[实用新型]纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制备装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种金属基复合材料制备装置，特别涉及一种纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制备装置。

背景技术

纳米纤维具有特殊的结构和优异的性能，以其作为增强材料，可制备出具有优异综合性能的纳米纤维增强金属基复合材料。然而，纳米纤维在基体中的分布状态将对复合材料的强化行为产生重要影响，当纤维在基体中呈定向分布时，所获得的强化效果远高于三维随机分布，而且对于特殊功能构件，只需要对其进行局部复合材料增强。由此可见，为最大程度地发挥纳米纤维对金属基体的增强作用，充分提高复合材料的可设计性，有必要在制备过程中根据构件的受力特点控制纤维的分布状态。但是由于纳米短纤维之间存在很强的范德华力，极易产生团聚，导致纳米纤维在复合材料中很难均匀分散，而且在目前的金属基复合材料制备方法中较难实现对随机取向的短纤维实施定向和定域增强。

文献“硅酸铝/ZL109复合材料的纤维定向及其磨损特征，李文方，黄岳山，蒙继龙，曾美琴.材料科学与工程，1999，17(2)：14～17”公开了一种纤维定向增强金属基复合材料的制备方法，该方法先利用挤压方法制备纤维定向分布的预制件，然后对预制体进行烧结，最后利用液体浸渗法制成纤维定向增强金属基复合材料块体。但是，该方法制备纤维定向增强金属基复合材料要经过预制体制备、预制体烧结、液体浸渗三种工艺，所使用的预制体制备装置包括凸模1、凹模桶4、成形模6、混合体17、预制体18，先将直径约为3～5μm的纤维按一定的体积分数与添加剂及具有良好流动性能的粘结剂混合，并将混合体17放于凹模桶4中，凸模1下行在常温下挤压，随着混合体17的流动，纤维在其内部转动并趋向于流动方向，形成纤维定向分布的预制体18，随后将预制体18放置于加热炉19中进行烧结。液体浸渗装置主要包括凸模1、凹模桶4，将烧结好的预制体18置于凹模桶4内，在预制体18上浇入金属液20，凸模1下行，在压力下金属液20渗入预制体18，制备得到纤维定向增强的金属基复合材料。

现有技术存在以下不足：难于实现纳米纤维在基体金属中的均匀分布；只能实现增强纤维在基体金属中沿挤压方向定向分布，难于实现按需定向和定域同时增强；而且整个制备过程需分预制体制备、预制体烧结和液体浸渗三种工艺进行，操作步骤多。

发明内容

为了克服现有技术制备纤维定向增强金属基复合材料需分步进行以及无法制备纤维定域增强金属基复合材料的不足，本实用新型提供一种纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制备装置，利用电磁场来实现复合材料的均匀搅拌、纳米纤维预取向以及确定纳米纤维的增强区域，随后通过挤压可一次快速成形纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制件。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案：一种纳米纤维定向和定域增强金属基复合材料制备装置，包括凸模1、凹模桶4和成形模6，其特点是还包括熔炼装置、电磁产生系统，所述熔炼装置包括B电阻加热器12，坩埚13，坩埚13通过安装有阀门15的管道与气压罐16连通，坩埚13周围放置B电阻加热器12；进液管10将熔炼装置的坩埚与凸模1和凹模桶4形成的模腔相连通，线圈5置于挤压模具A电阻加热器3的外侧；所述电磁产生系统包括线圈5和电流源11；线圈5的两端分别与电流源11的两个接线端电连接，电流源11产生的电流通入到线圈5中形成电磁场；所述电流源11由直流电源11-1、脉冲电源11-2、变频控制器11-3、开关K1和开关K2组成，所述脉冲电源11-2的两端连接变频控制器11-3，变频控制器11-3的一端通过开关K1连接到线圈5上，另一端直接连接到线圈5上；直流电源11-1的一端通过开关K2连接到线圈5上，另一端直接连接到线圈5上；通过对开关K1和开关K2的开合调整，实现线圈电源的交直流转换；所述凹模桶4置于下垫板7上，成形模6是一个中间有通孔的圆柱体，置于凹模桶4之内、下垫板7之上，成形模6的外壁和凹模桶4的内壁采用间隙配合；芯轴9置于成形模6的通孔中，芯轴9和成形模6之间形成挤压空腔；垫块2位于凹模桶4之上，其外径大于凹模桶4内径；凸模1置于垫块2之上，其外径和凹模桶4的内径满足间隙配合；冷却装置8置于下垫板7之上、凹模桶4外壁下方，A电阻加热器3位于冷却装置8上方，套在凹模桶4的外壁。