CN117183452A - 复合材料制造设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合材料制造设备，包含：原料缸、油压活塞以及旋转模具，原料缸具有原料室及位于原料室相对二侧的入料口及出料口，原料室可装填基材及强化相材料；油压活塞设置于原料缸的入料口侧，用以推挤基材及强化相材料朝出料口移动；旋转模具设置于原料缸的出料口侧，包含外模及位于外模内的旋转流道，外模可旋转摩擦基材而塑化基材，旋转流道可分散及混合经塑化的基材与强化相材料形成复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造设备，尤其涉及复合材料的制造设备。
背景技术
随着科技发展与环保意识的提升，电工、电子、化工、交通、机械等产业领域所需材料的导电、导热、机械强度、耐候、制造成本等性质的要求也越来越高。以导电材料为例，铜的导电度高于铝，但铜的机械强度及高温抗变形能力较差；再以航空器机壳材料为例，铝具有低密度、高强度及高延展性，但铝的抗腐蚀性、抗冲击能力较差；因此，现有技术通过合金、添加剂、热处理等方法来制造所需特性的复合材料。
复合材料是指连续相基材(例如：金属、合金、高分子)与强化相材料(例如：纳米碳管、石墨烯、纳米无机材料)混合炼制而成，其兼具连续相基材与强化相材料的优点。以金属基复合材料为例，工业上常使用粉末冶金、压铸等制造方法，粉末冶金主要是使用机械混拌金属粉末及粉体强化相材料，再以无压烧结、真空热压烧结、高压扭转、热挤压、热轧等方式处理混合材料形成金属基复合材料。
图1示出现有复合材料制造设备的示意图。如图1所示，现有复合材料制造设备1制造金属基复合材料包含下列步骤：粉状的金属基材M与强化相材料S分别装填于二料桶11,12，以抽取机13将金属基材M与强化相材料S送入加热装置14，在加热装置14内加热及搅拌金属基材M与强化相材料S形成混合材料的浆体P，以喷嘴15将浆体P喷入压铸模具16，形成金属基复合材料C。
然而纳米尺寸的强化相材料与连续相基材的表面性质不同，以致强化相纳米材料难以均匀分散在基材，导致其复合材料无法达到预期的特性。特别是受到极高的关注与研究的石墨烯。由于石墨烯的二维晶体在热力学性质上的不稳定性，不管是在自由态存在或沉积在基材，石墨烯都不是完全平整，其表面存在微观三维尺度的皱褶，此皱褶会经由凡得瓦力(Van der waals force)导致石墨烯团聚，而石墨烯与金属、合金、树脂等基材之间的湿润性差，石墨烯更难以在基材中均匀分散。现有复合材料制造设备无法有效解决强化相纳米材料在基材中团聚的问题。
发明内容
为解决现有技术的种种问题，本发明提供一种复合材料制造设备，包含原料缸、油压活塞以及旋转模具，原料缸具有原料室及位于原料室相对二侧的入料口及出料口，原料室可装填基材及强化相材料，其中基材为柱状，强化相材料为粉状；油压活塞设置于原料缸的入料口侧，用以推挤基材及强化相材料朝出料口移动；旋转模具设置于原料缸的出料口侧，包含外模及位于外模内的旋转流道，外模可旋转摩擦基材而塑化基材，旋转流道可分散及混合经塑化的基材与强化相材料形成复合材料。
于一实施例，上述基材为金属、合金或高分子，强化相材料为石墨烯片。
于一实施例，上述外模具有摩擦部、隔热部及成形部，隔热部夹置于摩擦部与成形部之间，上述旋转流道通过摩擦部、隔热部及成形部，上述旋转流道的入口位于摩擦部，上述旋转流道的出口位于成形部，摩擦部可旋转摩擦上述基材，隔热部可阻隔摩擦部旋转摩擦上述基材所产生的热，成形部可冷却上述复合材料。
于一实施例，上述摩擦部的表面形成螺旋导沟，螺旋导沟连通上述旋转流道。
于一实施例，上述旋转模具进一步包含设置于上述外模内的内模，上述旋转流道位于上述外模与内模之间。
