CN108856703A - 两相球形材料及其制造装置、制造方法及板材的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两相球形材料，包括球形壳体及球形壳体内密封的气体，其中：球形壳体的外径取值范围为10微米‑5毫米，球形壳体的壁厚取值范围为20纳米‑1000微米，球形壳体内绝对压力的取值范围为0.1MPa‑100MPa。本发明中的两相材料外壳均选用高硬度、高强度结构材料，其空心结构大大降低了两相材料的密度，克服了外壳材料强度、硬度高，但密度也高的矛盾，充入的气体补偿了材料空心结构损失的大部分强度，同时空心正压球体结构大大改善了实心材料所缺少的可变形量，增加了该材料的塑性能力，使用该两相材料制作的板材或带材比现有的航空铝合金和钛合金的比强度提高了数倍。

Description

两相球形材料及其制造装置、制造方法及板材的制造方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及两相球形材料及其制造装置、制造方法及板材的制造方法。
背景技术
随着科技技术的不断发展，各个领域对于材料性能提出了更高的要求，而材料发展又是发展航空航天的物质基础，是决定或者说制约航空航天装备性能的重要因素，先进材料是航空技术的先导，目前航空材料仍然以铝合金为主，钢用量减少，钛合金用量在增加，树脂基复合材料已在承力件上得到了全面应用，所以高比强度，高韧性，高损伤容限，抗腐蚀，轻质，高效的多功能材料成为航空航天新型材料的发展趋势。
本发明公开了一种两相球形材料，所述两相材料外壳均选用高硬度、高强度结构材料，其空心结构大大降低了两相材料的密度（克服了外壳材料强度、硬度高，但密度也高的矛盾），充入的高压惰性气体补偿了材料空心结构损失的大部分强度，同时空心正压球体结构大大改善了实心材料所缺少的可变形量，增加了该材料的塑性能力，使用该两相材料制作的板材或带材比现有的航空铝合金和钛合金比强度提高了数个数倍，在相同重量的飞行器内可利用空间大大提高，而在同等载荷的情况下，飞行器本身重量大大降低，从而大大提高了飞行器效能。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明公开了一种两相球形材料，在保证强度的同时，降低了两相材料的密度，改善了实心材料所缺少的可变形量，增加了该材料的塑性能力。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种两相球形材料，包括球形壳体及球形壳体内密封的气体，其中：
所述球形壳体的外径取值范围为10微米-5毫米，所述球形壳体的壁厚取值范围为20纳米-1000微米，球形壳体内绝对压力的取值范围为0.1MPa-100MPa。
优选地，所述球形壳体的硬度，莫氏硬度为7-9.5，适用温度范围为1650℃-3400℃，强度为200-4000Mpa。
优选地，所述球形壳体由蓝宝石材料、玻璃、二氧化硅、氮化铝、碳化硅、铼及钨中任意一种或多种制成。
优选地，球形壳体内密封的气体为惰性气体。
优选地，球形壳体内密封的气体包括氢气、氦气、压缩空气、二氧化碳、氧气及氮气中的任意一种或多种。
一种两相球形材料的制造装置，所述两相球形材料的制造装置用于制造上述的两相球形材料，所述两相球形材料的制造装置包括带滴头的坩埚、加热装置及气体固化颗粒发射装置，其中，加热装置用于加热坩埚，滴头处于坩埚底部，坩埚内的液体能够通过滴头滴出，气体固化颗粒发射装置的发射端朝向滴头出液口的正下方，气体固化颗粒发射装置能够发射气体固化颗粒。
一种两相球形材料的制造方法，本方法使用两相球形材料的制造装置制造上述的两相球形材料，所述两相球形材料的制造装置包括带滴头的坩埚、加热装置及气体固化颗粒发射装置，其中，加热装置用于加热坩埚，滴头处于坩埚底部，坩埚内的液体能够通过滴头滴出，气体固化颗粒发射装置的发射端朝向滴头出液口的正下方，气体固化颗粒发射装置能够发射气体固化颗粒；所述两相球形材料的制造方法包括如下步骤：
获取两相球形材料的制造装置；
将制造球形壳体的材料加入坩埚中；
开启加热装置加热坩埚使坩埚内制造球形壳体的材料融化；
融化的材料从滴头中流出；
启动气体固化颗粒发射装置，朝滴头滴下的液滴发射气体固化颗粒，获得所述两相球形材料，所述气体固化颗粒为球形壳体内密封的气体的固态颗粒。
优选地，融化制造球形壳体的材料时，调节加热装置使制造球形壳体的材料的熔体保持预设过热度。
一种板材的制造方法，采用粘接剂将多个上述的两相球形材料粘接成板状结构，并在板状结构两侧粘接表层材料形成板材。
