[发明专利]一种特斯拉涡轮盘的制备方法和特斯拉涡轮盘

说明书

一种特斯拉涡轮盘的制备方法和由所述方法制得的特斯拉涡轮，所述制备方法包括：将碳纤维放置在金属电解液的电镀池中电镀；将电镀后的碳纤维缠绕在芯轴上形成盘状碳纤维；将盘状碳纤维和芯轴一起加热到金属的熔点，使金属熔化并粘连后冷却至室温，制得所述特斯拉涡轮盘的金属基碳纤维复合材料；拆除芯轴，通过机加工的方式在所述特斯拉涡轮盘的金属基碳纤维复合材料上加工排气孔；在所述金属基碳纤维复合材料表面进行阳极氧化；在经过阳极氧化的所述金属基碳纤维复合材料表面烧结陶瓷，得到特斯拉涡轮盘的陶瓷材料；使用金刚石研磨液抛光，制得所述特斯拉涡轮盘。通过上述方法制得的特斯拉涡轮盘具有极高的硬度和抗压强度以及良好的耐热性。

技术领域

本发明涉及复合材料制备领域，具体涉及一种特斯拉涡轮盘的制备方法及由该方法制得的特斯拉涡轮盘。

背景技术

特斯拉涡轮又称无叶涡轮，其形状是一根轴上按一定间距固定有多个光滑且薄的圆盘，气流从切线方向冲击这些圆盘，利用边界层效应带动这些圆盘和轴一起转动。该涡轮虽然具有结构简单、体积紧凑、效率高、成本低等优点，但因为圆盘尺寸大时刚度不够易变形，导致盘间涡流挠动大，振动大等缺点而未能普及应用。

金属基碳纤维复合材料因具有高比强度、高比模量和韧性好等优良性能，在航空航天，生物材料和民用工业领域具有广阔的应用前景，与金属材料相比，它具有高的比模量和比强度；与陶瓷相比，具有高的韧性和耐冲击性能。但由于碳纤维表面惰性大、表面能低，缺乏有化学活性的化学键，反应活性低，与基体的结合力差，表面存在较多的缺陷，直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥。复合材料制造过程中，碳纤维与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。现有技术中对碳纤维金属化方法做了很多有效的尝试和探索，但现有的方法都存在一定的缺陷，金属化后的碳纤维的质量参差不齐，普适性补强，因此寻求一种最大限度地提高碳纤维与基体间的界面结合强度的制备方法是非常必要的。

此外，陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。陶瓷材料一般具有高的熔点(大多在2000℃以上)，且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。为了提高金属的耐磨性，会在金属基体上涂覆一层陶瓷涂层，但是由于陶瓷与金属的理化性质差异较大，很难直接连接，主要因为两者的热膨胀系数差异较大，在连接处易产生很大的残余热应力。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种特斯拉涡轮盘的制备方法和由所述方法制得的特斯拉涡轮盘，采用镍基碳纤维复合材料制备陶瓷材料，并由所述陶瓷材料进一步制作特斯拉涡轮盘，所得的特斯拉涡轮盘具有硬度高、抗压性能好、耐热性强的特点。

具体由下列技术方案实现：

本发明的第一方面提供了一种特斯拉涡轮盘的制备方法，包括如下步骤：

将碳纤维放置在金属电解液的电镀池中电镀；

将电镀后的碳纤维缠绕在芯轴上形成盘状碳纤维；

将盘状碳纤维和芯轴一起加热到金属的熔点，使金属熔化并粘连后冷却至室温，制得所述特斯拉涡轮盘的金属基碳纤维复合材料；

拆除芯轴，通过机加工的方式在所述特斯拉涡轮盘的金属基碳纤维复合材料上加工排气孔；

在所述特斯拉涡轮盘的金属基碳纤维复合材料表面进行阳极氧化；

在经过阳极氧化的所述特斯拉涡轮盘的金属基碳纤维复合材料表面烧结陶瓷，得到特斯拉涡轮盘的陶瓷材料；