于一实施例，上述外模的内表面具有内凸耳，上述内模的外表面具有外凸耳，内凸耳及外凸耳交错设置，当上述外模相对上述内模旋转时，内凸耳及外凸耳产生剪切力分散及混合经塑化的上述基材与上述强化相材料。
于一实施例，上述外模及上述内模为锥形体，上述旋转流道与水平方向成15-30°的夹角。
于一实施例，上述内模接触上述基材的一侧为锥状面，锥状面上形成螺旋导沟。
于本发明的复合材料制造设备，原料缸的原料室可装填柱状的基材及粉状的强化相材料，油压活塞可推挤基材及强化相材料朝出料口移动，旋转模具的外模可旋转摩擦基材使基材塑化，旋转模具的旋转流道分散及混合经塑化的基材与强化相材料形成复合材料，制造过程不需加热，强化相材料在基材中均匀分散，所得的复合材料不会相分离，可供各产业后续加工应用。
附图说明
图1为现有复合材料制造设备的示意图；
图2A为本发明第一实施例的复合材料制造设备的侧剖示意图，图2B为图2A所示外模的径向外观示意图；
图3A为应用本发明第二实施例的复合材料制造设备的侧剖示意图，图3B为图3A所示油压活塞的侧剖示意图，图3C为图3A所示原料缸的侧剖示意图，图3D为图3A所示旋转模具的侧剖示意图，图3E为图3A所示冷却模具的侧剖示意图，图3F为图3A所示成型模具的侧视示意图，图3G为图3A中II’段剖视示意图，图3H为图3C所示第一内模的径向及轴向外观示意图；以及
图4A为本发明的一实施例的石墨烯金属铜复合材料的截面的光学显微镜图，图4B为本发明的一实施例的石墨烯金属铜复合材料的截面的电子显微镜图。
具体实施方式
以下配合附图及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，俾使熟习本发明所属技术领域中的技术人员在研读本说明书后可据以实施本发明。本文所用术语仅用于阐述特定实施例，而并非旨在限制本发明。除非上下文中清楚地另外指明，否则本文的用语包含单数及复数形式，用语“和/或”包含相关所列项其中一或多者的任意及所有组合。
固体材料在外力摩擦下，表面会生成尺寸小于20微米的颗粒，持续施力摩擦使固体材料的温度上升至塑化的临界温度Tc(介于固态材料的熔点Tm至熔点Tm的70％，Tc＝0.7-0.9Tm)，对塑化的固态材料重复降温及摩擦升温，同时施加变化的剪切力，可使塑化材料产生触变性(Thixotropy)。触变性是指物体受到剪切时粘稠度变小(或变大)，停止剪切时粘稠度变大(或变小)的现象，亦即物体的结构可逆变化且具有超塑性(伸长率特别高且不会断裂)。产生触变性的材料外观上呈糊状浆体(固相体积比最高达80％)，内部包含彼此不连结的细小晶体颗粒，持续搅拌触变性浆体，可防止细小晶体颗粒接触形成大晶体颗粒，此时若以特定方法将其他适当大小的强化相材料与触变性浆体混合，可达到均匀分散材料的效果。以金属材料为例，在无惰性气体的保护下，塑化温度低于700℃可制造铅、锡、锌、铝或铝合金的复合材料；在有惰性气体的保护下，塑化温度低于1100℃可制造铜或铜合金的复合材料。本发明利用固体基材的可塑性及触变性制造基材与强化相材料均匀混合的复合材料。
图2A为本发明第一实施例的复合材料制造设备的侧剖示意图，图2B为图2A所示外模的径向外观示意图。如图2A及图2B所示，复合材料制造设备2包含支撑架20、油压活塞21、原料缸22、旋转模具23及动力单元24，油压活塞21包含油压缸211及活塞212，原料缸22包含原料缸体221、原料室222及原料室222相对二侧的入料口223及出料口224，旋转模具23包含外模231及位于外模231内的旋转流道232，动力单元24包含马达齿轮箱241及滚珠轴承242。原料室222可装填基材B及强化相材料S，油压活塞21设置于原料缸22的入料口223侧，旋转模具23设置于原料缸22的出料口224侧。活塞212推挤基材B及强化相材料S朝出料口224移动，动力单元24驱动旋转模具23，外模231旋转摩擦基材B而塑化基材B，旋转流道232可分散及混合经塑化的基材B与强化相材S料形成复合材料。
