CN112621996A - 一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置及方法，本发明属于复合材料制备技术领域，通过多结构装置的设计和组合，将送料、搅拌、挤料三个过程有机结合在一起。搅拌器的设计实现了，短切碳纤维与陶瓷粉末混合时，使短切碳纤维在陶瓷内分布更均匀，从而达到浆料混合均匀的目的。本发明在挤料过程中，考虑到短切碳纤维易团聚、难定向等难点，在挤出腔右端出口与喷口之间设计了均匀分布的定向孔，定向孔内径设计为短切碳纤维长度的十分之九；从而保证流出定向孔的浆料内的短切碳纤维是高度定向的。

Description

一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置及方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置及方法。
背景技术
陶瓷材料不仅质量轻、熔点高，而且具有较好的耐腐蚀性和抗氧化性能，被广泛应用于航空航天、医疗、军事工业等特殊领域。但是陶瓷材料本身的脆性大、韧性差致使其在使用过程中可靠性差，这极大限制了其应用范围。为了提高陶瓷材料的性能，向陶瓷材料中加入一种新的材料，其中纤维增强陶瓷基复合材料的效果最为突出，不仅克服了陶瓷材料脆性大、韧性差等缺点，还继续保持着陶瓷材料的优点，同时还能获得新的特点。短切碳纤维增强陶瓷基复合材料不仅具有一般连续纤维增强陶瓷复合材料的优点，克服了单一陶瓷材料脆性易断裂的缺点，提高了陶瓷材料的力学性能；另一方面，保持了陶瓷基体的耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好等优点。与连续纤维相比，短切碳纤维增强陶瓷基复合材料因加工工艺简单，生产成本较低等优点，受到人们的广泛关注。
但是，目前短切碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备仅能保证复合材料的各向同性，无法在实际应用中定向控制使其具有优异的局部性能；且短切碳纤维在基体中易发生团聚，限制了进一步提高其力学性能；现有的短切碳纤维增强陶瓷基复合材料的方法大多复杂、费事费力且效率不高，且仅能实现短纤维的随机分布，不能实现纤维在微观上的定向分布，以及制件内纤维取向调控。
发明内容
本发明提供了一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置及方法，解决传统短纤维增强陶瓷基复合材料成形方法中纤维无法定向的问题。
为达到上述目的，本发明所述一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置，包括混合搅拌装置，混合搅拌装置包括混料腔，混料腔上设置有料斗，混料腔中安装有搅拌器，混料腔的底部开有料腔出口，料腔出口下方设置有挤料腔，挤料腔的两端分别安装有伸缩式液压缸和成形挤出装置，伸缩式液压缸的上连接有同轴设置的一级套筒活塞和二级套筒活塞，二级套筒活塞上安装有多个定向针头；成形挤出装置包括定向装置和喷嘴，定向装置内部分布有多个和定向针头位置对应的定向孔，定向孔内径为短切碳纤维长度的90％～99％，喷嘴设置在定向装置的出口端。
进一步的，搅拌器包括搅拌杆，搅拌杆上安装有螺旋式送料扇叶和T型搅拌杆。
进一步的，搅拌杆上安装有刮料板，刮料板的外径小于混料腔的内径且大于螺旋式送料扇叶和T型搅拌杆旋转轨迹的外径。
进一步的，喷嘴的出口处设置有传送装置，传送装置上方设置有补粉筛。
进一步的，挤料腔一侧下方开连接有管道，管道下方设置有溢料收集装置。
进一步的，混料腔上部安装有旋转式喷头，旋转式喷头通过水管和水箱连接。
进一步的，定向孔为锥形孔。
基于上述制备装置的定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按质量百分比准备材料：短切碳纤维0.5％；分散剂体系2％；基体97.5％；
