CN115245773B - 一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种高质量碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，具体涉及材料制备装置的技术领域。包括电阻加热炉、驱动电机、气罐、加料罐和真空泵，电阻加热炉内设有第一超声发生器，电阻加热炉上穿设有转动轴，转动轴内设有第二超声发生器，转动轴设有第一套筒和第二套筒，第一套筒分布有搅拌杆，第二套筒设有波纹管，波纹管上连通储气箱，储气箱上设有喷嘴和打气筒，喷嘴上安装有压力阀，驱动电机上设有凸轮，驱动杆与转动轴之间连接有皮带，气罐与转动轴之间连通有进气管。采用本发明技术方案解决了现有的搅拌铸造法无法解决纳米陶瓷颗粒均匀分散在铝基体的问题，可用于获得高质量的碳纳米管增强铝基复合材料。

Description

一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置

技术领域

本发明涉及材料制备装置的技术领域，特别涉及一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置。

背景技术

为了满足宇航、航空、先进动力、电力系统等高技术领域对材料提出的更严苛的要求，多功能复合材料及其部件的研究和制备显得愈加重要。其非均质的特性在特定环境下相比均质复合材料具有非常优异的性能，可以充分发挥各种材质的独特优点，又可以克服各自的缺点。它的出现引起众多领域研究者的重视，并且发展成为当前结构材料研究领域中的重要课题之一。纳米颗粒增强铝基复合材料由于具有高比强、高比刚、高耐磨、低热膨胀及优良的减震性能尺寸稳定性等优异的综合性能,是航空航天、汽车制造、电力系统等领域关键零部件轻量化、高性能化的理想材料,具有巨大的应用潜力和广阔的市场前景。

纳米增强铝基复合材料具有比强度、比刚度高等优点，在航空航天、轨道交通、电子等领域有广泛的应用；传统的搅拌铸造法制备微米颗粒增强铝基复合材料具有成本低、流程短，适用于工业化生产，可以制备大型复杂的铝基复合材料零部件，但由于纳米颗粒表面活性大，极易团聚，因此传统的搅拌铸造法无法解决纳米陶瓷颗粒如何加入铝基体中以及如何在铝基体中均匀分散是搅拌铸造法制备铝基复合材料的技术难题。

发明内容

本发明意在提供一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，解决了现有的搅拌铸造法无法解决纳米陶瓷颗粒均匀分散在铝基体的问题。

为了达到上述目的，本发明的一种技术方案如下：一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，包括电阻加热炉、驱动电机、气罐、加料罐和真空泵，所述电阻加热炉的内壁上设有多个第一超声发生器，所述电阻加热炉上还穿设有内部中空的转动轴，所述转动轴内设有多个第二超声发生器，所述转动轴上位于电阻加热炉内的部分设有螺纹，所述转动轴外设有第一套筒和第二套筒，所述第一套筒与转动轴螺纹连接，所述第一套筒上转动连接有第一转动环，所述第一转动环上周向分布有多个第一搅拌杆，每个所述第一搅拌杆上还转动连接有第二搅拌杆，所有的所述第二搅拌杆上共同连接有设置在转动轴上的第二转动环，所述第一套筒的顶部还周向开有多个凹槽；所述第二套筒的底部设有多个与凹槽一一对应的凸起，所述第二套筒的顶部设有包覆在转动轴外的波纹管，所述波纹管、第二套筒均与转动轴之间留有间隙，所述波纹管上连通有设置在电阻加热炉上的储气箱，所述储气箱上设有喷嘴和打气筒，所述喷嘴上安装有压力阀，所述打气筒与储气箱之间连接有气管，所述驱动电机的输出轴上设有驱动杆，所述驱动杆上设有凸轮，所述打气筒位于凸轮的运动轨迹上，所述驱动杆与转动轴之间连接有皮带，所述气罐与转动轴之间连通有进气管，所述进气管与转动轴之间设有密封轴承，所述加料罐连通在进气管上，所述真空泵与电阻加热炉之间连通有排气管。

