一種製備碳纖維鋁基複合材料的超聲波裝置及其製備方法與流程

2023-06-12 11:23:26 3

本發明屬於材料設備領域，涉及在金屬基複合材料製備過程中縮短製備周期，降低碳纖維損傷程度的裝置及其製備方法，具體指一種製備連續碳纖維鋁基複合材料的超聲波裝置及其製備方法。

背景技術：

超聲波振動法製備連續碳纖維金屬基複合材料是利用超聲波產生的空化效應和聲流效應。作用於碳纖維從而使碳纖維均勻分散從而製備碳纖維金屬基複合材料的工藝方法。而碳纖維複合材料製備過程中碳纖維的完好程度以及碳纖維在熔體中的分散程度嚴重影響著碳纖維複合材料的力學性能。常規碳纖維金屬基複合材料製備時碳纖維與金屬液接觸時間長，碳纖維損傷大，碳纖維在金屬液中分散程度差，採用超聲波振動製備連續碳纖維金屬基複合材料可以極大的縮短碳纖維與金屬液接觸時間，減小碳纖維所受衝擊力，極大程度上保證了碳纖維的完好，同時利用超聲波使碳纖維均勻分散，達到提高碳纖維金屬基複合材料力學性能的目的。目前由於超聲波振頭無法在大於120℃條件下服役，並且由於金屬導熱以及熱輻射等原因無法長時間在金屬熔煉過程中進行使用，需要有一種實驗裝置解決這些問題。

技術實現要素：

發明目的：

本發明提供一種製備連續碳纖維金屬基複合材料的超聲波裝置及製備方法，該設備冷卻效率高，改變了碳纖維金屬基複合材料製備時碳纖維與金屬液接觸時間長，碳纖維損傷大的現狀，提高碳纖維在金屬液中分散程度，降低碳纖維分散所需時間，從而減小碳纖維損傷，獲得高質量碳纖維金屬基複合材料。

技術方案：

一種製備碳纖維鋁基複合材料的超聲波裝置，包括伺服系統、超聲波振動系統、冷卻系統和氣體保護系統，其特徵在於：伺服系統下端連接有金屬杆，伺服系統內部裝有電機，金屬杆下端連接有連接件，連接件下端連接有超聲波換能器，超聲波換能器下端連接有超聲波變幅杆，超聲波變幅杆下端連接有超聲波振頭，所述超聲波換能器通過信號線還連接有超聲波發生器，超聲波發生器、超聲波換能器、超聲波變幅杆和超聲波振頭組合成超聲波振動系統，超聲波振動系統下部設有熔煉保溫爐，爐腔內部設有氣體保護裝置，坩堝置於氣體保護裝置內部，所述超聲波變幅杆的周圈設有環形冷卻裝置，環形冷卻裝置的上端連接有導氣管，導氣管分別還連接有高壓氣體儲存裝置和氣體保護裝置，導氣管、高壓氣體儲存裝置和環形冷卻裝置構成冷卻系統，氣體保護裝置，導氣管和高壓氣體儲存裝置構成氣體保護系統，所述超聲波振動系統一側設置有提拉電機，提拉電機下端連接有弓形夾具。

所述連接件為周圈螺紋的連接件，與金屬杆和超聲波換能器通過螺紋扣固定。

所述環形冷卻裝置為環形似「彈簧」螺旋狀，上部形狀為豎直向上狀，下端部為封閉狀態，朝向超聲波變幅杆的方向布滿圓孔。

所述圓孔直徑為1~4mm。

所述氣體保護裝置內側朝向設有孔洞。

所述氣體保護裝置內部中空有孔洞結構，孔徑大小隨著高度增加逐漸變大。

所述弓形夾具具有一定預緊力。

一種製備單向碳纖維金屬基複合材料的方法，其特徵在於：坩堝內金屬熔體熔化後，通過氣體保護系統通入一定量的惰性保護氣體；然後將固定在弓形夾具上的單向碳纖維用提拉電機放入坩堝內；同時用伺服系統將超聲波振動系統精確定位於距離碳纖維一定高度的位置，施加一定時間及一定振幅振動，從而使單向碳纖維分散，金屬熔體填充到碳纖維間隙，將碳纖維均勻包裹，製備成單向碳纖維金屬基複合材料；最終利用伺服系統及提拉電機將單向碳纖維金屬基複合材料及超聲波振動系統移出冷卻。

