增强材料的位置从上到下压入第三铝板、第一铝板以及第二铝板，并使搅拌头的轴肩接触第三铝板的上表面；以及S8，使搅拌头旋转并在第三铝板的上表面平移运动，搅拌头的轴肩的下表面与第三铝板的上表面摩擦，搅拌头在工作过程中使得第三铝板、第一铝板和第二铝板达到的温度低于纯铝的熔点以及纯铝和增强材料发生反应的温度，且搅拌针的平移运动遍历至少所有收容孔的整个外周对应的三维区域，以使所述三维区域内形成纯铝为基体而增强材料分布于基体内并与基体固态结合的铝基复合材料。

本发明的有益效果如下：

在根据本发明的铝基复合材料的制备方法中，基于搅拌摩擦进行焊接的原理，利用旋转搅拌头的旋转运动和平移运动，使增强材料与纯铝充分混合并固态结合在一起，从而制备出铝基复合材料。本发明所述的制备方法的整个操作过程简单，且由于增强材料比纯铝具有更高的力学性能和导电性能，因此利用该方法制备出的铝基复合材料具有优异的力学性能和高的导电性。

附图说明

图1是根据本发明的铝基复合材料的制备方法所采用的第一铝板、第二铝板和第三铝板未加工的立体分解图，其中第一铝板已填满增强材料。

图2是图1中的第一铝板未填充增强材料的立体图。

图3是图1中的第三铝板、第一铝板和第二铝板叠放在一起且未加工的组装立体图。

图4是图3中的第一铝板、第二铝板和第三铝板在搅拌头的作用下的加工示意图，箭头表示搅拌头的平移运动方向。

图5是图4中的搅拌头的立体图。

图6是根据本发明的铝基复合材料的一示意图，其中虚线部分为增强材料且增强材料为碳纳米管。

图7是根据本发明的铝基复合材料的另一示意图，其中虚线部分为增强材料且增强材料为石墨烯。

图8是根据本发明的铝基复合材料的又一示意图，其中虚线部分为增强材料且增强材料为碳纳米管和石墨烯。

其中，附图标记说明如下：

1第一铝板 52搅拌针

11收容孔 n收容孔的孔宽

2第二铝板 m收容孔的孔长

3第三铝板 k搅拌针的长度

4增强材料 d1第一铝板的厚度

5搅拌头 d2第二铝板的厚度

51轴肩 d3第三铝板的厚度

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的铝基复合材料的制备方法。

参照图1至图8，根据本发明的铝基复合材料的制备方法包括步骤：S1，提供一块厚度为d1的纯铝板并定义为第一铝板1，第一铝板1上加工有多个收容孔11；S2，提供另一块厚度为d2的纯铝板，将其放置在第一铝板1的下方并定义为第二铝板2；S3，在第一铝板1的各收容孔11内填满增强材料4并压实；S4，提供再一块厚度为d3的纯铝板并将其放置在第一铝板1的上方并定义为第三铝板3，第三铝板3压住第一铝板1以使增强材料4固定在收容孔11中；S5，将第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2叠放在一起并利用固定夹具(未示出)夹紧固定第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2；S6，提供旋转搅拌头5，旋转搅拌头5具有轴肩51和固定连接于轴肩51的搅拌针52(welding pin)，搅拌针52的长度为k，且d1+d3<k<d1+d2+d3；S7，使搅拌头5的搅拌针52从第三铝板3的靠近增强材料4的位置从上到下压入第三铝板3、第一铝板1以及第二铝板2，并使搅拌头5的轴肩51接触第三铝板3的上表面；以及S8，使搅拌头5旋转并在第三铝板3的上表面平移运动，搅拌头5的轴肩51的下表面与第三铝板3的上表面摩擦，搅拌头5在工作过程中使得第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2达到的温度低于纯铝的熔点以及纯铝和增强材料4发生反应的温度，且搅拌针52的平移运动遍历至少所有收容孔11的整个外周对应的三维区域(即由第一铝板1的收容孔11、收容孔11内的增强材料4、第二铝板2的处于收容孔11正下方的部分以及第三铝板3的处于收容孔11正上方的部分一起形成)，以使所述三维区域内形成纯铝为基体而增强材料4分布于基体内并与基体固态结合的铝基复合材料。

