专利名称：固态搅拌材料制备及改性方法
技术领域：
本发明涉及一种块体材料制备及改性方法，特别是采用磨擦搅拌技术制备块体合金材料、复合材料、纳米材料、非晶材料、其它非平衡态材料和使块体原材料改性的方法。
背景技术：
机械合金化技术最早由美国的Benjamin提出，并成功地采用该技术制备了氧化物弥散强化合金。其基本过程和原理是将不同粉末在高能球磨机中进行球磨，粉体在磨球的不断碰撞、挤压和冲击下，不断重复地产生变形、断裂和焊合，通过原子间的相互扩散或固相反应合成新的合金粉末。粉末颗粒在不断的变形和断裂过程中，产生大量新鲜表面，加速了固相扩散或固相反应速度。近几十年来，该技术有了很大的发展，已经可用来生产复合材料、非晶体和纳米合金粉末以及非平衡态材料。
值得注意的是上述机械合金化技术所制备的最终产品都是粉末，必须通过粉末的压制、烧结或其它固结手段成型，然后制备或加工成终形产品，并且球磨机械合金化工艺周期长。T.Aizawa等人提出了块材机械合金化(BulkMechanical Alloying，BMA)技术，通过周期性的外部载荷作用(在一定的温度下)使模具中的粉体重复变形直至发生合金化，同时使合金粉体固结。虽然此工艺可以制备合金块材，但使用的原料仍然为粉末，且块材是通过烧结成型的，因此制备的产品不可能完全致密。T.Ishikawa等人利用铝箔和铜粉、镁粉来制备具有超塑性的铝合金，虽然使用了铝箔作为原料，但合金化的产品却仍为合金粉末。因此，传统的机械合金化技术存在如下几个问题(1)终形产品是合金粉末，通常情况下必须通过其它的固结方法，如粉末冶金的压制和烧结等才能得到块体材料；
(2)容易产生粉体的飞溅，工作环境恶劣，污染环境；(3)使用粉末原材料，不仅成本较高，而且颗粒表面有氧化物等杂质，难以制备高纯度的合金材料；(4)需要真空或惰性气体保护，增加了工艺成本；(5)工艺周期长。
发明内容
本发明的技术解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种不需压制和烧结等后续成型工序的制备块体合金、复合材料、纳米材料、非晶材料和其它非平衡态材料的固态搅拌制备方法以及材料的改性方法。该方法具有工艺简单、高效、成本低、节约能源、无污染等特点，具有环保功能。
本发明的技术解决方案是固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于利用机械的摩擦搅拌作用，使搅拌区的固态材料充分搅拌混合均匀，实现材料的制备及改性，其具体步骤为以块体材料或中间夹有粉末材料的块体材料作为原料，在一定的搅拌压力作用下，将搅拌头旋转着插入到需要搅拌的料材中，搅拌头在高速旋转搅拌过程中，以设定的搅拌速度和挤压压力挤压前进；当搅拌头运动到适当位置时，改变搅拌头的挤压方向或旋转方向，使搅拌头沿原搅拌迹线往回移动，经过多次重复搅拌作用后，在搅拌头扫过的区域制备所需的合金材料、复合材料或使原材料改性；制备的最终产品仍为固态块体材料。
所述的块体材料为金属合金材料、非金属材料、复合材料、纳米材料、非晶材料或其它的非平衡态材料。
所述搅拌头的旋转速度为100-4000转/分钟，搅拌移动速度为0.01-30米/分钟，搅拌压力为0.1-200MPa，挤压压力为0.1-150MPa。
所述的金属合金材料为以一种金属为基、添加一种或多种合金元素形成的合金材料；非金属材料为高分子材料或无机非金属材料；复合材料为金属基复合材料，或陶瓷基复合材料，或高分子基复合材料；纳米材料为晶粒尺寸具有小于100纳米数量级的块体材料；非晶材料为金属非晶块体材料；非平衡态材料为成分超出平衡相图所限制的块体材料。
本发明的原理是通过搅拌头对块材原料的快速摩擦、搅拌所产生的热量，使摩擦区域的原材料处于热塑性状态，通过高速旋转的搅拌针使处于热塑性状态的原材料发生大的塑性变形，同时晶粒被破碎、细化。破碎的原材料在搅拌头的作用下不断地上下翻滚、重复混合。搅拌头在高速旋转搅拌过程中，以一定的速度沿某特定的方向向前挤压，当搅拌头运动到适当位置时，改变搅拌头的挤压方向或旋转方向，使搅拌头沿原搅拌迹线往回移动。经过多次的重复搅拌作用后，在搅拌头扫过的区域可制备所需的材料或使材料改性。由于搅拌过程中不同原材料组元之间可充分接触，不同颗粒之间存在完全清洁的界面，同时摩擦所产生的热量使原料温度升高，进一步提高扩散速度，达到加速材料界面扩散或固相反应的目的，因此该技术可作为一种机械合金化技术和制备复合材料的方法。同时，原材料中原位的晶粒破碎以及发生大的塑性变形，可改变原材料的性能，因此该技术还可作为一种材料改性的方法。经过不断地快速搅拌、破碎以及快速冷却，可使材料中的晶粒尺寸小于100μm，因此可以制备纳米块材；进一步的搅拌和冷却，可以制备非晶材料。