基材B为金属、合金或高分子，其中金属可选自铅、锡、锌、铝及铜的至少一者，合金例如但不限于铝合金、铜合金，高分子例如但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、丙烯酸共聚物(Acrylic copolymers)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚醚醚酮(PEEK)、尼龙(Nylon)等。强化相材料为纳米碳管、石墨烯或纳米陶瓷。
在本实施例，旋转模具23的外模231包含摩擦部2311、隔热部2312及成形部2313，隔热部2312夹置于摩擦部2311与成形部2313之间，旋转模具23的旋转流道232通过摩擦部2311、隔热部2312及成形部2313，旋转流道232的入口位于摩擦部2311，旋转流道232的出口位于成形部2313，摩擦部2311的表面形成多条螺旋导沟2314，螺旋导沟2314连通旋转流道232。
使用复合材料制造设备2制造复合材料的流程包含下列步骤：柱状的基材B的轴向按照预定的强化相材料S重量比挖孔，孔内填入强化相材料S；将基材B与强化相材料S置入原料室222；动力单元24带动旋转模具23以高扭力逆时钟旋转，摩擦部2311摩擦基材B的表面，使基材B的温度上升至塑化临界温度Tc形成触变性的塑化基材；活塞212以固定行程推挤塑化基材B及强化相基材S，塑化基材B与强化相材料S分别通过摩擦部2311表面的多条螺旋导沟2314混合进入旋转流道232形成基材与强化相基材的浆体P，油压活塞21推挤浆体P逆重力向上移动，同时旋转流道232的内壁面对浆体P施加旋转方向的剪切力，使浆体P在扭转向上移动的过程，强化相基材逐渐在基材内形成螺旋排列，隔热部2312可有效阻隔摩擦部2311的高温传导至成形部2312，浆体P通过成形部2313逐渐降温形成复合材料，油压活塞21将复合材料推挤出旋转流道232，即可获得柱状的复合材料。
图3A为应用本发明第二实施例的复合材料制造设备的侧剖示意图，图3B为图3A所示油压活塞的侧剖示意图，图3C为图3A所示原料缸的侧剖示意图，图3D为图3A所示旋转模具的侧剖示意图，图3E为图3A所示冷却模具的侧剖示意图，图3F为图3A所示成型模具的侧视示意图，图3G为图3A中II’段剖视示意图，图3H为图3C所示第一内模的径向及轴向外观示意图。如图3A所示，
如图3A及图3B所示，复合材料制造设备3包含控制单元30、油压活塞31、原料缸32、旋转模具33、冷却模具34及成型模具35，控制单元30连接油压活塞31、原料缸32、旋转模具33、冷却模具34及成型模具35，油压活塞31、原料缸32、旋转模具33、冷却模具34及成型模具35水平设置并以螺栓固定于可移动的承载台300上，油压活塞31设置于原料缸32的入料口侧，旋转模具33设置于原料缸32的出料口侧。控制单元30可输入及调整设备运作的参数(例如：活塞的推挤压力、旋转模具的转速)，油压活塞31包含油压缸311及活塞312，油压缸311可驱动活塞312推挤原料缸32内的原料朝旋转模具33移动。
如图3A及图3C所示，复合材料制造设备3的原料缸32包含原料缸体321及原料室322，原料缸体321与活塞为圆柱体，原料室322的内径尺寸对应活塞312的外径尺寸，原料缸体321选用如钨、锰、钼等金属合金或碳化钨等陶瓷合金的高熔点高强度材料制成，可承受活塞312推挤而不变形，原料缸体321与旋转模具33相接的一侧形成有4个内缩的螺孔3211，原料室322可容置柱状的基材B及粉状的强化相材料S。