在根据本发明的铝基复合材料的制备方法中，基于搅拌摩擦进行焊接的原理，利用旋转搅拌头5的旋转运动和平移运动，使增强材料4与纯铝(即第一铝板1、第二铝板2和第三铝板3)充分混合并固态结合在一起，从而制备出铝基复合材料。本发明所述的制备方法的整个操作过程简单，且由于增强材料4比纯铝具有更高的力学性能和导电性能，因此利用该方法制备出的铝基复合材料具有优异的力学性能和高的导电性。

在这里补充说明的是，增强材料4与纯铝之间的“固态结合”实际上就是利用搅拌摩擦进行固态焊接的过程，是一个物理过程。在固态焊接过程中，作为基体的纯铝在搅拌头的作用下(产生了摩擦热)只是发生了塑性变形(即仅仅是被软化)，并没有达到熔融状态且没有与增强材料4发生化学反应或仅发生轻微的化学反应(即基体与增强材料4产生了极其少量的化合物(如Al₄C3，且Al₄C3占铝基复合材料的体积分数少于0.001％)，其对制备出的铝基复合材料的综合性能影响不大，可以忽略)，最后基于摩擦热与塑性变形热与增强材料4焊接为一体。

在步骤S8中，参照图4，搅拌头5可沿与第一铝板1的长度方向平行的方向平移运动。这里，搅拌头5的平移运动实际上一种往复运动，即搅拌头5的搅拌针52在所述三维区域内沿着与第一铝板1的长度方向平行的方向来回运动，搅拌针52在当前一次平移搅动的部分与上一次平移搅动的部分有重叠的部分，从而搅拌针52可以至少遍历整个三维区域。本发明的铝基复合材料的制备方法还可包括步骤：S9，冷却第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2。在进行搅拌摩擦、固态焊接后，通常是将第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2进行自然冷却，当然也可以利用风扇进行风冷。

本发明的铝基复合材料的制备方法还可包括步骤：S10，多次重复步骤S8并冷却第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2。这里，可以把步骤S8中搅拌针52的平移运动遍历所述三维区域一次，称为一次完整的加工，为了使增强材料4能够更均匀地分布在纯铝中并与纯铝很好地固态结合在一起，可以多次重复步骤S8以进行多次加工。最后一次加工完毕后，再对第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2进行自然冷却，当然也可以利用风扇进行风冷。

本发明的铝基复合材料的制备方法还可包括步骤：S11，围绕所有收容孔11的整个外周区域进行切割。这里所说的“外周区域”不仅限如上述的三维区域。因为在固态焊接过程中，搅拌针52的平移运动遍历至少所有收容孔11的整个外周对应的三维区域，而不仅限于该三维区域，搅拌针52的平移运动也可以遍历三维区域及其周边的部分。

在根据本发明的铝基复合材料的制备方法中，增强材料4可选自碳纳米管和石墨烯中的至少一种。石墨烯和碳纳米管自问世以来便受到了各个领域的关注。由于碳纳米管和石墨烯本身特殊的一维和二维的结构特性，使其在导电性能和力学性能方面具有独特的优势。理论计算表明，单根碳纳米管或者单层石墨烯的导电率要高于现有的纯金属材料。因此，以碳纳米管或石墨烯作为增强材料4并与纯铝一起制备出的铝基复合材料具有高强度、高延展性和高导电率。

在根据本发明的铝基复合材料的制备方法中，收容孔11的形状可为长方形，当然不仅限于长方形。

搅拌针52的形状可为圆柱体，进一步地，搅拌针52可为带有螺纹的圆柱体。当然，搅拌针52的形状也可为其他形状。

在一实施例中，搅拌头5的轴肩51为等截面圆柱体，搅拌针52为变截面圆柱体，且搅拌针52的大端固定连接于轴肩51。各收容孔11的孔宽为n，n小于或等于搅拌针52的大端直径。各收容孔11的孔长为m，m小于第一铝板1的长度。

