CN108559928A - 超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置，炉体顶端内壁设有定滑轮，定滑轮旁的炉体顶端设有升降机构，升降机构由升降机控制，升降机构内设有超声波发生器，超声波发生器下方设有坩埚，坩埚外部为高频感应线圈线，坩埚内部设有引料杆，引料杆下端穿过坩埚与下拉杆相连，下拉杆由减速机控制，炉体的下部填充有Ga‑In合金液，下拉杆穿过Ga‑In合金液和炉体。该设备并且应用该设备的生产方法，生产效率高，对缺陷产生抑制明显，提高碳纤维在金属液中分散程度，降低碳纤维分散所需时间，减小碳纤维损伤的同时，能够显著较少连续碳纤维增强铝基复合材料制备过程中的铸造缺陷，获得高质量碳纤维金属基复合材料。

Description

超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置及方法
技术领域
本发明属于材料设备领域，涉及在金属基复合材料制备过程中降低碳纤维铸造缺陷的装置及其制备方法，具体指一种利用超声振动与定向凝固结合制备连续碳纤维铝基复合材料的超声波装置及其制备方法。
背景技术
超声振动与定向凝固结合法制备连续碳纤维金属基复合材料是利用超声波产生的空化效应、声流效应以及定向凝固的凝固方式，作用于碳纤维而使碳纤维均匀分散，并且通过定向凝固结晶方式制备碳纤维金属基复合材料的工艺方法。连续碳纤维复合材料制备过程中碳纤维与金属基体间导热系数相差较大，极容易产生铸造缺陷，严重影响着碳纤维复合材料的力学性能。常规碳纤维金属基复合材料制备时碳纤维与金属液接触时间长、碳纤维损伤大、碳纤维在金属液中分散程度差，采用超声波振动制备连续碳纤维金属基复合材料可以极大的缩短碳纤维与金属液接触时间，极大程度上保证了碳纤维的完好，同时利用超声波使碳纤维均匀分散，达到提高碳纤维金属基复合材料力学性能的目的。而常规制备连续碳纤维增强金属基复合材料过程中，普通凝固方式无法克服碳纤维与基体间导热系数相差大，膨胀系数相差大的原因，采用定向凝固的方式则可以实现材料逐层凝固，金属熔体对缺陷的不断补缩，从而消除铸造缺陷提高性能的目的。目前由于并没有能解决上述问题的试验设备因此需要有一种实验装置解决这些问题。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种利用超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置及方法，该设备并且应用该设备的生产方法，对缺陷产生抑制明显，提高碳纤维在金属液中分散程度，降低碳纤维分散所需时间，减小碳纤维损伤的同时，能够显著较少连续碳纤维增强铝基复合材料制备过程中的铸造缺陷，获得高质量碳纤维金属基复合材料。
技术方案：
一种超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置，包括炉体、熔炼系统、定滑轮、超声波发生装置和材料下拉装置，其特征在于：炉体顶端内壁设有定滑轮，定滑轮旁的炉体顶端设有升降机构，升降机构由升降机控制，升降机构内设有超声波发生器，超声波发生器下方设有坩埚，坩埚外部为高频感应线圈线，坩埚和线圈构成熔炼系统，坩埚内部设有引料杆，引料杆下端穿过坩埚与下拉杆相连，下拉杆由减速机控制，炉体的下部填充有Ga-In合金液，Ga-In合金液位于坩埚的正下方，下拉杆穿过Ga-In合金液和炉体，下拉杆与引料杆部分浸于Ga-In合金液中，引料杆、下拉杆、减速机和Ga-In合金液构成材料下拉装置。
所述超声波发生器通过柔性橡胶密封圈a连接在升降机构内。
所述坩埚为上部开口并且底部开孔并向外凸出的形状上部开口的直径为80-300mm，下部开孔的直径为2-80mm。
所述下拉杆和炉体之间设有柔性橡胶密封圈b。
一种超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料的方法，其特征在于：将碳纤维绕过位于炉体顶部的定滑轮，碳纤维一端固定有砝码另一端固定于引料杆的一端；在惰性气体保护下，或真空状态下将坩埚内合金熔体熔化；然后启动升降机进而控制升降机构将超声波发生器振头部分准确插入到合金熔体中，施加一定时间及一定振幅的超声振动，从而使合金熔体浸入碳纤维间隙；同时用减速机以一定的速度抽拉Ga-In液中的下拉杆，从而使引料杆也以一定速度向下移动，从而使坩埚下部熔体实现定向凝固，从而制备得到棒状连续碳纤维增强铝基复合材料。
所述引料杆的向下移动速度为0.01-1000mm/min。
所述碳纤维为单丝束或多丝束状，单个丝束直径0.5-10mm，多丝束时浸渗完全的碳纤维丝束在制得的定向凝固复合材料中均匀排布。
优点及效果：
本发明所述的制备装置相比于传统碳纤维金属基复合材料制备装置具有操作简洁、生产效率高的特性，本发明所述制备方法相比于传统制备方法具有碳纤维损伤小，碳纤维分散均匀且分散程度高，对缺陷产生抑制明显，复合材料生产周期短、效率高,适合连续生产等优点。
附图说明
图1为本发明超声波装置总体安装示意图。
所述标注为：1.超声波发生器、2.炉体、3.定滑轮、4.碳纤维、5.砝码、6.引料杆、7.下拉杆、8.减速机、9.Ga-In合金液、10.感应线圈、11.坩埚、12.合金熔体、13.升降机构、14.柔性橡胶密封圈a、15.升降机、16. 柔性橡胶密封圈b。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置，包括炉体2、熔炼系统、定滑轮3、超声波发生装置和材料下拉装置，炉体2顶端内壁设有定滑轮3，定滑轮3旁的炉体2顶端设有升降机构13，升降机构13由升降机15控制，升降机构13内设有超声波发生器1，超声波发生器1通过柔性橡胶密封圈a14连接在升降机构13内，柔性橡胶密封圈a14不仅可以使超声波发生器1得到固定，而且不影响柔性橡胶密封圈a14的振动。超声波发生器1下方设有坩埚11，坩埚11为上部开口并且底部开孔并向外凸出的形状，上部开口的直径为80-300mm，下部开孔的直径为2-80mm。若下部开孔的直径过大（大于80mm时），则影响定向凝固成型组织的质量，若坩埚上部开口的直径过大或过小（小于80mm或大于300mm时）则无法施加超声振动，因此将坩埚上下两部分直径设计成具有一定尺寸约束下凸型坩埚，更有利于碳纤维复合材料的成型。坩埚11外部为高频感应线圈线10，坩埚11和线圈10构成熔炼系统，坩埚11内部设有引料杆6，引料杆6下端穿过坩埚11与下拉杆7相连，下拉杆7由减速机8控制，炉体2的下部填充有Ga-In合金液9，Ga-In合金液9位于坩埚11的正下方，下拉杆7穿过Ga-In合金液9和炉体2，下拉杆7与引料杆6部分浸于Ga-In合金液9中，下拉杆7和炉体2之间设有柔性橡胶密封圈b16，用于密封下拉杆7和炉体2之间之间的缝隙，防止Ga-In合金液9漏到炉体2外。引料杆6、下拉杆7、减速机8和Ga-In合金液9构成材料下拉装置。
超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料的方法：将碳纤维4绕过位于炉体顶部的定滑轮3，碳纤维4一端固定有砝码5另一端固定于引料杆6的一端；在惰性气体保护下，或真空状态下将坩埚11内合金熔体12熔化；然后启动升降机15进而控制升降机构13将超声波发生器1振头部分准确插入到合金熔体12中，施加一定时间及一定振幅的超声振动，从而使合金熔体12浸入碳纤维4间隙；同时用减速机8以一定的速度抽拉Ga-In液9中的下拉杆7，从而使引料杆6也以一定速度向下移动，从而使坩埚下部熔体实现定向凝固，从而制备得到棒状连续碳纤维增强铝基复合材料。
所述引料杆6的向下移动速度为0.01~1000mm/min，处于此区间的下拉速度可以保证下拉出的复合材料缺陷数量控制到最低。
所述碳纤维4为单丝束或多丝束状，单个丝束直径0.5-10mm，多丝束时浸渗完全的碳纤维丝束在制得的定向凝固复合材料中均匀排布。