如图3A及图3D所示，复合材料制造设备3的旋转模具33包含第一外模331、第一内模332、变速齿轮333、耦合齿轮组334及变频马达335，第一外模331设置于滚动轴承330上且可180°对开合组装与清理，第一内模332设置于第一外模331内，第一内模332的二侧分别连接原料缸32及冷却模具34，变速齿轮333分别啮合第一外模331的棘齿(未图示)与耦合齿轮组334，变速齿轮333、耦合齿轮组334及变频马达335分别通过螺栓固定于承载台300上，变频马达335连接耦合齿轮组334，变频马达335通过耦合齿轮组334及变速齿轮333带动第一外模331旋转。
第一外模331的厚度自原料缸32的一侧至冷却模具34的一侧(轴向)呈漏斗状逐渐增加，第一外模331的径向二侧分别形成开口尺寸较宽的入料口及开口尺寸较小的出料口，第一外模331的入料口的侧壁与原料缸体321齐平，第一外模331的出料口的侧壁上形成圆形沟，圆形沟内设置转轴3311，第一外模331前中段(自入料口至中间的范围)的内表面具有内凸耳3312，第一外模331可沿轴向180°开启闭合便于组装与清理，第一内模332朝向原料缸32的一侧形成凸出第一外模331入料口的锥形面3321，锥形面3321的周缘具有4个凸条3322，凸条3322上有供螺栓穿过的通孔，第一内模332朝向冷却模具34一侧的垂直面与第一外模331出料口齐平，垂直面上形成凹槽3323，第一内模332前中段(自锥形面至中间的范围)的内表面具有外凸耳3324；将第一内模332的4个凸条3322对位嵌入原料缸体321的4个螺孔3211，以螺栓锁固第一内模332与原料缸体321，第一内模332的凹槽3323与冷却模具34连接，使第一内模332的二侧分别固定于原料缸32及冷却模具34，再将第一外模331的入料口的侧壁贴合原料缸体321的侧壁，闭合第一外模331，使第一外模331与第一内模332相隔不大于5厘米的间距且第一外模331的内凸耳3312与第一内模332的外凸耳3324交错排列，即可在第一外模331与第一内模332之间形成与水平方向成15-30°的斜角延伸的旋转流道336。第一外模331及第一内模332选用如钨、锰、钼等金属合金或碳化钨等陶瓷合金的高熔点高强度材料制成，可承受摩擦基材时产生的高温及应力而不变形。
如图3A及图3E所示，复合材料制造设备3的冷却模具34包含第二外模341及第二内模342，第二外模341的厚度自连接旋转模具33的一侧至连接成型模具35的一侧(轴向)逐渐增加，第二外模341的径向二侧分别形成开口尺寸较宽的入料口及开口尺寸较小的出料口，第二外模341入料口的开口尺寸与第一外模331出料口的开口尺寸相同，第二外模341的入料口的侧壁形成圆形沟，圆形沟容置转轴3311，第二外模342的出料口的侧壁上形成凸块3411，凸块3411可连接成型模具35；第二内模342朝向旋转模具33的侧面形成凸块3421，凸块3421可连接第一内模332的凹槽3323；第二外模341与第二内模342的相对二侧具有对应的4个螺孔3412及凸条3422，以螺栓锁固第二外模341与第二内模342，第二外模341内表面与第二内模342的外表面相隔约3厘米的间隙形成与水平方向成15-30°的斜角延伸的降温流道343，以第二外模341的入料口对位贴合第一外模331的出料口，即可连通旋转流道336与降温流道343。凸条3422露出降温流道343的部分加工成圆形，可避免浆体堆积而阻碍其通过降温流道343。
如图3A及图3F所示，复合材料制造设备3的成型模具35包含成品缸体351及其内的成品室352，成品缸体351选用高熔点高强度材料制成，成品缸体351的轴向可开启闭合，成品缸体351朝向冷却模具34的侧壁上形成凹槽3511，凹槽3511可连接第二外模341的凸块3411，成品室352的内径尺寸与第二外模341出料口的开口尺寸相同。
