[发明专利]一种铝基复合材料制造方法与设备

说明书

技术领域

本发明采用金属铝液与纳米级碳粉均匀混合为胶体溶液，在快速冷却条件下，利用模具压铸成型，制造一种新型非晶金属或具有类似非晶金属特性的微晶金属铝复合材料，其技术属于新材料制造领域。

背景技术

非晶金属又称为液体金属、或玻璃金属。熔融状态的金属液体在极速(百万分之一秒)冷却状况下，金属液体中的原子来不及移动形成有序晶格就以无序状态凝固成固体。这种固体被称之为非晶金属。由于非晶金属固体内部原子分布具有液体的特征，也称为玻璃态特征，所以，非晶金属内部的微观结构与普通金属内部原子有序排列构成晶格的微观结构迥异。这种金属内部原子分布状态的改变，直接导致金属性能发生了令人吃惊的变异。譬如，非晶金属不存在晶格，也就没有晶格之间的滑动和晶格缺陷，因而非晶金属没有普通金属的延展性。正因为非晶金属具有质地紧密、均匀、无结构性缺陷的玻璃态特性，决定了非晶金属具有普通金属难以媲美的刚性、韧性、弹性和化学稳定性。此外，非晶金属在受热融化时，没有固定的熔点，像玻璃一样，先软化，再由稠变稀，经过一个温度上升区间后，才能完全液化。并且，非晶金属在液化过程中具有较好的流动性和填充性，经冷却固化后、因没有晶体形成，故原子排列状态仍然与液态时相同，所以，体积保持不变。这种特性使得非晶金属可以在一定温度区间内，像玻璃、塑料材料一样，利用模具精确成型。

由于采用极速冷却方法获得的非晶金属，不但成本高昂且很难获得大体积的非晶金属。通常这种方法只能用于制造薄片状或粉末状的非晶金属。大体积的非晶金属又称大块非晶金属合金。现有的大块非晶金属合金制造技术是利用几种原子体积相差较大的金属，按照一定的配比混合，在加热熔融为液态时，由于金属原子体积相差较大定向移动困难，所以在凝固时难以组合形成有序晶格。因此，通过设计恰当的金属组分和配比，就可以在非极速冷却条件下，得到原子呈无序状态的大块非晶金属合金。

发明内容

原子呈无序排列的非晶金属材料具有晶态金属材料难以媲美的力学性能和化学稳定性。通过在铝融液中均匀混合比重低于铝而熔点高于铝的一种或几种物质的固体微小颗粒、使金属铝液在凝固过程中，原子运动受阻，难以顺利排列，接近无序状态，快速固化成为一种具有非晶金属性能特点的的新型复合材料。即提高金属铝基材料的性能，又获得了比金属铝更轻、更强的新一代结构材料。

本发明采用在惰性气体保护下，高频熔炉将金属铝熔化为液体，并按照设计的铝原子与碳原子混合比例，向保持设定温度的铝液中定量加入纳米级碳粉。高频熔炉可以使金属铝快速熔化，利用惰性气体保护，避免了铝原子及碳原子与空气接触发生化学反应。

采用在机械搅拌同时，引入超声波震荡，使固态纳米级碳粉与液态铝充分混合至均匀胶体状态。机械搅拌可以避免固态碳粉浮在铝液上面，超声波震荡可以使铝液与碳粉均匀混合并形成胶体。

采用压铸机将定量的铝液与碳粉均匀混合胶体快速高压注入导热良好的金属模具中。在高压下，既可以快速挤出胶体中的微量气体，又可以使胶体快速进入模具。利用超低温状态的液氢在模具内部通道循环，可以使胶体快速冷却固化形成具有非晶金属性能的铝碳复合材料产品。

附图说明

图1是本发明的设备结构图。该设备由胶体化系统、冷却固化成型系统和空气隔离系统组成。胶体化系统包括：颗粒状金属铝原料进料装置(1)、纳米级碳粉原料进料装置(2)、圆柱体耐热陶瓷坩埚(3)、高频线圈(4)、具有恒温功能的高频电源(5)、机械搅拌装置(6)、超声波震荡装置(7)、铝液与碳粉均匀混合形成的胶体(8)、胶体(8)定量阀门(9)。冷却固化成型系统包括：压铸机(19)及压铸机(19)的管状进料仓(10)、液压杆(11)、金属模具(12)、金属模具(12)内部的液氢循环通道(13)，循环液氢供给装置(14)，铝碳复合材料铸件(20)。空气隔离系统包括：密封罩(15)、惰性气体供气源(16)、惰性气体导管供气口(17)、排气口(18)。

具体实施方式