步骤2：将短切碳纤维用分散剂体系进行预分散，然后进行超声分散，使短切碳纤维分散均匀；
步骤3：将烧步骤2得到的分散后的短切碳纤维与基体一同经料斗送入混料腔内并加入水，用搅拌器搅拌均匀，得到浆料；
步骤4：使浆料进入挤料腔，启动伸缩式液压缸，推动一套筒活塞和二级套筒活塞将浆料推入带有定向定向孔的定向成形装置，最后从喷嘴均匀挤出短切碳纤维增强羟基磷灰石条料，将短切碳纤维增强羟基磷灰石条料，将短切碳纤维增强羟基磷灰石条料放入模具进行成型，然后烧结，得到定向分布短切碳纤维增强复合材料三维制件。
进一步的，步骤4完成后，冲洗混料腔和挤料腔，使伸缩式液压缸工作，一级套筒活塞和二级套筒活塞向喷嘴的方向运动，将水从喷嘴中挤出并收集。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明通过对短切碳纤维进行预处理后，在装置的作用下短切碳纤维保持在陶瓷基体内定向排列，提供了一种定向短切碳纤维增强陶瓷复合材料的装置。
通过多结构装置的设计和组合，将送料、搅拌、挤料三个过程有机结合在一起。搅拌器的设计实现了，短切碳纤维与陶瓷粉末混合时，使短切碳纤维在陶瓷内分布更均匀，从而达到浆料混合均匀的目的。本发明在挤料过程中，考虑到短切碳纤维易团聚、难定向等难点，在挤出腔右端出口与喷口之间设计了均匀分布的定向孔，定向孔内径设计为短切碳纤维长度的十分之九；从而保证流出定向孔的浆料内的短切碳纤维是高度定向的。
进一步的，为避免浆料过稀，在传送装置上方设有实时补粉筛。
进一步的，本发明将送料、搅拌、挤出、清洗等多个功能混为一体，提升了该装置的自动化程度，提高了工作效率。
一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备方法，利用定向针将浆料挤压入定向孔，实现流出定向孔的浆料内的短切碳纤维是高度定向。利用伸缩式液压缸将液压能转换成机械能，通过一、二级套筒活塞将短切碳纤维增强浆料均匀挤出，避免了样品中出现气泡等缺陷。
附图说明
图1为本发明所述的装置示意图；
图2为定向装置三维示意图；
图3为定向装置和挤料腔安装位置示意图；
图4为定向装置主视图；
图5为图4的A-A向剖面图；
图6为本发明在平面内纤维多向分布增强羟基磷灰石基体复合材料成型样品结构示意图。
附图中：1—混料腔，2—混料腔密封盖，3—料斗，4—搅拌电机，5—搅拌杆，6—螺旋式送料扇叶，7—旋转式喷头，8—第一阀门，9—水管，10—水箱，11—刮料板，12—搅拌器，13—T型搅拌杆，14—定向针头，15—定向孔，16—定向装置，17—补粉筛，18—固定装置，19—传送装置，20—短切碳纤维增强羟基磷灰石条料，21—喷嘴，22—挤料腔外壳，23—二级套筒活塞，24—一级套筒活塞，25—第二阀门，26—溢料收集装置，27—伸缩式液压缸，28—挤料腔，29—闸阀，30—混料腔外壳，31—定向分布短切碳纤维增强复合材料三维制件。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1，本发明所述的定向短切碳纤维增强陶瓷基复合材料的装置包括：混合搅拌装置、伸缩式液压系统、成形挤出装置以及清洗系统。
混合搅拌装置包括：混料腔1、混料腔密封盖2、料斗3、搅拌电机4、搅拌器12、闸阀29和混料腔外壳30。混料腔1上下垂直布置，其顶部开口安装混料腔密封盖2，搅拌电机4垂直布置在混料腔密封盖2的上方，且搅拌电机4与混料腔1的中心轴线相重合。料斗3固定安装在混料腔密封盖2上，与混料腔1顶部连通。
混料腔1外包覆有混料腔外壳30，混料腔1内部正中间安装有搅拌器12，搅拌器12安装在搅拌电机4的输出轴，由搅拌电机4带动搅拌器12旋转以进行搅拌工作。搅拌电机4、搅拌器12和混料腔1三者的中心轴共线。