一种板材的制造方法，将多个上述的两相球形材料加热使球形壳体软化，对两相球形材料施压，使球形壳体相互粘连后降温得到板材。
综上所述，本发明公开了一种两相球形材料，包括球形壳体及球形壳体内密封的气体，其中：球形壳体的外径取值范围为10微米-5毫米，球形壳体的壁厚取值范围为20纳米-1000微米，球形壳体内绝对压力的取值范围为0.1MPa-100MPa。本发明中的两相材料外壳均选用高硬度、高强度结构材料，其空心结构大大降低了两相材料的密度（克服了外壳材料强度、硬度高，但密度也高的矛盾），充入的高压惰性气体补偿了材料空心结构损失的大部分强度，同时空心正压球体结构大大改善了实心材料所缺少的可变形量，增加了该材料的塑性能力，使用该两相材料制作的板材或带材比现有的航空铝合金和钛合金比强度提高了数倍，在相同重量的飞行器内可利用空间大大提高，而在同等载荷的情况下，飞行器本身重量大大降低，从而大大提高了飞行器效能。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种两相球形材料的剖面结构示意图；
图2为本发明公开的一种两相球形材料的制造装置的结构示意图；
图3为本发明公开的一种板材的制造方法的结构示意图；
图4为本发明公开的另一种板材的制造方法的结构示意图。
附图标记说明：球形壳体1、气体2、表层材料3、两相球形材料4、粘接剂5、坩埚6、感应加热线圈7、气体固化颗粒发射装置8、过热溶体9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种两相球形材料，包括球形壳体1及球形壳体1内密封的气体2，其中：
所述球形壳体1的外径取值范围为10微米-5毫米，所述球形壳体1的壁厚取值范围为20纳米-1000微米，球形壳体1内绝对压力的取值范围为0.1MPa-100MPa。
本发明中的两相球形材料的外壳均选用高硬度、高强度结构材料，其空心结构大大降低了两相材料的密度（克服了外壳材料强度、硬度高，但密度也高的矛盾），充入的高压惰性气体补偿了材料空心结构损失的大部分强度，同时空心正压球体结构大大改善了实心材料所缺少的可变形量，增加了该材料的塑性能力，使用该两相材料制作的板材或带材比现有的航空铝合金和钛合金比强度提高了数倍，在相同重量的飞行器内可利用空间大大提高，而在同等载荷的情况下，飞行器本身重量大大降低，从而大大提高了飞行器效能。
具体实施时，所述球形壳体1的硬度，莫氏硬度为7-9.5，适用温度范围为1650℃-3400℃，强度为200-4000Mpa。
本发明的两相球形材料可广泛应用于航空航天及防弹防火等领域，因此对于球形壳体1的物理性能具有较高要求。
具体实施时，所述球形壳体1由蓝宝石、玻璃、二氧化硅、氮化铝、碳化硅、铼及钨中任意一种或多种制成。
此类材料本身硬度高，耐温性能强，强度也比较好，可以为两相材料提供基础的综合性能，是决定两相材料使用方向的基础要求，而其空心正压结构是改善这些材料密度大，缺乏塑性的缺点。
具体实施时，球形壳体1内密封的气体2为惰性气体。
球形壳体1内惰性气体可以保证两相材料在长期使用过程中不会因为内部气体2变性而造成的性能改变，从而保证了两相材料性能的稳定可靠。
具体实施时，球形壳体1内密封的气体2包括氢气、氦气、压缩空气、二氧化碳、氧气及氮气中的任意一种或多种。
上述气体2获得比较容易，在密闭环境下性能也稳定可靠，使用这些气体2可以很好地保证两相材料性能的稳定性。
如图2所示，本发明公开了一种两相球形材料的制造装置，所述两相球形材料的制造装置用于制造上述的两相球形材料，所述两相球形材料的制造装置包括带滴头的坩埚、加热装置及气体固化颗粒发射装置，其中，加热装置用于加热坩埚，滴头安装在坩埚上，坩埚内的液体能够通过滴头滴出，气体固化颗粒发射装置的发射端朝向滴头出液口的正下方，气体固化颗粒发射装置能够发射气体固化颗粒。
在本发明中，加热装置可以为设置在坩埚周围的感应加热线圈。
本发明提供的两相球形材料的制造装置为制造上述的两相球形材料提供了硬件基础。
一种两相球形材料的制造方法，本方法使用两相球形材料的制造装置制造上述的两相球形材料，所述两相球形材料的制造装置包括带滴头的坩埚、加热装置及气体固化颗粒发射装置，其中，加热装置用于加热坩埚，滴头安装在坩埚上，坩埚内的液体能够通过滴头滴出，气体固化颗粒发射装置的发射端朝向滴头出液口的正下方，气体固化颗粒发射装置能够发射气体固化颗粒；所述两相球形材料的制造方法包括如下步骤：
获取两相球形材料的制造装置；
将制造球形壳体1的材料加入坩埚中；
开启加热装置加热坩埚使坩埚内制造球形壳体1的材料融化；
