CN111519060A - 一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及复合材料制备领域，主要涉及碳增强铝基复合材料，具体提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法。所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统，所述搅拌系统中包含制备室及搅拌杆，所述搅拌杆上套有可拆卸的压盖，所述压盖上有插向制备室溶液中的挡板，所述压盖与制备室的边缘紧密配合。避免液态搅拌铸造法中由于搅拌重心存在导致的成分偏聚现象，实现碳在铝液内部的均匀分散，提高界面之间的结合。

Description

一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法

技术领域

本公开涉及复合材料制备领域，主要涉及碳增强铝基复合材料，具体提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法。

背景技术

随着经济的发展，人们对金属材料的需求越来越大，其中铝由于价格低廉而被广泛应用，其中，纯铝或铝合金的应用最广。铝合金虽然具有优异的力学性能，同时具有良好的导电性与导热性，但随着应用场景的复杂化，对材料的性能也要求越来越高，单纯的铝合金材料已经很难满足很多特定场景下的应用。现有技术中常常以石墨烯及其他具有石墨结构的材料(如碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等)作为纯铝及铝合金的增强相来进一步提高纯铝或铝合金的综合性能，使铝碳复合材料可以应用到更广泛的领域中。

目前铝碳复合材料的制备存在一些技术难题，一是石墨烯及其他具有石墨结构的材料(如碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等)容易在铝基体中发生团聚：如石墨烯与碳纳米管作为纳米材料其本身分散性较差，在铝基体中，极易产生团聚问题。二是界面化合物Al4C3的形成：铝碳复合材料的界面反应难以控制，容易形成Al4C3脆性化合物，破坏复合材料的力学等性能。三是碳材料与铝基体的润湿性差，不易形成较强的界面结合。

铝碳复合材料的制备方法主要分为以粉末冶金为代表的固态法和以搅拌铸造为代表的液态法。固态法的优点是通过球磨可以实现碳材料在铝基体中更好的分散性且界面结合好，成分易调控，可以实现碳材料含量的精确控制。而固态法的缺点在于工艺复杂、制备成本高、制备效率低、复合材料的尺寸受限大，因此以目前的技术水平难以工业化生产。

对于液态搅拌铸造法来说，其工艺流程简单、制备成本低、生产效率高、材料的尺寸不受限制，可以制备大型零件并实现工业化生产。但发明人发现，由于搅拌过程中液体重心偏移，极易发生成分偏聚现象，对复合材料的性能影响很大。且由于碳材料密度小于铝基体且纳米碳材料极易团聚，因此想要直接加入铝液内部并且均匀的分散实现起来非常困难，并且还存在界面结合不好的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置及方法，避免液态搅拌铸造法中由于搅拌重心存在导致的成分偏聚现象，实现碳在铝液内部的均匀分散，提高界面之间的结合。

本发明第一方面，提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置，所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统，所述搅拌系统中包含制备室及搅拌杆，所述搅拌杆上套有可拆卸的压盖，所述压盖上有插向制备室溶液中的挡板，所述压盖与制备室的边缘紧密配合。

优选的，挡板片数为2-6片。

优选的，所述搅拌系统包括升降台，所述升降台位于搅拌杆上方，搅拌杆下方末端包括可拆卸的搅拌头，升降台由升降系统控制升降。

优选的，所述升降系统包括升降杆，升降杆上安装有定滑轮，定滑轮一端连接升降块，另一端连接配重块，所述升降块套在升降杆上，升降块与升降台通过连杆相连。

优选的，所述制备碳增强铝基复合材料的装置还包括外置手持加粉装置。

优选的，所述制备室外套有加热保温装置。

本发明第二方面，提供一种制备碳增强铝基复合材料的方法，包括如下步骤：

1)将纯铝或铝合金在中频感应炉中进行熔炼并对金属液进行除渣除气；

2)将待添加的石墨结构的材料用铝箔包裹好，或将石墨结构的材料与铝粉混合或其它形式掺杂压块，制成添加相，将所述添加相置于手持加粉装置末端或螺杆输送器上；

3)将步骤1)中熔炼、除渣除气后的金属液移入权利要求1-5任一项所述的制备碳增强铝基复合材料的装置的制备室中，保温一段时间后将搅拌头降入靠近金属液底部，调节好高度后将搅拌杆固定，调节转速至金属液中心出现漩涡；