搅拌器12由搅拌杆5、螺旋式送料扇叶6、刮料板11和T型搅拌杆13组成。搅拌杆搅拌杆5的上端同轴固定连接搅拌电机4，搅拌杆5从上到下依次安装有螺旋式送料扇叶6、刮料板11和T型搅拌杆13。刮料板11的外径小于混料腔1的内径且大于螺旋式送料扇叶6和T型搅拌杆13旋转轨迹的外径。
混料腔1的底部开有料腔出口，闸阀29安装在料腔出口处，位于搅拌杆15的正下方。闸阀29的下方是左右水平布置的挤料腔28，通过闸阀29的开启与闭合实现混料腔1和挤料腔28的连接与隔断。
伸缩式液压系统包括：挤料腔28、伸缩式液压缸27、一级套筒活塞24、二级套筒活塞23、第二阀门25和溢料收集装置26。在挤料腔28内部的左侧是水平布置的伸缩式液压缸27，伸缩式液压缸27的缸体与挤料腔28左端之间密封连接。挤料腔28左侧下方开有小孔，密封接出一段水管，水管上安装第二阀门25，水管下方为溢料收集装置26。伸缩式液压缸27的右端连接有一级套筒活塞24。一级套筒活塞24外壁与挤料腔28的内壁可滑动密封连接。二级套筒活塞23与一级套筒活塞24同轴设置，且都位于挤料腔28内部，沿挤料腔28的中心轴向左右移动。二级套筒活塞23为T形，包括水平部和竖直部，水平部为圆柱形，穿过一级套筒活塞24和伸缩式液压缸27连接，竖直部位于一级套筒活塞24右侧，竖直部右侧固定有多个定向针头14；当一级套筒活塞24和二级套筒活塞23位于初始位置时，一级套筒活塞24的左侧壁与挤料腔28的左侧内壁相贴合，而二级套筒活塞23的左侧壁与一级套筒活塞24的右侧壁相贴合。挤料腔28外包覆有挤料腔外壳22。
成形挤出装置包括：定向装置16、补粉筛17、固定装置18、传送装置19和喷嘴21。参照图2至图5，在挤料腔28右侧出口出装有定向装置16，定向装置16内部均匀分布有锥形的定向孔15，定向孔内径为短切碳纤维长度的90％(2-3mm)至99％；从而保证流出定向孔的浆料内的短切碳纤维是高度定向的。
定向装置16与挤料腔28右侧紧密连接。定向装置右侧是喷嘴21。当浆料从喷嘴21挤出后，经传送装置19传输到固定装置18上的模具收集。补粉筛17位传送装置19正上方。传送装置19为传送机。
清洗系统包括：旋转式喷头7、第一阀门8、水管9和水箱10。旋转式喷头7穿过混料腔密封盖2，从混料腔1的顶部伸入，位于混料腔密封盖2的下方。旋转式喷头7连接水管9一端，水管9另一端连接水箱10，在水管9上安装第一阀门8，水箱10位于混料腔的右侧，为清洗系统提供水源。
混合搅拌装置工作时，包含送料和搅拌两个过程：在送料过程中闸阀29保持关闭，依次将陶瓷粉末和短切碳纤维溶液经料斗3送入到混料腔1当中，当原料通过料斗3进入混料腔1后先落在螺旋式送料扇叶6上，通过螺旋式送料扇叶6旋转可将原料均匀的撒向混料腔1内部，实现原料均匀混合的目的。在搅拌过程中，闸阀29仍保持关闭，利用搅拌器12上的螺旋式送料扇叶6、刮料板11、T型搅拌杆13和螺旋式挤料扇叶14对混合原料进行搅拌，达到两者均匀混合的目的。其中刮料板11还可以将粘在混料腔1内壁上的浆料刮下，减少材料浪费。在挤料过程中开启闸阀29，浆料借助自身重力从混料腔1进入挤料腔28中。
伸缩式液压系统工作时，向右运动时，一级套筒活塞24和二级套筒活塞23始终一起向右运动。当一级套筒活塞24与挤料腔28的右侧内壁相贴合时，一级套筒活塞24停止运动，而二级套筒活塞23继续向右运动直到定向针头伸入定向孔15至最小端时，停止运动。向左运动时，二级套筒活塞23先向左运动，在碰到一级套筒活塞24后，二者保持贴合并一起向左进行回程运动，直到一级套筒活塞24碰到挤料腔28的左侧内壁时停止运动，从而完成一次完整的活塞运动。通过一级套筒活塞24和二级套筒活塞23的往复运动，从而达到制样目的。
实施例1
请参阅图1和图6所示：
本实施例中制备一种定向分布短切碳纤维增强羟基磷灰石基复合材料，包括以下步骤：
步骤1：选择原材料的组成成份及质量百分比
短切碳纤维0.5％：短切碳纤维纤维平均直径7μm，长度2-3mm；
