[发明专利]摩擦挤压复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种摩擦挤压复合材料的方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料被誉为21世纪的新材料，不但具有金属塑性韧性好、导电导热性好的特点，而且同时具有陶瓷颗粒硬度高、刚度大、耐高温、耐磨损的优点，从而显示出单一的金属基体或陶瓷颗粒所不可比拟的优异性能^[1]，广泛用于航空航天、军事、电子等先进技术领域。目前，金属基复合材料有铝基、镁基、钛基、高温合金基、铜基等多种材料，添加的颗粒也有硬质颗粒、软质颗粒等。例如，陶瓷颗粒增强铝基复合材料可以显著提高基体材料的强度和抗变形能力，并使铝基复合材料具有更好耐磨性，并且热膨胀性能也明显改善。这类铝基复合材料主要用于制作航空、航天结构件，电子壳体和基板，以及汽车发动机等；软质颗粒一般都是很好的润滑体，软质颗粒增强的铝基合材料具有好的减磨和减振性能，主要用于制作发动机的缸套，轴瓦以及各种机座。研究者开发了多种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，这些方法各有其优点及适用范围。例如：1)颗粒性质的影响。当第二相颗粒与基体润湿性不好时，易于团聚并影响复合材料的机械性能，或降低复合材料的导电率。2)颗粒尺寸的影响。颗粒尺寸过小时，同样易于团聚，因此目前广泛采用的液相法制备颗粒增强金属基复合材料中第二相颗粒尺寸还只能在微米量级。3)双相颗粒或多相颗粒增强金属基复合材料，可以通过调节不同颗粒的比例，适当地调节复合材料的密度及其性能，如导电率等。但是当各颗粒的性质、粒度等不同时，用通常的制备方法会使复合材料中的颗粒偏聚，颗粒分布不均，难于获得设计的复合材料的成分与性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种摩擦挤压复合材料的方法，克服现有技术制造复合材料的不足，线路先进、可靠、产品质量易于控制、连续性好、生产效率高并具有显著经济效益的块状复合材料的制备方法。

本发明是这样来实现的，其特征是方法为：形成一中间有高速旋转摩擦头、摩擦头周边有细小缝隙的金属流动通道；在其一端放置由基体材料和增强相颗粒组成的待复合材料，增强颗粒通过在基体材料上开的槽或孔加入；挤压棒加压使待复合材料挤向高速旋转的摩擦头，与摩擦头接触的材料摩擦发热并处于塑性状态，塑性化的金属与增强相颗粒被旋转的摩擦头破碎并在其带动下由摩擦头两侧的狭缝被挤向通道的另一端，即出口端，在这个过程中，待复合材料被破碎、混合并经历了较大的热塑性挤压变形，通过控制产物在出口端的移出速度或在出口端施加一反向压力，可以获得块状、致密性好、增强相颗粒均匀分布、基体材料晶粒细小的复合材料。

本发明所述的金属流动通道中部连接一轴线垂直于通道的摩擦头，摩擦头边缘与通道的两侧形成一狭缝。

本发明所述的摩擦头周围的块状固体金属中形成一定体积的塑性区域，此区域的金属与增强相颗粒在摩擦头的高速旋转驱动下混合并经历快速、巨大的塑性挤压变形，形成颗粒与基体结合良好的复合材料。

本发明的优点是：所形成的材料具有材料基体的晶粒细小、增强相分布均匀的特点，可大幅度提高材料的机械和力学性能。由于该方法是在固态下制备复合材料，可以按功能设计要求，同时添加不同比重、不同性质的颗粒，充分发挥复合材料的优点，制备多元颗粒增强金属基复合材料。

附图说明

图1为本发明的工作原理结构示意图。

在图中，1、金属流动通道 2、待复合材料 3、挤压棒 4、摩擦头 5、狭缝 6、复合材料

具体实施方式

如图1所示，本发明是这样来实现的，其特征是制备方法为：在金属流动通道1的一端放置待复合材料2，增强颗粒通过在基体材料上开的槽或孔加入，挤压棒3加压使待复合材料2挤向高速旋转的摩擦头4，待复合材料2与摩擦头4接触后，将产生摩擦热使接触处金属温度升高而塑性化，塑性化的金属被旋转的摩擦头4破碎并在其带动下由金属流动通道侧面的狭缝5被挤向通道的另一端，即出口端。在这个过程中，待复合材料2被破碎、混合并经历了较大的热塑性挤压变形，通过控制产物在出口端的移出速度或在出口端施加一反向压力，可以获得块状、致密性好、增强相颗粒均匀分布、基体晶粒细小的复合材料6。

实施案例：将碳纳米管填充在1060铝板上钻好的小孔内，将两块已添加碳纳米管的铝板以盲孔法向相反的方式层叠在一起，使碳纳米管能被板材包裹其中。用图1所示装置，高速旋转的摩擦头插入添加了碳纳米管的铝基材中，摩擦头的旋转速度为750r/min，挤压棒的前行速度为30mm/min。对得到的复合材料进行显微硬度测试。结果表明：复合材料的显微硬度平均值可达到62.2HV；而1060铝板的平均显微硬度为26.6HV。磨损试验表明：复合材料在整个磨损实验(每3分钟为一个周期，共进行7次重复实验)过程中，材料的磨损量为0.018g。复合材料透射电镜分析结果表明：碳纳米管均匀分布，在板材横截面上碳纳米管呈现“线状”分布，在板材纵截面上呈“点状”。该方法与传统复合材料制备方法相比，具有操作简单，成型时间短，成本低等优点。