CN112935516A - 颗粒增强复合材料高通量制备设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料制备的技术领域，公开了一种颗粒增强复合材料高通量制备设备，包括搅拌摩擦焊接装置以及采用相同材料制成的金属板和盖板，金属板上开设有楔形槽，楔形槽的横截面形状呈梯度变化，盖板密封盖设于金属板的顶面；搅拌摩擦焊接装置包括搅拌头，搅拌头设有搅拌针。还公开了一种颗粒增强复合材料高通量制备方法，在金属板上开设一个或多个楔形槽，将润湿态的颗粒混合物填充于所述楔形槽中，盖设盖板，搅拌摩擦焊接装置的搅拌头按预设路径对经过上述处理的金属板进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工完毕后，将金属板上的盖板清除。本发明的设备和方法，操作简单、生产效率高、成本低，可实现颗粒增强复合材料的高通量制备。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备的技术领域，特别是涉及一种颗粒增强复合材料高通量制备设备及方法。
背景技术
目前，金属基复合材料因其具有高强度、耐磨损和高刚度等优异性能，在航空航天和高速轨道列车等领域具有重要价值。金属基复合材料由于其含有基体和增强体等多组元及其形成的界面，其界面结构和性能优化的影响因素繁多。现有金属基复合材料的研发主要为传统模式，即针对航空航天交通运输等领域小批量和多品种的技术要求，采用个案公关的研发模式加以解决，且新材料的研发通常需要从成分配方设计、制备工艺、加工工艺及性能测试等方面进行反复试验，才能确定最佳材料性能、工艺和最终满足性能的产品，这种研发模式存在难度大、周期长、成本高等问题。
2011年，美国政府提出“材料基因工程”计划，包括高通量设计、制备和表征三大技术要素。该计划的核心思想是利用大数据做支撑，通过高通量计算设计、快速优化材料组分；通过高通量制备技术在短时间内制备覆盖多组分材料体系组合的样品阵列；利用高效的测试方法快速地获得阵列中样品的成分、结构以及性能数据，最终通过计算机进行数据处理并以适当的方式呈现。高通量制备技术可加速材料的筛选，从而达到快速优化材料组分、工艺和性能的目的，大大缩短材料研制周期、降低材料研制成本，成为替代传统的“逐一”或“单步”研发的新模式。这种新的研发模式可推动金属基复合材料达到“按需设计”的终极目标。近年来，高通量制备技术在化工、生物及半导体领域有广泛的应用，而在金属基复合材料研究中应用相对较少。目前国内外研究者尝试利用热压烧结、铸造和原位反应等方法开展金属基复合材料高通量制备技术研究，但主要限制于层状复合材料，且制备的样品尺寸较小。
发明内容
本发明的目的是：提供一种操作简单、生产效率高、成本低的复合材料制备设备和方法，可高通量制备具有颗粒增强的复合材料。
为了实现上述目的，本发明提供了一种颗粒增强复合材料高通量制备设备，包括搅拌摩擦焊接装置以及采用相同材料制成的金属板和盖板，所述金属板上开设有楔形槽，所述楔形槽的横截面形状呈梯度变化，所述盖板密封盖设于所述金属板的顶面；
所述搅拌摩擦焊接装置包括搅拌头，所述搅拌头设有搅拌针。
作为优选方案，所述楔形槽的数量有一个或多个，所述楔形槽的横截面形状为直角三角形。
作为优选方案，所述楔形槽包括底面、斜面、第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和斜面形成的夹角为β，5°≤β≤30°。
作为优选方案，所述搅拌针的外周壁开设有锥形螺纹，所述搅拌针的长度为L，所述楔形槽的深度为h，所述盖板的厚度为d，则有，0mm≤L－(h+d)≤1mm。
作为优选方案，0.5mm≤d≤1mm。
作为优选方案，所述搅拌头外设有冷却罩，所述冷却罩内部开设有绕其周向布置的冷却通道，所述冷却通道的两端分别连接进水管和出水管。
作为优选方案，还包括用于对楔形槽内的填充颗粒进行预混合的球磨机。
一种颗粒增强复合材料高通量制备方法，基于上述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，所述方法包括以下步骤：
在金属板上开设一个或多个楔形槽，并将金属板的表面和楔形槽内壁打磨至预设粗糙度后，清洗金属板并干燥；