分散剂体系2％：表面活性剂用量1％；分散剂用量1％，分散剂由质量比为3:1的聚氧化乙烯(PEO)与聚丙烯酰胺(PAM)组成；
基体材料97.5％：羟基磷灰石粉末；
步骤2：短切碳纤维的预分散处理
取一个烧杯，将称量好的短切碳纤维与表面活性剂、分散剂倒入烧杯，然后加入一定量的去离子水，用玻璃棒搅拌，使短切碳纤维分散均匀；然后将超声探头伸入液体内，以800W的功率，超声振动7min，超声振动与分散剂的共同作用使短切碳纤维充分分散均匀；
通过使用生物活性剂及分散剂，对短切碳纤维进行与分散；又通过超声振动装置的使用，与分散剂共同作用从而达到短切碳纤维分散的最佳效果，分散时间更短，效率更高。
步骤3：混料与浆料的制备过程
关闭闸阀29，将烧杯内的短切碳纤维液体与羟基磷灰石粉末一同经料斗3送入混料腔1内，打开第一阀门8加入适量的水，然后关闭第一阀门8，同时搅拌电机4带动搅拌器12进行搅拌。待混合均匀，呈浆料状。
步骤4：挤出过程
浆料混合均匀后，打开闸阀29，浆料在自身重力的作用下进入挤料腔28。伸缩式液压缸27启动，将液压能转换成机械能，推动一套筒活塞24和二级套筒活塞23将浆料推入带有定向定向孔15的定向成形装置16，最后从喷嘴21均匀挤出短切碳纤维增强羟基磷灰石条料20，短切碳纤维增强羟基磷灰石条料20如图3所示，经传送装置19传输到固定装置18上的模具内压实，将模具转移到火花等离子烧结炉内进行烧结，温度升至800℃，升温速度100℃/min，最高温度与粉末材料和纤维材料有关，保温时间5min，烧结完成后，即得定向分布短切碳纤维增强复合材料三维制件31。为避免浆料过稀，在传送装置19上方设有实时补粉筛17。
步骤5：清洗过程
浆料挤出完毕之后，旋转喷头7进入混料腔1中用清水对其进行冲洗，同时打开闸阀13，清水进入到挤料腔28中，伸缩式液压缸27工作，一级套筒活塞24和二级套筒活塞23向右运动，将水从喷嘴21中挤出并收集。
实施例2
本实施例和实施例1的步骤相同，不同之处在于：步骤1的原材料的组分不同，本实施例中，原材料的质量百分比如下：
短切碳纤维0.3％：短切碳纤维纤维平均直径7μm，长度2-3mm；
分散剂体系2％：表面活性剂用量0.4％；分散剂用量1.6％，分散剂由质量比为3:1的聚氧化乙烯(PEO)与聚丙烯酰胺(PAM)组成；
余量为基体材料。
实施例3
本实施例和实施例1的步骤相同，不同之处在于：步骤1的原材料的组分不同，本实施例中，原材料的质量百分比如下：
短切碳纤维0.8％：短切碳纤维纤维平均直径7μm，长度2-3mm；
分散剂体系1％：表面活性剂用量0.2％；分散剂用量0.8％，分散剂由质量比为3:1的聚氧化乙烯(PEO)与聚丙烯酰胺(PAM)组成；
余量为基体材料。
实施例4
本实施例和实施例1的步骤相同，不同之处在于：步骤1的原材料的组分不同，本实施例中，原材料的质量百分比如下：
短切碳纤维0.55％：短切碳纤维纤维平均直径7μm，长度2-3mm；
分散剂体系1.5％：表面活性剂用量0.8％；分散剂用量0.7％，分散剂由质量比为3:1的聚氧化乙烯(PEO)与聚丙烯酰胺(PAM)组成；
余量为基体材料。
实施例5
本实施例和实施例1的步骤相同，不同之处在于：步骤1的原材料的组分不同，本实施例中，原材料的质量百分比如下：
短切碳纤维0.7％：短切碳纤维纤维平均直径7μm，长度2-3mm；
分散剂体系1.5％：表面活性剂用量0.5％；分散剂用量1％，分散剂由质量比为3:1的聚氧化乙烯(PEO)与聚丙烯酰胺(PAM)组成；
余量为基体材料。
实施例6
本实施例和实施例1的步骤相同，不同之处在于：步骤1的原材料的组分不同，本实施例中，原材料的质量百分比如下：
短切碳纤维0.7％：短切碳纤维纤维平均直径7μm，长度2-3mm；
分散剂体系1％：表面活性剂用量0.6％；分散剂用量0.4％，分散剂由质量比为3:1的聚氧化乙烯(PEO)与聚丙烯酰胺(PAM)组成；