优选的，所述驱动杆上开有滑槽，所述滑槽内滑动连接有与凸轮一体成型的滑块，所述滑块与滑槽之间连接有弹簧，所述凸轮始终位于喷嘴正上方。

通过上述设置，可在储气箱进行排气时将喷出的空气来推动凸轮向上移动，使得凸轮与打气筒相分离，有利于提高排气的效率以及维持第一套筒上升的稳定性。

优选的，所述第二转动环上设有与驱动电机电连接的第一压力传感器，所述储气箱底部设有位于第二套筒运动轨迹上的第二压力传感器，所述第二压力传感器与驱动电机电连接。

通过上述设置，利用第一压力传感器和第二压力传感器来实现驱动电机的传动方向变化，便于实现自动化作业，降低操作工人的劳动强度，提升搅拌的效率。

优选的，所述第一搅拌杆与第一转动环之间、第二搅拌杆与第二转动环之间均连接有滚球，所述滚球分别滚动连接在第一转动环或第二转动环上。

通过上述设置，可是第一搅拌杆、第二搅拌杆在上升或下降的搅拌过程中不规则的摆动，进一步的提升了纳米陶瓷颗粒在铝基体中分散的程度。

优选的，将复合材料制备装置用于制备镁基复合材料或锌基复合材料。

与现有技术相比，本方案的有益效果：

本方案将加粉与搅拌合二为一，采用高能超声与强机械搅拌协同作用制备高质量纳米颗粒增强铝基复合材料。从搅拌杆的中心用气体加压将陶瓷颗粒送至第一超声发生器处，使陶瓷颗粒获得了最大的搅拌分散力，并且受力均匀，陶瓷颗粒在转动轴和搅拌杆中心产生的强烈搅拌下，均匀分散到熔体的各个位置。采用气体加压的方式，可通过精确控制气体压力，将陶瓷颗粒精准、稳定的送入熔体内部指定位置。气体压力稳定可调，便于控制。气体加压可以防止铝液流入转动轴中，本方案采用动密封，在转动的情况下实现了气体送粉。

附图说明

图1是本实施例1的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：电阻加热炉1、驱动电机2、气罐3、加料罐4、真空泵5、第二超声发生器6、转动轴7、第一超声发生器8、第一套筒9、第二套筒10、第一转动环11、第一搅拌杆12、第二搅拌杆13、第二转动环14、滚球15、第一压力传感器16、凸起17、波纹管18、储气箱19、第二压力传感器20、喷嘴21、打气筒22、驱动杆23、弹簧24、凸轮25、皮带26。

实施例1

如附图1和图2所示，一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，包括电阻加热炉1、驱动电机2、气罐3、加料罐4和真空泵5，电阻加热炉1的内壁上设有多个第一超声发生器8，电阻加热炉1上还穿设有内部中空的转动轴7，转动轴7与电阻加热炉1之间连接有密封圈。转动轴7的内壁上设有多个第二超声发生器6，转动轴7上位于电阻加热炉1内的部分设有螺纹，转动轴7外包覆有第一套筒9和第二套筒10，第一套筒9与转动轴7螺纹连接，第一套筒9的下侧转动连接有第一转动环11，第一转动环11外周向分布有多个第一搅拌杆12，本实施例中采用四个，每个第一搅拌杆12的自由端均转动连接有第二搅拌杆13，每个第一搅拌杆12上开有供第二搅拌杆13转动的收纳槽，四个第二搅拌杆13的另一端共同连接有第二转动环14，第二转动环14固定连接在转动轴7的下侧，第一搅拌杆12与第一转动环11之间、第二搅拌杆13与第二转动环14之间均连接有滚球15，滚球15分别滚动连接在第一转动环11或第二转动环14上；第二转动环14的顶部还设有与驱动电机2电连接的第一压力传感器16。第一套筒9的顶部还周向开有多个凹槽，本实施例中采用8个凹槽。第二套筒10的底部设有八个与凹槽一一对应的凸起17，每个凸起17均能够卡和在对应的凹槽。第二套筒10的前后两侧均设有与电阻加热炉1滑动连接有的滑杆，电阻加热炉1上开有供滑杆滑动连接的第二滑槽。第二套筒10的顶部设有包覆在转动轴7外的波纹管18，波纹管18、第二套筒10均与转动轴7之间留有间隙，波纹管18上连通有设置在电阻加热炉1顶部的储气箱19，储气箱19的底部还设有位于电阻加热炉1内的第二压力传感器20，第二压力传感器20位于第二套筒10的运动轨迹上，并且第二压力传感器20与驱动电机2电连接。