于本实施例，基材B可制成单一或复数柱体(圆柱体、角柱体)，基材B的外径及体积小于原料室322的内径及体积，将基材B置入原料室322，再将强化相材料S填满原料室322(即填入基材B与原料缸体321之间的空隙)而覆盖基材B；或制作与原料室322内径相同的基材B，以钻孔工具沿基材B的轴向形成一或多个相同孔径的填料孔，在填料孔内填充强化相材料S；通过柱状的基材B作为原料，容易控制及调整复合材料中基材B与强化相材料S的相对重量比。
图3G为图3A中II’段剖视示意图，如图3A、图3D及图3G所示，基材S朝向旋转模具33的一侧形成配合第一内模332的锥形面3321与凸条3322形状的凹槽，将第一内模332的凸条3322锁入原料缸体321的内缩螺孔3211同时使第一内模332的锥形面3321嵌入基材B的凹槽内，基材B的凹槽周围露出第一内模332的部分与原料缸体321的侧壁垂直面齐平，第一外模331入料口的侧壁厚度大于原料缸体321的侧壁厚度，从而第一外模331入料口的侧壁超出原料缸体321侧壁的部分形成摩擦部3313(如图3D及图3G虚线所示位置)，摩擦部3313可贴合基材B的露出部分与强化相材料S。启动变频马达335带动第一外模331旋转，第一外模331的侧壁的摩擦部3313旋转摩擦基材B的露出部分产生的高热使基材B塑化，活塞312推挤塑化基材B与强化相材S料进入旋转流道336。
图3H为图3D所示第一内模的锥形面的径向及轴向外观示意图。如图3A、图3D及图3H所示，第一内模332的锥形面3321紧贴基材S凹槽表面，锥形面3321上形成多道螺旋导沟3325，螺旋导沟3325的深度不大于5mm。于第一外模331环绕第一内模332旋转摩擦基材B形成塑化基材，活塞312推挤塑化基材与强化相材料S沿螺旋导沟3325进入旋转流道336；于旋转流道336内，第一外模331的内凸耳3312与第一内模332的外凸耳3324的高度约1至3厘米，内凸耳3312与外凸耳3324相对旋转交错产生剪切力，不断摩擦及搅拌塑化基材与强化相材料使塑化基材的析晶及共晶逐渐微细化而产生具有触变性的浆体，浆体中塑化基材的微细化晶粒彼此不相连接，强化相材料得以分散在塑化基材的晶粒之间且不发生团聚，活塞312的推挤压力与旋转流道336的剪切力使强化相材料与塑化基材的晶粒以螺旋方式排列通过旋转流道336，浆体通过降温流道343逐渐冷却成半固态复合材料，螺旋排列且相连的强化相材料逐渐固着于基材的晶粒表面，活塞312的推挤压力进一步将半固态复合材料挤至成型模具35固化形成柱状复合材料，复合材料的强化相材料与基材之间不会发生相分离，从而使复合材料具有强化项材料的优异特性。
如上所述，石墨烯是最难均匀分散在基材的强化相材料，以下将以石墨烯片的实施例具体说明本发明的复合材料制造设备，使得熟知习用技术的人士者能更加清楚了解本发明的复合材料制造设备的技术及功效。
实施例1：石墨烯与金属铜复合材料
使用上述复合材料制造设备2，强化相材料选用石墨烯片(安炬科技股份有限公司生产的多层石墨烯粉体P-ML20，碳含量＞99％，比表面积45m2/g，平均厚度约3nm，平均片径约8mm)0.5wt％，基材选用电解铜(铜纯度＞99.5％，制成9cm直径的金属铜柱)99.5wt％。旋转模具以200rpm摩擦铜棒至750℃，油压活塞以50千牛顿(kN)施力每分钟行进10mm，获得石墨烯金属铜复合材料。图4A为本实施例的石墨烯金属铜复合材料的截面的光学显微镜图，图4B为本实施例的石墨烯金属铜复合材料的截面的电子显微镜图。如图4A所示，石墨烯金属铜复合材料包含金属铜柱及石墨烯片G，于金属铜柱的径向截面可明确看到，石墨烯片形成复数不同半径的圆形图案，且如图4B所示，石墨烯片G与金属铜之间无相分离现象。值得说明的是，自金属铜柱的轴向截面可观察到沿柱状轴向螺旋排列的多股石墨烯片连线(未图示)，均匀分布的石墨烯连线可产生石墨烯固有的优异性质，使石墨烯金属铜复合材料具有高于金属铜的导电性、导热性及机械强度，可供后续进行锻造、延压等制程加工成所需产品(例如：散热片、线材等)。本实施例的金属铜与石墨烯金属铜复合材料的硬度及导电性实测结果如下表1。