用球磨机将不同的颗粒混合，并加入有机溶剂使颗粒呈润湿态；
将润湿态的颗粒混合物填充于所述楔形槽中；
在金属板上盖设盖板；
搅拌摩擦焊接装置的搅拌头按预设路径对经过上述处理的金属板进行搅拌摩擦加工，且所述搅拌头的搅拌摩擦加工路径能覆盖楔形槽的位置，相同搅拌摩擦加工路径重复加工4－8次，相邻两次搅拌摩擦加工时，搅拌头旋转方向相反；
搅拌摩擦加工完毕后，将金属板上的盖板清除。
作为优选方案，所述金属板搅拌摩擦加工后获得颗粒的体积分数不同的复合材料，所述体积分数计算方法如下：
截取金属板中宽度为b的复合材料，截取的复合材料包括楔形槽；
选取所述复合材料中楔形槽覆盖的任一位置，并测量所述位置的楔形槽的宽度a；
复合材料中颗粒的体积分数通过以下公式计算：
复合材料中颗粒的体积分数＝(a/b)×100％；
若楔形槽内填充多种颗粒，设颗粒α的颗粒数占复合材料的颗粒数的百分数为c％，则颗粒α在复合材料中的体积分数计算公式如下：
颗粒α体积分数＝(a/b)×c％×100％。
作为优选方案，所述楔形槽的底面交错排列，且所述楔形槽的斜面相对排列。
本发明实施例与现有技术相比，其有益效果在于：
1、本发明实施例的颗粒增强复合材料高通量制备设备，通过在金属板上开设楔形槽，可在楔形槽内填充颗粒，并通过搅拌摩擦焊接设备进行加工。
2、本发明实施例的颗粒增强复合材料高通量制备方法，通过在金属板的楔形槽填充不同的颗粒混合物，利用摩擦搅拌焊接装置进行搅拌摩擦加工，得到填充颗粒的体积分数呈梯度变化的复合材料，在不同楔形槽中添加不同的颗粒混合物，可在同一金属板上同时制备具有不同颗粒增强的复合材料，实现颗粒增强复合材料的高通量制备，该制备方法工艺简单、周期短、成本低且绿色环保。
附图说明
图1是本发明实施例的复合材料制备示意图；
图2是本发明实施例的金属板结构示意图；
图3是本发明实施例的盖板结构示意图；
图4是本发明实施例的搅拌摩擦焊接装置结构示意图；
图5是本发明实施例的搅拌摩擦加工路径示意图。
图中：
1、金属板；2、楔形槽；21、斜面；22、第一侧面；23、底面；24、第二侧面；3、盖板；4、搅拌头；5、搅拌针；6、冷却罩；61、进水管；62、出水管；d、盖板厚度；h、楔形槽深度；L、搅拌针长度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图2所示，本发明实施例优选实施例的一种颗粒增强复合材料高通量制备设备，包括搅拌摩擦焊接装置以及采用相同材料制成的金属板1和盖板3，所述金属板1上开设有楔形槽2，所述楔形槽2的横截面形状呈梯度变化，所述盖板3密封盖设于所述金属板1的顶面；所述搅拌摩擦焊接装置包括搅拌头4，所述搅拌头4设有搅拌针5。
本发明的金属板1上开设有楔形槽2，根据所需制备的复合材料的要求，在楔形槽2中填充颗粒，且楔形槽2的横截面形状呈梯度变化，对应楔形槽2中不同位置，所含有的颗粒成分含量不同，复合材料的性能不同，可同时检测复合材料具备不同颗粒含量的性能。通过搅拌摩擦焊接装置进行加工，结构简单，操作方便。
进一步的，所述楔形槽2的数量可有一个或多个，所述楔形槽2的横截面形状为直角三角形，可根据复合材料的制备需求，在金属板1中开设一个或多个楔形槽2，制备一种或多种复合材料，无需针对不同成分含量单独制备复合材料，节省材料，降低材料的报废率，且减少材料制备的流程，楔形槽2横截面形状为直角三角形，在楔形槽2的不同位置可得到具有颗粒体积分数不同的复合材料，并进行性能测试，从而判断含有不同颗粒含量的复合材料的性能是否符合实际应用的要求，加速材料的筛选。
进一步的，所述楔形槽2包括底面23、斜面21，第一侧面22和第二侧面24，所述第一侧面22和斜面21形成的夹角为β，5°≤β≤30°。通过增大β角，可改变楔形槽2在金属板上的占用面积，从而获得较大面积的复合材料。此外，还可以通过增加楔形槽2的深度，得到较厚的复合材料。优选地，β角优选为10°、15°、20°、25°，且效果更佳。