4)将步骤2)中的添加相插入漩涡中，添加相将被搅入金属液中，将压盖放入制备器中，并使压盖紧贴铝液表面，调整转速，搅拌；

5)搅拌结束后，关闭搅拌装置，取出压盖并将搅拌杆升起，对金属液表面进行扒渣，取出制备室并将金属液浇注至特定的模具中，冷却，即得到碳增强铝基复合材料。

优选的，步骤1)中，熔炼时间为5-30min。

优选的，步骤3)中，保温10～30min，保温温度为金属液相线20～100℃。

优选的，步骤4)中，转速为1000rpm/min～2800rpm/min，搅拌2～10min。

优选的，通过升降台控制搅拌头的升降及固定。

有益效果：

1)压盖部分有2-6片插入铝液中的挡板，挡板的存在可以防止在搅拌过程中铝液中心形成漩涡后铝液整体转动，因此挡板的存在可以大大增加搅拌头与铝液之间的剪切力，提高铝液与具有石墨结构的材料(如石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等)之间的剪切力，从而在这种剪切力的作用下将团聚的在一起的增强体颗粒打开并随铝液的流动均匀的分散到铝基体中，实现碳材料在铝液中的均匀分布，使增强体与铝基体界面结合较好，提高复合材料性能。

2)压盖与制备室的边缘配合紧密，在搅拌过程中贴在铝液的表面，防止搅拌过程中铝液剧烈的上翻，提高搅拌过程中的安全性，减少铝液与空气的接触，减少铝液在搅拌过程中的氧化。

3)搅拌头通过螺母固定于搅拌杆的末端，可以随时对搅拌头进行更换，相比于搅拌头于搅拌杆一体化的设计，减少了生产过程中搅拌头磨损后的成本，并可以调节搅拌叶片的片数及更换其他类型的搅拌叶片。

4)本设备的结构简单，易于实现，制作成本低。

附图说明

图1为实施例1所述制备碳增强铝基复合材料的装置图。

其中：1.升降块；2.配重块；3.定滑轮；4.搅拌杆；5.压盖；6.制备室；7.加热保温装置；8.搅拌头；9.挡板；10.电机；11.转速输入模块；12.升降杆；13.升降台。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本公开所述的“成分偏聚”是指固溶体内溶质原子富集的小区域(偏聚区)的形成过程。

本公开所述的“石墨结构的材料”是指石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等具有石墨环状结构的材料。

本公开所述的制备室为能够进行搅拌的常规容器。

本公开所述的转速输入模块为可以输入转速的转速控制器。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种制备碳增强铝基复合材料的装置，所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统。

所述转速控制系统包括转速输入模块11和与其相连的电机10。

所述搅拌系统包括制备室6，制备室6外部套有加热保温装置7，便于加热结束后立即开始搅拌，在搅拌过程中保持温度防止金属液降温。

制备室6内有搅拌杆4，搅拌杆4下方末端有可拆卸的搅拌头8，所述搅拌头8由2～4片均匀分布的叶片组成，优选为4片，叶片长度为制备室7内径的0.5～0.9，优选为0.6。叶片平面与水平面夹角为0～20°，搅拌头8也可以为其他形式的搅拌叶片，如立体式。所述搅拌头4由于搅拌金属液，在实际生产中易发生损坏，设置为可拆卸搅拌头便于拆卸，也便于根据实际制备室的大小进行更换。

所述搅拌杆上方有升降台13，电机10置于升降台13上，电机10可随升降台13上下移动，所述搅拌杆4上套有可拆卸的压盖5，所述压盖5上有插向制备室6溶液中的挡板9，所述挡板9为2-6片，长短及位置根据液体体积大小确定，挡板9位置可以在搅拌头外侧、上侧、下侧，或将外侧、上侧和下侧任意组合设置。例如当搅拌头直径较小，搅拌头边缘离制备室坩埚壁还有一段距离的时候将挡板延长即可实现在外侧或下侧所述压盖5与制备室6的边缘紧密接触。挡板9的存在可以防止在搅拌过程中金属液中心形成漩涡后金属液整体转动，因此挡板9的存在可以大大增加搅拌头8与金属液之间的剪切力，提高铝液与具有石墨结构的材料(如碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等)之间的剪切力，从而在这种剪切力的作用下将团聚的在一起的增强体颗粒打开并随铝液的流动均匀的分散到铝基体中，实现碳材料在铝液中的均匀分布。

所述升降系统包括升降杆12，升降杆12上安装有定滑轮3，定滑轮3一端连接升降块1，另一端连接配重块2，所述升降块1套在升降杆12上，升降块12与升降台13通过连杆相连。操作过程中，拉动配重块，通过定滑轮控制升降块的上下，进而控制升降台13上下运动，控制搅拌杆及搅拌头在金属液中的高低。