多个收容孔11等间隔分布，且所有收容孔11的大小均相同。

第二铝板2和第三铝板3的长度、宽度均与第一铝板1的长度、宽度分别对应相同。

第一铝板1的厚度小于第二铝板2的厚度，第二铝板2的厚度等于第三一铝板3的厚度，即d1<d2，d2＝d3，且各收容孔11的孔深等于d1。

在根据本发明的铝基复合材料的制备方法中，加入到第一铝板1中的增强材料4的体积分数为x，即：

在这里补充说明的是，上式是把所有收容孔11内的空间均看成是填满了增强材料4，由此得出来的x是一个近似的体积分数。

Claims (10)

1.一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1，提供一块厚度为d1的纯铝板并定义为第一铝板(1)，第一铝板(1)上加工有多个收容孔(11)；

S2，提供另一块厚度为d2的纯铝板，将其放置在第一铝板(1)的下方并定义为第二铝板(2)；

S3，在第一铝板(1)的各收容孔(11)内填满增强材料(4)并压实；

S4，提供再一块厚度为d3的纯铝板并将其放置在第一铝板(1)的上方并定义为第三铝板(3)，第三铝板(3)压住第一铝板(1)以使增强材料(4)固定在收容孔(11)中；

S5，将第三铝板(3)、第一铝板(1)和第二铝板(2)叠放在一起并利用固定夹具夹紧固定第三铝板(3)、第一铝板(1)和第二铝板(2)；

S6，提供旋转搅拌头(5)，旋转搅拌头(5)具有轴肩(51)和固定连接于轴肩(51)的搅拌针(52)，搅拌针(52)的长度为k，且(d1+d3)<k<(d1+d2+d3)；

S7，使搅拌头(5)的搅拌针(52)从第三铝板(3)的靠近增强材料(4)的位置从上到下压入第三铝板(3)、第一铝板(1)以及第二铝板(2)，并使搅拌头(5)的轴肩(51)接触第三铝板(3)的上表面；以及

S8，使搅拌头(5)旋转并在第三铝板(3)的上表面平移运动，搅拌头(5)的轴肩(51)的下表面与第三铝板(3)的上表面摩擦，搅拌头(5)在工作过程中使得第三铝板(3)、第一铝板(1)和第二铝板(2)达到的温度低于纯铝的熔点以及纯铝和增强材料(4)发生反应的温度，且搅拌针(52)的平移运动遍历至少所有收容孔(11)的整个外周对应的三维区域，以使所述三维区域内形成纯铝为基体而增强材料(4)分布于基体内并与基体固态结合的铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，还包括步骤：

S9，冷却第三铝板(3)、第一铝板(1)和第二铝板(2)。

3.根据权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，还包括步骤：

S10，多次重复步骤S8并冷却第三铝板(3)、第一铝板(1)和第二铝板(2)。

4.根据权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，还包括步骤：

S11，围绕所有收容孔(11)的整个外周区域进行切割。

5.根据权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，增强材料(4)选自碳纳米管和石墨烯中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S8中，搅拌头(5)沿与第一铝板(1)的长度方向平行的方向平移运动。

7.根据权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，

收容孔(11)的形状为长方形；

搅拌头(5)的轴肩(51)为等截面圆柱体，搅拌针(52)为变截面圆柱体，且搅拌针(52)的大端固定连接于轴肩(51)；

各收容孔(11)的孔宽为n，n小于或等于搅拌针(52)的大端直径；

各收容孔(11)的孔长为m，m小于第一铝板(1)的长度。

8.根据权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，

第二铝板(2)和第三铝板(3)的长度、宽度均与第一铝板(1)的长度、宽度分别对应相同。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，

d1<d2，d2＝d3；

各收容孔(11)的孔深等于d1。

10.根据权利要求9所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，加入到第一铝板(1)中的增强材料(4)的体积分数为x，即：