进一步的，所述搅拌针5的外周壁开设有锥形螺纹，所述搅拌针5的长度为L，所述楔形槽2的深度为h，所述盖板3的厚度为d，则有，0mm≤L－(h+d)≤1mm。由于搅拌针5外周壁开设有锥形螺纹，可在搅拌摩擦加工的过程中，有利于填充在楔形槽2中的颗粒与金属板1的充分混合，使制备得到的复合材料更加均匀。另外，搅拌针5的长度L大于等于楔形槽2的深度与盖板3的厚度的总和，有助于搅拌针5搅拌摩擦加工过程中延伸到楔形槽2的底面，进一步使楔形槽2内的材料充分混合。优选地，搅拌针5的长度大于楔形槽2的深度与盖板3的厚度的总和的0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm，且效果更佳。
进一步的，0.5mm≤d≤1mm。由于盖板3的厚度不能太厚，搅拌针5才可穿过盖板3对楔形槽2进行搅拌摩擦加工。优选地，盖板3的厚度优选为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm，且效果更佳。
进一步的，所述搅拌头4外设有冷却罩6，所述冷却罩6内部开设有绕其周向布置的冷却通道，所述冷却通道的两端分别连接进水管61和出水管62。搅拌头4在搅拌摩擦加工过程中，由于摩擦会产生较大的热量，进而影响搅拌头4的寿命和复合材料的性能，因此，在搅拌头4外设有冷却罩6，冷却液通过冷却罩6的进水管61进入冷却通道，对搅拌头进行冷却，并从出水管62流出。
进一步的，还包括用于对楔形槽2内的填充颗粒进行预混合的球磨机。通过球磨机对填充于楔形槽2内的材料进行预混合，有助于搅拌摩擦加工后使填充颗粒在复合材料中均匀分布。
本发明实施例优选实施例的一种颗粒增强复合材料高通量制备方法，基于上述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，所述方法包括以下步骤：
第一步，在金属板1上开设一个或多个楔形槽2，具体地，所述楔形槽2的底面交错排列，且所述楔形槽2的斜面相对排列，并将金属板1的表面和楔形槽2内壁打磨至预设粗糙度后，清洗金属板1并干燥；
第二步，用球磨机将不同的颗粒混合，并加入有机溶剂使颗粒呈润湿态；具体地，所述不同的颗粒可以是形状、尺寸或种类不同的颗粒，形状、尺寸或种类不同的颗粒制备得到的复合材料，其同一体积分数下的复合材料的性能不同，颗粒的颗粒度为200－500目。
第三步，将润湿态的颗粒混合物填充于所述楔形槽2中；可在不同的楔形槽2中加入不同的颗粒混合物，同时制备多种复合材料。
第四步，在金属板1上盖设盖板3；盖板3可防止搅拌摩擦加工过程中颗粒混合物飞溅出楔形槽2外。
第五步，搅拌摩擦焊接装置的搅拌头4按预设路径对经过上述处理的金属板1进行搅拌摩擦加工，且所述搅拌头4的搅拌摩擦加工路径能覆盖楔形槽2的位置，相同搅拌摩擦加工路径重复加工4－8次，相邻两次搅拌摩擦加工时，搅拌头4旋转方向相反。
具体地，搅拌头4从楔形槽2的斜面21和第一侧面22的夹角开始往第二侧面24的方向加工，加工完一个楔形槽2，从另一个楔形槽2的斜面21和第一侧面22的夹角开始往第二侧面24的方向继续加工，直至所有楔形槽2都加工完毕。相同搅拌摩擦加工路径重复加工4－8次，相邻两次搅拌摩擦加工时，搅拌头4旋转方向相反，可更好地将颗粒混合物与金属板1复合到一起得到颗粒分布均匀的复合材料。
第六步，搅拌摩擦加工完毕后，将金属板1上的盖板3清除。
此外，可以根据复合材料制备的要求，对制备好的复合材料进行轧制、锻造或热处理等方式进行改变。
进一步的，所述金属板1搅拌摩擦加工后获得颗粒的体积分数不同的复合材料，所述体积分数计算方法如下：
截取金属板1中宽度为b的复合材料，截取的复合材料包括楔形槽2；
选取所述复合材料中楔形槽2覆盖的任一位置，并测量所述位置的楔形槽2的宽度a；
复合材料中颗粒的体积分数通过以下公式计算：
复合材料中颗粒的体积分数＝(a/b)×100％；
若楔形槽2内填充多种颗粒，设颗粒α的颗粒数占复合材料的颗粒数的百分数为c％，则颗粒α在复合材料中的体积分数计算公式如下：
颗粒α体积分数＝(a/b)×c％×100％。
同一楔形槽2的不同位置复合材料的体积分数不同，通过切取不同位置的复合材料进行性能检测，可对比不同体积分数的复合材料性能，找到最佳的体积分数的复合材料，应用的实际生产中。