融化的材料从滴头中流出；
启动气体固化颗粒发射装置，朝滴头滴下的液滴发射气体固化颗粒2，获得所述两相球形材料，所述气体固化颗粒2为球形壳体1内密封的气体2的固态颗粒。
在本发明中，根据需要的球形材料的球形壳体1的大小，选用不同口径的滴头。本发明中，气体固化颗粒发射装置根据工艺需求不间断地以一定速度发送气体固化颗粒，该气体固化颗粒以一定速度撞入从坩埚内滴出的液滴内，并在液滴内膨胀，该液滴受气体固化颗粒膨胀吸热以及下部温度低的双重影响，在气体固化颗粒未完全气化前已经固化，由此当气体固化颗粒完全气化后，将在球形壳体1内形成一定的正压，通过控制气体固化颗粒尺寸大小、液体过热度、液滴下降路线的温度梯度，将得到设计所需外形尺寸、壁厚、内压的球形材料。
具体实施时，融化制造球形壳体1的材料时，调节加热装置使制造球形壳体1的材料的熔体保持预设过热度。
一定的过热度可以控制外壳材料固化时间，从而获得一定壁厚和内部压强的两相材料。
如图3所示，本发明公开了一种板材的制造方法，采用粘接剂将多个上述的两相球形材料粘接成板状结构，并在板状结构两侧粘接表层材料形成板材。
本方法制造的板材，适合应用在只需要抗冲击强度且重量要求轻的场合，比如防弹衣和装甲车等防护外罩。
如图4所示，一种板材的制造方法，将多个上述的两相球形材料加热使球形壳体1软化，对两相球形材料施压，使球形壳体1相互粘连后降温得到板材。
采用本方法制造的板材继承了上市球形材料的基本物化性能，比如高硬度、高强度、耐高温特性，同时由于空心正压构造，使该板材具有了高硬度材料所缺乏的塑性和低密度性能，可以较好地解决飞机等航空航天装备机翼、大梁、发动机等强度硬度要求高、耐温高、而密度要求低等综合性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种两相球形材料，其特征在于，包括球形壳体及球形壳体内密封的气体，其中：
所述球形壳体的外径取值范围为10微米-5毫米，所述球形壳体的壁厚取值范围为20纳米-1000微米，球形壳体内绝对压力的取值范围为0.1MPa-100MPa。
2.如权利要求1所述的两相球形材料，其特征在于，所述球形壳体的硬度，莫氏硬度为7-9.5，适用温度范围为1650℃-3400℃，强度为200-4000Mpa。
3.如权利要求2所述的两相球形材料，其特征在于，所述球形壳体由蓝宝石材料、玻璃、二氧化硅、氮化铝、碳化硅、铼及钨中任意一种或多种制成。
4.如权利要求1所述的两相球形材料，其特征在于，球形壳体内密封的气体为惰性气体。
5.如权利要求1所述的两相球形材料，其特征在于，球形壳体内密封的气体包括氢气、氦气、压缩空气、二氧化碳、氧气及氮气中的任意一种或多种。
6.一种两相球形材料的制造装置，其特征在于，所述两相球形材料的制造装置用于制造如权利要求1-5任一项所述的两相球形材料，所述两相球形材料的制造装置包括带滴头的坩埚、加热装置及气体固化颗粒发射装置，其中，加热装置用于加热带滴头的坩埚，坩埚内的液体能够通过滴头滴出，气体固化颗粒发射装置的发射端朝向带滴头出液口的正下方，气体固化颗粒发射装置能够发射气体固化颗粒。
7.一种两相球形材料的制造方法，其特征在于，本方法使用两相球形材料的制造装置制造如权利要求1-5任一项所述的两相球形材料，所述两相球形材料的制造装置包括带滴头的坩埚、加热装置及气体固化颗粒发射装置，其中，加热装置用于加热坩埚，滴头处于坩埚底部，坩埚内的液体能够通过滴头滴出，气体固化颗粒发射装置的发射端朝向滴头出液口的正下方，气体固化颗粒发射装置能够发射气体固化颗粒；所述两相球形材料的制造方法包括如下步骤：
获取两相球形材料的制造装置；
将制造球形壳体的材料加入坩埚中；
开启加热装置加热坩埚使坩埚内制造球形壳体的材料融化；
融化的材料从滴头中流出；
启动气体固化颗粒发射装置，朝滴头滴下的液滴发射气体固化颗粒，获得所述两相球形材料，所述气体固化颗粒为球形壳体内密封的气体的固态颗粒。
8.如权利要求7所述的两相球形材料的制造方法，其特征在于，融化制造球形壳体的材料时，调节加热装置使制造球形壳体的材料的熔体保持预设过热度。
9.一种板材的制造方法，其特征在于，采用粘接剂将多个权利要求1-5任一项所述的两相球形材料粘接成板状结构，并在板状结构两侧粘接表层材料形成板材。
10.一种板材的制造方法，其特征在于，将多个权利要求1-5任一项所述的两相球形材料加热使球形壳体软化，对两相球形材料施压，使球形壳体相互粘连后降温得到板材。
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