表1
实施例2：石墨烯与铝合金复合材料
使用上述复合材料制造设备3，强化相材料选用石墨烯片(安炬科技股份有限公司生产的多层石墨烯粉体P-ML20，碳含量＞99％，比表面积45m2/g，平均厚度约3nm，平均片径约8mm)0.5wt％，基材选用铝合金(ASTM 6061，制成9cm直径的铝合金棒)99.5wt％。旋转模具以250rpm摩擦铝合金棒至550℃，油压活塞以45千牛顿(kN)施力每分钟行进15mm，获得石墨烯铝合金复合材料。均匀分布的石墨烯片可产生石墨烯固有的优异性质，使石墨烯铝合金复合材料具有高于铝合金的导电性、导热性及机械强度，可供后续进行加工制成所需产品(例如：电子装置及航空器的机壳等)。本实施例的铝合金原料及石墨烯铝合金复合材料的硬度及导热率实测结果如下表2。
表2
综上所述，本发明的复合材料制造设备，原料缸的原料室可装填柱状的基材及粉状的强化相材料，油压活塞可推挤基材及强化相材料朝出料口移动，旋转模具的外模可旋转摩擦基材使基材塑化，旋转模具的旋转流道分散及混合经塑化的基材与强化相材料形成复合材料，制造过程不需加热，强化相材料在基材中均匀分散，所得的复合材料不会相分离，可供各产业后续加工应用。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，举凡本领域技术人员，在未脱离本发明所揭示的精神与技术原理下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种复合材料制造设备，包含：
原料缸，具有原料室及位于所述原料室相对二侧的入料口及出料口，所述原料室可装填基材及强化相材料，其中所述基材为柱状，所述强化相材料为粉状；
油压活塞，设置于所述原料缸的所述入料口侧，用以推挤所述基材及所述强化相材料朝所述出料口移动；以及
旋转模具，设置于所述原料缸的所述出料口侧，包含外模及位于所述外模内的旋转流道，所述外模可旋转摩擦所述基材而塑化所述基材，所述旋转流道可分散及混合经塑化的所述基材与所述强化相材料形成复合材料。
2.根据权利要求1所述复合材料制造设备，其中所述基材为金属、合金或高分子，所述强化相材料为石墨烯。
3.根据权利要求1所述复合材料制造设备，其中所述外模具有摩擦部、隔热部及成形部，所述隔热部夹置于所述摩擦部与所述成形部之间，所述旋转流道通过所述摩擦部、所述隔热部及所述成形部，所述旋转流道的入口位于所述摩擦部，所述旋转流道的出口位于所述成形部，所述摩擦部可旋转摩擦所述基材，所述隔热部可阻隔所述摩擦部旋转摩擦所述基材所产生的热，所述成形部可冷却所述复合材料。
4.根据权利要求3所述复合材料制造设备，其中所述摩擦部的表面形成螺旋导沟，所述螺旋导沟连通所述旋转流道。
5.根据权利要求1所述复合材料制造设备，其中所述旋转模具进一步包含设置于所述外模内的内模，所述旋转流道位于所述外模与所述内模之间。
6.根据权利要求5所述复合材料制造设备，其中所述外模的内表面具有内凸耳，所述内模的外表面具有外凸耳，所述内凸耳及所述外凸耳交错设置，当所述外模相对所述内模旋转时，所述内凸耳及所述外凸耳产生剪切力分散及混合经塑化的所述基材与所述强化相材料。
7.根据权利要求5所述复合材料制造设备，其中所述外模及所述内模为锥形体，所述旋转流道与水平方向成15-30°的夹角。
8.根据权利要求5所述复合材料制造设备，其中所述内模接触所述基材的一侧为锥状面，所述锥状面上形成螺旋导沟。
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