综上，本发明实施例提供一种颗粒增强复合材料高通量制备设备及方法，可通过在金属板上不同楔形槽内填充不同的颗粒混合物，通过搅拌摩擦加工的方式制备复合材料，在一块金属板上可同时获得不同复合材料，实现颗粒增强复合材料的高通量制备，且同一复合材料具有不同体积分数，可同时检测不同体积分数下复合材料的性能。本发明操作简单，生产效率高，成本低。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种颗粒增强复合材料高通量制备设备，其特征在于：包括搅拌摩擦焊接装置以及采用相同材料制成的金属板和盖板，所述金属板上开设有楔形槽，所述楔形槽的横截面形状呈梯度变化，所述盖板密封盖设于所述金属板的顶面；
所述搅拌摩擦焊接装置包括搅拌头，所述搅拌头设有搅拌针。
2.根据权利要求1所述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，其特征在于：所述楔形槽的数量有一个或多个，所述楔形槽的横截面形状为直角三角形。
3.根据权利要求2所述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，其特征在于：所述楔形槽包括底面、斜面、第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和斜面形成的夹角为β，5°≤β≤30°。
4.根据权利要求1或2所述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，其特征在于：所述搅拌针的外周壁开设有锥形螺纹，所述搅拌针的长度为L，所述楔形槽的深度为h，所述盖板的厚度为d，则有，0mm≤L－(h+d)≤1mm。
5.根据权利要求3所述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，其特征在于：0.5mm≤d≤1mm。
6.根据权利要求1或2所述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，其特征在于：所述搅拌头外设有冷却罩，所述冷却罩内部开设有绕其周向布置的冷却通道，所述冷却通道的两端分别连接进水管和出水管。
7.根据权利要求1或2所述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，其特征在于：还包括用于对楔形槽内的填充颗粒进行预混合的球磨机。
8.一种颗粒增强复合材料高通量制备方法，其特征在于：基于权利要求1－7任一项所述的颗粒增强复合材料高通量制备设备，所述方法包括以下步骤：
在金属板上开设一个或多个楔形槽，并将金属板的表面和楔形槽内壁打磨至预设粗糙度后，清洗金属板并干燥；
用球磨机将不同的颗粒混合，并加入有机溶剂使颗粒呈润湿态；
将润湿态的颗粒混合物填充于所述楔形槽中；
在金属板上盖设盖板；
搅拌摩擦焊接装置的搅拌头按预设路径对经过上述处理的金属板进行搅拌摩擦加工，且所述搅拌头的搅拌摩擦加工路径能覆盖楔形槽的位置，相同搅拌摩擦加工路径重复加工4－8次，相邻两次搅拌摩擦加工时，搅拌头旋转方向相反；
搅拌摩擦加工完毕后，将金属板上的盖板清除。
9.根据权利要求8所述的颗粒增强复合材料高通量制备方法，其特征在于：所述金属板搅拌摩擦加工后获得颗粒的体积分数不同的复合材料，所述体积分数计算方法如下：
截取金属板中宽度为b的复合材料，截取的复合材料包括楔形槽；
选取所述复合材料中楔形槽覆盖的任一位置，并测量所述位置的楔形槽的宽度a；
复合材料中颗粒的体积分数通过以下公式计算：
复合材料中颗粒的体积分数＝(a/b)×100％；
若楔形槽内填充多种颗粒，设颗粒α的颗粒数占复合材料的颗粒数的百分数为c％，则颗粒α在复合材料中的体积分数计算公式如下：
颗粒α体积分数＝(a/b)×c％×100％。
10.根据权利要求8所述的颗粒增强复合材料高通量制备方法，其特征在于：所述楔形槽的底面交错排列，且所述楔形槽的斜面相对排列。
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- 2021-01-22 CN CN202110094084.XA patent/CN112935516A/zh active Pending
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