[发明专利]一种基于霍尔效应制备功能梯度材料的轧制装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于霍尔效应制备功能梯度材料的轧制装置及方法，其装置是在传统轧机基础上，增设线圈以产生磁场，并在轴承座上增设电极板以导入脉冲电流，以及增设接线柱以测量金属板材两端的电势差，来控制梯度分布的电流情况，上电极板接电源正极，下电极板接电源负极，脉冲电流从上电极板导入，经过上轧辊、金属板材、下轧辊，在从下电极板回到电源负极，当脉冲电流经过金属板材的塑性变形区时，通过磁场的影响，使脉冲电流在金属板材的塑性变形区内沿宽展方向呈梯度分布，进而使金属板材的性能也呈梯度分布，从而制备功能梯度材料，且梯度分布的电流可控，进而材料的性能也可控。

技术领域

本发明涉及霍尔效应在金属加工的应用领域，具体涉及到一种基于霍尔效应制备功能梯度材料的轧制装置及方法。

背景技术

功能梯度材料是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料，或为材料的性能和功能呈梯度变化的一种新型的功能性材料。它具有如下的优点：相比于多层复合材料，功能梯度材料不存在明显分界面，而宏观性能却在空间呈现梯度变化。相对于传统材料，功能梯度材料展现出材料的独特性能可以应对不对称物理参数所引发的问题，材料性能的连续或梯度变化为人们解决特殊需求和特定设计提供了新方法。因此，功能梯度材料的研究能够带来新材料技术的革命，进行功能梯度材料的研究是十分必要的。

如何制备功能梯度材料一直是各国研究的重点课题，也是研究功能梯度材料的核心。目前主要制备方法有气相沉积法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法等。但是由于技术还不够成熟，能用于商业化生产的功能梯度材料很少，只是在航空航天和光学领域达到实用化程度，所以需要一种能够用于商业生产的方法及装置。

由电塑性效应可以知道金属在加载电流后其各向性能都会发生变化，也有研究结果表明，金属材料变形在电流的同步加载或异步加载条件下，所得材料不仅在断裂强度、延伸率、变形抗力、硬度、回弹能力和电阻值都有所改变，所以提供了一种可以在金属的塑性变形的过程中通入梯度分布的电流，进而制备功能梯度材料的新思路。

对于金属的塑性变形，本发明拟从金属板材的轧制工艺入手，对于梯度分布的电流，由霍尔效应知道，当通有电流的导体或半导体置于与电流方向垂直的磁场中时,在垂直于电流和磁场的方向,该导体或半导体的两侧会产生一个电势差，由于电流在磁场中会产生电势差，所以导体中的电流在磁场中时是呈梯度分布的，且导体中电流密度越大的部分，其性能变化越显著，并且可以通过测量电势差的大小来进而可以控制金属中梯度分布的电流的大小。

因此通过以上的理论支持和研究发现，为制备功能梯度材料提供一个全新的方法，通过霍尔效应的原理，可在轧制过程中对轧件施加一个可控的脉冲电流以及一个可控磁感应强度和方向的磁场，同时在轧制时可测量金属板材两端的电势差，控制金属板材内的梯度电流的分布，即金属板材中电流密的分布，以此来完成功能梯度材料的制备。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于霍尔效应制备功能梯度材料的轧制装置及方法。本发明受到金属的电塑性效应以及霍尔效应的启示，在金属板材的轧制工艺过程中施加一个沿金属板材长度方向可控的恒定磁场，并且沿金属板材厚度方向通入脉冲电流，由于磁场的影响，使得脉冲电流沿金属板材的宽度方向呈梯度分布，又因为霍尔效应的原理，本发明可以测量金属板材宽度方向的电势差，通过控制磁场大小和方向以及脉冲电流的大小，可以精确控制金属板材中梯度分布的电流情况，进而控制了脉冲电流在金属板材中宽展方向的密度，脉冲电流的电流密度不同，其加工后的材料性能也会不同，使得被轧的金属板材沿其宽展方向的性能呈现梯度分布，从而制备具有功能梯度的金属板材。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：