储气箱19的设有喷嘴21和打气筒22，喷嘴21安装在储气箱19的左侧，喷嘴21上安装有压力阀。打气筒22采用现有技术中的打气筒22，打气筒22中推柄的周向均设有与凸轮25相配合的楔面。打气筒22上对称设有“Y”字形支架，支架焊接在储气箱19上。打气筒22的出气嘴与储气箱19之间连接有气管，驱动电机2的输出轴上设有驱动杆23，驱动杆23的前后两侧均开有第一滑槽，每个滑槽内均滑动连接有滑块，滑块与第一滑槽之间连接有弹簧24；滑块上一体成型有包覆在驱动杆23外的凸轮25，凸轮25始终位于喷嘴21出口的正上方，打气筒22位于凸轮25的运动轨迹上。驱动杆23与转动轴7之间连接有皮带26，气罐3内填充有惰性气体，气罐3与转动轴7的中空区域之间连通有进气管，进气管与转动轴7之间设有密封轴承，加料罐4连通在进气管上，加料罐4内填充有碳纳米管颗粒，真空泵5与电阻加热炉1之间连通有排气管。

本方案的工作过程包括如下的步骤：

S1、首先在电阻加热炉1中将定量的铝合金铸锭熔化加热到700℃。

S2、在步骤S1的电阻加热炉1中对铝液进行变质处理。

S3、利用真空泵5对电阻加热炉1内部进行抽真空处理，抽至低真空状态。

S4、打开气罐3上的阀门并开启驱动电机2、第一超声发生器8，气罐3开启后可利用惰性气体防止电阻加热炉1中的铝合金熔体发生氧化的情况，同时也可避免在工作过程中熔体进入转动轴7中。

驱动电机2开启后，驱动电机2通过皮带26带动皮带26和驱动杆23转动，利用皮带26可带动转动轴7转动，使得第一搅拌杆12和第二搅拌杆13在电阻加热炉1中产生机械搅拌作用。而驱动杆23转动后可利用凸轮25间隙对打气筒22的推柄进行推动，使得储气箱19内间隙被注入空气，当空气达到一定量后可推动波纹管18伸展，此时波纹管18伸展后继续带动第二套筒10向下移动。当第二套筒10底部的凸起17卡入第一套筒9顶部对应的凹槽后，触发第一压力传感器16来使驱动电机2的输出轴反向转动，同时，由于凸起17与凹槽的卡和，使得第一套筒9开始向上移动，此时借助滑杆可保持移动过程中的可靠性。借助滚球15的滚动作用，第一搅拌杆12和第二搅拌杆13在上升或下降过程中可因电阻加热炉1内熔体的搅动而发生不规则的搅动。在第一套筒9上升后，利用第二套筒10可将波纹管18内的空气压入储气箱19内，同时由于打气筒22还在间歇的对储气箱19内进行充气，因此储气箱19内的压强快速增大，当储气箱19内的压力达到压力阀的预设值后，压力阀打开将储气箱19内的空气从喷嘴21中排出，此时空气会推动凸轮25向上移动与打气筒22相分离，使得凸轮25对打气筒22的推动作用中断。