Claims (7)

1.一种超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置，包括炉体、熔炼系统、定滑轮、超声波发生装置和材料下拉装置，其特征在于：炉体顶端内壁设有定滑轮，定滑轮旁的炉体顶端设有升降机构，升降机构由升降机控制，升降机构内设有超声波发生器，超声波发生器下方设有坩埚，坩埚外部为高频感应线圈线，坩埚和线圈构成熔炼系统，坩埚内部设有引料杆，引料杆下端穿过坩埚与下拉杆相连，下拉杆由减速机控制，炉体的下部填充有Ga-In合金液，Ga-In合金液位于坩埚的正下方，下拉杆穿过Ga-In合金液和炉体，下拉杆与引料杆部分浸于Ga-In合金液中，引料杆、下拉杆、减速机和Ga-In合金液构成材料下拉装置。
2.根据权利要求1所述超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置，其特征在于：所述超声波发生器通过柔性橡胶密封圈a连接在升降机构内。
3.根据权利要求1所述超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置，其特征在于：所述坩埚为上部开口并且底部开孔并向外凸出的形状，上部开口的直径为80-300mm，下部开孔的直径为2-80mm。
4.根据权利要求1所述超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置，其特征在于：所述下拉杆和炉体之间设有柔性橡胶密封圈b。
5.一种如权利要求1所述超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料的方法，其特征在于：将碳纤维绕过位于炉体顶部的定滑轮，碳纤维一端固定有砝码另一端固定于引料杆的一端；在惰性气体保护下，或真空状态下将坩埚内合金熔体熔化；然后启动升降机进而控制升降机构将超声波发生器振头部分准确插入到合金熔体中，施加一定时间及一定振幅的超声振动，从而使合金熔体浸入碳纤维间隙；同时用减速机以一定的速度抽拉Ga-In液中的下拉杆，从而使引料杆也以一定速度向下移动，从而使坩埚下部熔体实现定向凝固，从而制备得到棒状连续碳纤维增强铝基复合材料。
6.根据权利要求5所述超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料的方法，其特征在于：所述引料杆的向下移动速度为0.01-1000mm/min。
7.根据权利要求5所述超声振动结合定向凝固制备碳纤维铝复合材料装置，其特征在于：所述碳纤维为单丝束或多丝束状，单个丝束直径0.5-10mm，多丝束时浸渗完全的碳纤维丝束在制得的定向凝固复合材料中均匀排布。
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