優點及效果：

本發明所述的製備裝置相比於傳統碳纖維金屬基複合材料製備裝置具有操作簡潔、安全係數高的特性，本發明所述製備方法相比於傳統製備方法具有碳纖維損傷小，碳纖維分散均勻且分散程度高，複合材料生產周期短、效率高,適合連續生產等優點，引入環形冷卻裝置很好地解決了傳統的製備裝置散熱差的嚴重問題。

附圖說明

下面結合附圖對本發明進行詳細說明：

圖1為連續碳纖維金屬基複合材料超聲波裝置總體安裝示意圖。

所述標註為：1.伺服系統、2.超聲波換能器、3.超聲波變幅杆、4.導氣管、5.高壓氣體儲存裝置、6.環形冷卻裝置、7.超聲波振頭、8.金屬熔體、9.連續碳纖維、10.氣體保護裝置、11.熔煉保溫爐、12.坩堝、13.弓形夾具、14.提拉電機、15.超聲波發生器、16.連接件、17.金屬杆。

具體實施方式

本發明提供一種製備連續碳纖維金屬基複合材料的超聲波裝置及其製備方法，改變碳纖維金屬基複合材料製備時碳纖維與金屬液接觸時間長，碳纖維損傷大的現狀，提高碳纖維在金屬液中分散程度，降低碳纖維分散所需時間，從而減小碳纖維損傷，獲得高質量碳纖維金屬基複合材料。

實施例：

如圖1所示，伺服系統1下端連接有金屬杆17，伺服系統1內部裝有電機，金屬杆17可通過電機的控制，實現上、下、左、右、前和後的移動，金屬杆17下端螺紋扣連接有連接件16，連接件16為周圈螺紋的連接件，與金屬杆17和超聲波換能器2通過螺紋扣固定，連接件16下端螺紋扣連接有超聲波換能器2，連接件為周圈螺紋的連接件，可通過螺紋進入螺紋扣的長度微調超聲波換能器2的高度，超聲波換能器2下端螺紋扣連接有超聲波變幅杆3，超聲波變幅杆3下端螺紋扣連接有超聲波振頭7，所述超聲波換能器2通過信號線還連接有超聲波發生器15，用於發射超聲波信號，超聲波發生器15、超聲波換能器2、超聲波變幅杆3和超聲波振頭7組合成超聲波振動系統，超聲波振動系統下部設有熔煉保溫爐11，爐腔內部設有氣體保護裝置10，氣體保護裝置10內側朝向設有孔洞，孔洞結構孔徑大小隨著高度增加逐漸變大，坩堝12置於氣體保護裝置10內部，所述超聲波變幅杆3的周圈設有環形冷卻裝置6，環形冷卻裝置6為環形似「彈簧」螺旋狀，上部形狀為豎直向上狀，下端部為封閉狀態，朝向超聲波變幅杆3的方向布滿1~4mm圓孔，環形冷卻裝置6的上端連接有導氣管4，導氣管4分別還連接有高壓氣體儲存裝置5和氣體保護裝置10，導氣管4、高壓氣體儲存裝置5和環形冷卻裝置6構成冷卻系統，氣體保護裝置10，導氣管4和高壓氣體儲存裝置5構成氣體保護系統，所述超聲波振動系統一側設置有提拉電機14，提拉電機14下端連接有具有一定預緊力的弓形夾具13。

上述裝置製備單向碳纖維金屬基複合材料的方法：坩堝12內金屬熔體8熔化後，通過氣體保護系統通入一定量的惰性保護氣體；然後將固定在弓形夾具13上的單向碳纖維9用提拉電機14放入坩堝內；同時用伺服系統1將超聲波振動系統精確定位於距離碳纖維一定高度的位置，施加一定時間及一定振幅振動，從而使單向碳纖維9分散，金屬熔體8填充到碳纖維間隙，將碳纖維均勻包裹，製備成單向碳纖維金屬基複合材料；最終利用伺服系統及提拉電機將單向碳纖維金屬基複合材料及超聲波振動系統移出冷卻。