所述制备碳增强铝基复合材料的装置还包括加粉装置(图中未示出)，所述加粉装置为外置手持式。

实施例2

本实施例提供一种制备碳增强铝基复合材料的方法，该方法的实施步骤如下：

1)将纯铝或铝合金(包括锻造铝合金、铸造铝合金等)在中频感应炉中进行熔炼并对金属液进行除渣除气，熔炼时间为5-30min。

2)将待添加的具有石墨结构的材料(如石墨烯、碳纳米管、碳纤维、石墨颗粒等)用铝箔包裹好，或直接添加石墨材料与铝粉混合压块、或其它形式的石墨材料与铝掺混形成的块体作为添加相，将添加相置于手持加粉装置末端，或利用螺杆输送器输送添加相。

因为石墨烯为纳米颗粒，且密度小于铝液，如直接添加粉末则会一直漂浮在铝液表面且产生烧损，利用铝箔或者压块可以添加到铝液内部熔化，因此，添加铝箔优于压块。

3)将步骤1)中熔炼好的金属液移入前述装置中的制备室6中，保温10～30min，保温温度为金属液相线20～100℃，保温结束后调节升降台13将搅拌头4降入靠近铝液底部，调节好高度后固定升降台13，调节转速至铝液中心出现漩涡。

4)将步骤2)中的装有添加相的加粉装置插入漩涡中插入漩涡中，添加相将被搅入铝液中。将压盖放入制备器中，并使压盖紧贴铝液表面，将转速调至高速1000rpm/min～2800rpm/min，搅拌2～10min。

5)搅拌结束后，关闭搅拌装置，取出压盖并将升降台13升起，将金属液表面进行扒渣，提出制备器将金属液浇注至特定的模具中，冷却凝固，从模具中取出，即得到碳增强铝基复合材料。

实验例1

本实验例与对比例1步骤相同，区别在于所使用仪器中不含挡板9。

对实施例1及对比例1得到的产品进行性能测定，发现实施例1相对于实验例1抗拉强度提高27％，硬度提高了25％，并且材料的延伸率和电导率未出现明显下降。通过对比对照组，可以得知本申请挡板的设计打破了搅拌重心，避免了成分偏聚。分析后发现，这是因为石墨烯作为一种新型的具有优异的力学性能和物理性能的二维碳材料，这使得石墨烯加入到铝基体中作为一种增强相，当石墨烯均匀分散在铝基体中时，材料的综合性能便得到提升，因此可以证明本发明可以成功的将石墨烯以液态搅拌铸造的方式加入到铝基体中并均匀分散。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述装置包括依次相连的转速控制系统、搅拌系统和升降系统，所述搅拌系统中包含制备室及搅拌杆，所述搅拌杆上套有可拆卸的压盖，所述压盖上有插向制备室溶液中的挡板，所述压盖与制备室的边缘紧密接触。

2.如权利要求1所述的制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述搅拌系统包括升降台，所述升降台位于搅拌杆上方，搅拌杆下方末端包括可拆卸的搅拌头，升降台由升降系统控制升降。

3.如权利要求2所述的制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述升降系统包括升降杆，升降杆上安装有定滑轮，定滑轮一端连接升降块，另一端连接配重块，所述升降块套在升降杆上，升降块与升降台通过连杆相连。

4.如权利要求1所述的制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述制备碳增强铝基复合材料的装置还包括外置手持加粉装置。

5.如权利要求1所述的制备碳增强铝基复合材料的装置，其特征在于，所述制备室外套有加热保温装置。

6.一种制备碳增强铝基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将纯铝或铝合金在中频感应炉中进行熔炼并对金属液进行除渣除气；

2)将待添加的石墨结构的材料用铝箔包裹好，或将石墨结构的材料与铝粉混合或其它形式掺杂压块，制成添加相，将所述添加相置于手持加粉装置末端或螺杆输送器上；

3)将步骤1)中熔炼、除渣除气后的金属液移入权利要求1-5任一项所述的制备碳增强铝基复合材料的装置的制备室中，保温一段时间后将搅拌头降入靠近金属液底部，调节好高度后将搅拌杆固定，调节转速至金属液中心出现漩涡；

4)将步骤2)中的添加相插入漩涡中，添加相将被搅入金属液中，将压盖放入制备器中，并使压盖紧贴铝液表面，调整转速，搅拌；

5)搅拌结束后，关闭搅拌装置，取出压盖并将搅拌杆升起，对金属液表面进行扒渣，取出制备室并将金属液浇注至特定的模具中，冷却，即得到碳增强铝基复合材料。

7.如权利要求6所述的制备碳增强铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤1)中，熔炼时间为5-30min。

8.如权利要求6所述的制备碳增强铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤3)中，保温10～30min，保温温度为金属液相线20～100℃。

9.如权利要求6所述的制备碳增强铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤4)中，转速为1000rpm/min～2800rpm/min，搅拌2～10min。

10.如权利要求6所述的制备碳增强铝基复合材料的方法，其特征在于，通过升降台控制搅拌头的升降及固定。

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