余量为基体材料。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置，其特征在于，包括混合搅拌装置，所述混合搅拌装置包括混料腔(1)，所述混料腔(1)上设置有料斗(3)，所述混料腔(1)中安装有搅拌器(12)，所述混料腔(1)的底部开有料腔出口，料腔出口下方设置有挤料腔(28)，所述挤料腔(28)的两端分别安装有伸缩式液压缸(27)和成形挤出装置，伸缩式液压缸(27)的上连接有同轴设置的一级套筒活塞(24)和二级套筒活塞(23)，所述二级套筒活塞(23)上安装有多个定向针头(14)；
所述成形挤出装置包括定向装置(16)和喷嘴(21)，所述定向装置(16)内部分布有多个和定向针头(14)位置对应的定向孔(15)，定向孔内径为短切碳纤维长度的90％～99％，所述喷嘴(21)设置在定向装置(16)的出口端。
2.根据权利要求1所述的一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置，其特征在于，所述搅拌器(12)包括搅拌杆(5)，搅拌杆(5)上安装有螺旋式送料扇叶(6)和T型搅拌杆(13)。
3.根据权利要求2所述的一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置，其特征在于，所述搅拌杆(5)上安装有刮料板(11)，所述刮料板(11)的外径小于混料腔(1)的内径且大于螺旋式送料扇叶(6)和T型搅拌杆(13)旋转轨迹的外径。
4.根据权利要求1所述的一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置，其特征在于，所述喷嘴(21)的出口处设置有传送装置(19)，所述传送装置(19)上方设置有补粉筛(17)。
5.根据权利要求1所述的一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置，其特征在于，所述挤料腔(28)一侧下方开连接有管道，管道下方设置有溢料收集装置(26)。
6.根据权利要求1所述的一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置，其特征在于，所述混料腔(1)上部安装有旋转式喷头(7)，所述旋转式喷头(7)通过水管(9)和水箱(10)连接。
7.根据权利要求1所述的一种定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备装置，其特征在于，所述定向孔(15)为锥形孔。
8.基于权利要求1所述的制备装置的定向分布短切碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按质量百分比准备材料：短切碳纤维0.5％；分散剂体系2％；基体97.5％；
步骤2：将短切碳纤维用分散剂体系进行预分散，然后进行超声分散，使短切碳纤维分散均匀；
步骤3：将烧步骤2得到的分散后的短切碳纤维与基体一同经料斗(3)送入混料腔(1)内并加入水，用搅拌器(12)搅拌均匀，得到浆料；
步骤4：使浆料进入挤料腔(28)，启动伸缩式液压缸(27)，推动一套筒活塞(24)和二级套筒活塞(23)将浆料推入带有定向定向孔(15)的定向成形装置(16)，最后从喷嘴(21)均匀挤出短切碳纤维增强羟基磷灰石条料(20)，将短切碳纤维增强羟基磷灰石条料(20)，将短切碳纤维增强羟基磷灰石条料(20)放入模具进行成型，然后烧结，得到定向分布短切碳纤维增强复合材料三维制件(31)。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤4完成后，冲洗混料腔(1)和挤料腔(28)，使伸缩式液压缸(27)工作，一级套筒活塞(24)和二级套筒活塞(23)向喷嘴(21)的方向运动，将水从喷嘴(21)中挤出并收集。
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