当第二套筒10上升并触发第二压力传感器20后，利用第二压力传感器20使得驱动电机2的输出轴再次反向转动，此时滑块带动凸轮25在弹簧24作用下再次对打气筒22进行推动，再次利用凸轮25和打气筒22对储气箱19进行间歇充气，从而利用空气使波纹管18伸展，再次使得第二套筒10和第一套筒9向下移动。当第二套筒10触碰到第二转动环14上的第二压力传感器20后，驱动电机2的输出轴实现反向转动，从而重复上述的上升过程。

通过上述设置实现了多角度、上下往复式机械搅拌，同时在第一超声发生器8的作用下实现了超声振动。

S5、打开加料罐4的阀门开始投入碳纳米管颗粒，此时碳纳米管颗粒在惰性气体的作用下被送入电阻加热炉1中，此过程需控制碳纳米管颗粒的进料量为60﹣70g/s，投料时间为2-10min。

S6、在投料结束后对电阻加热炉1再次利用真空泵5进行抽真空处理，从而提高熔体的质量，改善其充型能力。

S7、启动第二超声发生器6，振动频率设置为20-25kHz，功率密度为0.3-0.35 W/cm2；持续搅拌10﹣30min。

S8、在搅拌完成后，将电阻加热炉1中的熔体浇铸至特定模具中成型，从而得到纳米增强相分布均匀的高质量纳米颗粒增强铝基复合材料。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：本实施例的基体采用镁合金铸锭或锌合金铸锭，从而制得镁基复合材料或锌基复合材料。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，其特征在于：包括电阻加热炉、驱动电机、气罐、加料罐和真空泵，所述电阻加热炉的内壁上设有多个第一超声发生器，所述电阻加热炉上还穿设有内部中空的转动轴，所述转动轴内设有多个第二超声发生器，所述转动轴上位于电阻加热炉内的部分设有螺纹，所述转动轴外设有第一套筒和第二套筒，所述第一套筒与转动轴螺纹连接，所述第一套筒上转动连接有第一转动环，所述第一转动环上周向分布有多个第一搅拌杆，每个所述第一搅拌杆上还转动连接有第二搅拌杆，所有的所述第二搅拌杆上共同连接有设置在转动轴上的第二转动环，所述第一套筒的顶部还周向开有多个凹槽；所述第二套筒的底部设有多个与凹槽一一对应的凸起，所述第二套筒的顶部设有包覆在转动轴外的波纹管，所述波纹管、第二套筒均与转动轴之间留有间隙，所述波纹管上连通有设置在电阻加热炉上的储气箱，所述储气箱上设有喷嘴和打气筒，所述喷嘴上安装有压力阀，所述打气筒与储气箱之间连接有气管，所述驱动电机的输出轴上设有驱动杆，所述驱动杆上设有凸轮，所述打气筒位于凸轮的运动轨迹上，所述驱动杆与转动轴之间连接有皮带，所述气罐与转动轴之间连通有进气管，所述进气管与转动轴之间设有密封轴承，所述加料罐连通在进气管上，所述真空泵与电阻加热炉之间连通有排气管。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，其特征在于：所述驱动杆上开有滑槽，所述滑槽内滑动连接有与凸轮一体成型的滑块，所述滑块与滑槽之间连接有弹簧，所述凸轮始终位于喷嘴正上方。

3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，其特征在于：所述第二转动环上设有与驱动电机电连接的第一压力传感器，所述储气箱底部设有位于第二套筒运动轨迹上的第二压力传感器，所述第二压力传感器与驱动电机电连接。

4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，其特征在于：所述第一搅拌杆与第一转动环之间、第二搅拌杆与第二转动环之间均连接有滚球，所述滚球分别滚动连接在第一转动环或第二转动环上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种碳纳米管增强铝基复合材料制备装置，其特征在于：将复合材料制备装置用于制备镁基复合材料或锌基复合材料。