[发明专利]一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置及方法

说明书

本发明涉及一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置及方法，该装置包括机械搅拌系统、气体保护系统、运动机构和熔炼保温系统，在正多边形坩埚内，对熔融铝液中短碳纤维施加机械搅拌，目的是使短碳纤维分散均匀，克服在传统圆形坩埚内机械搅拌制备短碳纤维铝基复合材料方法存在流场单一，短碳纤维呈现各向同性，分布不均匀易团聚的问题。采用本发明专利的工艺方法，利用正多边形坩埚机械搅拌制备短碳纤维铝基复合材料，短碳纤维呈现各向异性，分布均匀，短碳纤维损伤小，短碳纤维完整度高，操作简单利于实现工业化生产的优点。

技术领域

本发明属于铝基复合材料技术领域，涉及一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置及方法。该制备装置及方法同样适用于铜及铜合金、镁及镁合金等碳纤维增强金属基复合材料的制备。

背景技术

短碳纤维增强铝基复合材料由于具有高比强度、高比刚度、高抗拉强度等优异性能，在汽车制造以及航天航空行业受到更多关注。然而目前诸多制备短碳纤维铝基复合材料使用的坩埚形状大部分为圆柱形，而搅拌工艺的主要原理是通过搅拌流场来将短碳纤维分散，而圆柱形坩埚内搅拌时的流场很单一，呈现各向同性的特征，造成复合材料中存在短碳纤维四周分布多，中间分布少的不均匀现象，特别是微观分布不均发生团聚，团聚颗粒之间的间隙如得不到铝液的补充就形成空隙，进而影响复合材料的组织性能。

短碳纤维增强铝基复合材料的制备方法主要集中在粉末冶金法、压力浸渗法和挤压铸造法。搅拌铸造法由于其工艺简单、成本低廉，越来越受到重视。利用机械搅拌法制备的短碳纤维增强铝基复合材料的力学性能得到了提高。所制成的复合材料铸锭经重熔后，可精密铸造、砂型铸造成各种复杂形状的零件，也可挤压成各种型材、管材、棒材以及轧制成板材，锻造成零件。它是目前最成熟、最具竞争力、也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要方法。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种利用正多边形坩埚机械搅拌制备碳纤维铝基复合材料的装置及制备方法，目的在于克服现在使用圆柱形坩埚内部流场单一、纤维分布不均匀的缺点，提供一种简单、高效、可使纤维分散均匀的短碳纤维铝基复合材料的制备装置和方法，以获得高质量短碳纤维铝基复合材料。

技术方案：

一种正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置，其特征在于：包括机械搅拌系统、气体保护系统、运动机构和熔炼保温系统；熔炼保温系统包括熔炼保温炉和正多边形坩埚，熔炼保温炉内设有正多边形坩埚；机械搅拌系统包括搅拌电机、支撑座、套筒、搅拌轴和搅拌桨，搅拌电机固定于支撑座上，套筒连接在支撑座上，搅拌轴上端与搅拌电机相连并固定在套筒内，搅拌轴下端固定于搅拌桨内；气体保护系统包括导气管、保护筒和高压气体储存装置，在熔炼保温炉内于正多边形坩埚外设有保护筒，高压气体储存装置出气口连通导气管，导气管的另一端位于保护筒内；运动机构包括吊车、驱动电机、金属杆和底座，驱动电机安装在吊车上，吊车与金属杆连接，金属杆的下端插入底座，驱动电机控制吊车上下位移进而控制金属杆在底座内上下移动，从而带动搅拌桨上下运动。

所述保护筒为圆筒状保护装置。

所述搅拌轴通过耐高温六角螺钉固定于搅拌桨内。

所述正多边形坩埚内边长与搅拌桨直径的比值为1.375~1.5，搅拌桨能够在铝液范围内的任何位置上下移动。

一种利用正多边形坩埚制备碳纤维铝基复合材料的装置制备短碳纤维铝基复合材料的方法，其特征在于：往正多边形坩埚内放入铝块，将铝块熔化成铝液，然后通过气体保护系统通入一定量的惰性保护气体，将短碳纤维缓慢加入铝液中保温一段时间，之后通过运动机构上下运动带动搅拌桨在铝液范围内的任一位置上下移动，以一定的搅拌速率搅拌一定时间，从而使短碳纤维分散，铝液填充到短碳纤维间隙并将短碳纤维均匀包裹，将机械搅拌系统移出铝液，制备成短碳纤维铝基复合材料。