[发明专利]交变磁场中金属增强复合材料的挤出成型制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种交变磁场中金属增强复合材料的挤出成型制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

挤出成型是指物料通过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被螺杆向前推送，连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法。传统的挤出成型应用于热塑性塑料和橡胶的加工，可进行配料、造粒、胶料过滤等，可连续化生产，制造各种连续制品如管材、型材、板材(或片材)、薄膜、电线电缆包覆、橡胶轮胎胎面条、内胎胎筒、密封条等，其生产效率高。随着技术的发展，挤出成型也用于陶瓷材料的成型制备。

梯度材料的是指因材料的成分、结构在材料内部的不同位置连续变化，从而引起性能连续变化的一类复合材料。主要制备方法有粉末成型、气相沉积法、自蔓延反应合成、等离子喷涂、电铸法、电镀法、激光烧结和离心铸造等。但是这些制备方法均存在着重要的局限性。如粉末成型难以实现材料组分连续均匀变化；气相沉积难以得到大厚度材料；自蔓延燃烧致密度较低；等离子喷涂的各涂层间存在成分突变的界面；等等。这些方法要求复杂的工艺或设备，缺少简便的制备方法，是限制功能梯度材料进一步发展的重要原因。因此，如果能将成熟的金属或陶瓷材料成型手段，用来制备功能梯度材料，无疑具有重要的意义和广阔的发展前景。

目前，对于许多重要的功能梯度材料如：ZrO₂/Ni、ZrO₂/钢、Al₂O₃/Ni、SiC/Fe等，金属组元Fe、Ni、Co等过渡金属属于铁磁性物质，而陶瓷组元Al₂O₃、ZrO₂、SiC、 AlN、Si₃N₄等是弱磁性物质。铁磁性物质在居里温度以下具有强磁性，而弱磁性物质对磁场不敏感。利用二者之间磁性能的差异，我们小组开发了在静磁场中采用挤出成型方法制备出梯度材料的技术。

遗憾的是，上述方法虽然能够制备功能梯度材料，但是对样品组元的磁性能有要求。浆料的组分中必须有强磁性（铁磁性、亚铁磁性）组元和弱磁性（反铁磁性、顺磁性、抗磁性）组元，否则不能采用上述方法制备。因此，上述方法存在很大局限性。我们小组在原来的实验基础上不断改进，并取得突破性进展。在挤出成型的基础上，利用交变磁场控制金属组元的移动，成功制备出了成分连续的梯度材料。

本发明的原理是：金属材料通常具有良好的导电性，在交变磁场中会因磁场的连续变化而在材料内部产生感应电流，根据楞次定律判断，感生电流产生的磁场应该是阻碍内部磁通的变化。因此，感生磁场与交变磁场会产生力的作用，磁力F的大小为：

其中，V是颗粒体积，M为颗粒感生磁化强度，gradH为磁场梯度。磁化强度M与输入电流强度直接相关，电流强度越大，则感生磁化强度越大。磁场梯度与颗粒所处的位置有关：在线圈内部中央位置，磁场分布均匀，磁场梯度为零，因此颗粒受到的磁力为零；在线圈端部位置，磁场梯度最大，在该位置处，金属颗粒受到的磁力最大。因此，金属颗粒受到磁力的大小与电流强度、交变磁场的频率以及金属在磁场中的位置有关系。聚合物和陶瓷材料通常电阻率很高，在交变磁场中不会有涡流产生，因此不受交变磁场影响。于是，基于金属和聚合物、陶瓷组元对交变磁场不同的相应，可以采用交变磁场控制金属组元在复合体系内的分布，通过挤出成型法制备金属增强梯度复合材料。

本方法的突出优点就是在挤出成型工艺的基础上施加交变磁场制备复合材料，通过调整电流强度、频率等工艺参数，可以方便地制备出成分连续变化且可控的梯度复合材料，成本大大降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种交变磁场中金属增强复合材料的挤出成型制备方法。

它的步骤为：

1）泥料制备

在练泥机中将优良导电性的金属（Cu、Al、Ag、Mg、Zn、Fe等中的一种）与高电阻率的（ZrO₂、Al₂O₃、SiO₂、SiC、Si₃N₄、B₄C等中的一种）混合粉末，加入有机溶剂、分散剂与粘结剂，均匀混合，得到泥料。有机溶剂为乙醇、甲乙酮、丁酮或三氯乙烯中的一种，有机溶剂体积分数为浆料的20～60%；分散剂为鲱鱼油、磷酸酯、三油酸甘油酯或三乙醇胺，分散剂为浆料体积分数的0.2～5%；粘接剂为聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯醇，粘接剂为浆料质量分数的10～30%；