本发明与现有技术相比具有的优点如下(1)用块体材料(可添加部分粉末作为夹层置于块材之间)作为原料，避免了材料制备过程中的粉尘飞溅；在制备过程中，不需真空条件和气体保护；由于固态搅拌过程中不会出现液体，也没有气体产生；因此，该技术不仅节约了工艺成本，还是一种无污染的环保型技术；(2)通过搅拌头的高速旋转和一定的压力作用，可制备块材合金、复合材料、纳米材料、非晶材料和其它非平衡态材料，即制备的终形产品为固体块材，可直接进行后续的压力加工或热加工，不需压制和烧结或粘结；因此，与传统的机械合金化技术相比，该技术不仅简化了制备材料的工序，降低制备成本，更重要的是可以获得完全致密的块材材料，产品的性能可得到进一步提高；(3)合金化或材料的复合化过程是在块体材料内部进行的，可避免材料的氧化以及杂质的引入，利于制备高纯度的合金或复合材料；(4)搅拌头与原料之间的摩擦热绝大部分转化为材料制备所需的能量；因此该技术具有节约能源的特点，工艺周期短；(5)该技术要求的工况条件宽松，设备简单，利于实现自动化生产，可提高生产效率。
图1为本发明固态搅拌材料制备方法原理示意图；图2为本发明固态搅拌材料制备或改性方法原理示意图；图3为本发明实施例1采用叠层材料制备合金的固态搅拌合金化工艺过程；图4为本发明实施例2采用叠层材料制备合金的固态搅拌合金化工艺过程；图5为本发明采用叠层材料和粉末制备合金的布料方式；图6为本发明采用的固态搅拌材料制备及改性设备结构示意图。
具体实施例方式
实施例1，如图1、2所示，利用图6所示的固态搅拌材料制备及改性设备制备镁-铝合金材料。原材料A、B分别为纯镁和纯铝。设备由搅拌头1、驱动系统2、工作台3、控制系统4和压力系统5组成。整个设备的动作由控制系统4控制，工作台3用来固定样品，压力系统5提供搅拌头1工作过程中所需的搅拌压力和工作台3移动所需的挤压压力；搅拌头1的旋转速度、下行速度以及工作台3的移动定位由系统的驱动系统2控制。
具体的制备过程为(1)把原材料镁，铝板材交替叠放在一起，如图3a所示；(2)把叠层材料固定在工作台3上，如图3b所示；(3)把搅拌头1的搅拌针旋转着沿叠层方向或以一定的角度(＜90°)插入叠层材料中，如图3c所示；(4)调整控制设备4使搅拌头1以ω＝500-3000转/分钟的速度旋转，同时驱动工作台3沿着一定方向向前挤压，移动速度V＝0.1-10米/分钟，搅拌压力P＝40-200MPa，如图3d所示；(5)搅拌头1移动到所设定的位置时，改变搅拌头1的旋转方向，再往相反方向移动工作台3，重复上述(4)过程，直至获得所需的镁-铝合金为止。
实施例2，如图4所示，以原材料纯镁A和纯铝B制备镁-铝合金的机械合金化过程为(1)将镁、铝交替叠放在一起，如图4a所示；(2)把叠层材料镁和铝固定在工作台3上，如图4b所示；(3)把搅拌头的搅拌针旋转着沿叠层的界面方向插入叠层材料中，如图4c所示；(4)使搅拌头高速旋转，转速为ω＝500-3000转/分钟，并沿叠层界面方向移动，搅拌针移动速度为V＝0.1-10米/分钟，搅拌压力P＝40-200MPa，如图4d所示；(5)往相反方向移动搅拌头，重复过程(4)，直至获得所需的镁-铝合金为止。
实施例3，以纯镁板材和铝粉末制备镁-铝合金的机械合金化为例，其布料方式为图5所示，工艺过程同实施例1或实施例2。
实施例4，以由两种不同高分子板材制备高分子复合材料为例，其工艺过程同实施例1或实施例2。其中，搅拌头旋转速度ω＝100-1000转/分钟，搅拌针移动速度为V＝1-10米/分钟，搅拌压力P＝0.1-40MPa。
实施例5，以金属板材和第二相颗粒制备颗粒增强金属基复合材料为例，其布料方式如图5所示，工艺过程同实施例1或实施例2。
实施例6，以聚乙烯板材和炭黑颗粒制备PTC材料为例，其布料方式如图5所示，工艺过程同实施例1或实施例2。其中，搅拌头旋转速度ω＝100-1000转/分钟，搅拌针移动速度为V＝1-10米/分钟，搅拌压力P＝0.1-40MPa。
实施例7，以金属铜块材制备铜纳米材料为例。其工艺过程为(1)把铜块材固定在工作台3上并置于水或油中；
(2)其余工艺过程同实施例1或实施例2。
实施例8，以金属铜块材制备铜非晶材料为例。其工艺过程同实施例7。
实施例9，以金属铝板材和铅板材制备由互不相溶的铝、铅组成的非平衡态材料。其工艺过程为(1)按材料成分设计要求，选取一定厚度比例的金属铝、铅板材，按图3a所示的布料方式把原料叠放在一起；(2)工艺过程同实施例1或实施例2。
实施例10，以金属铝表面层晶粒细化为例。其工艺过程为(1)将金属铝材固定在工作台3上；(2)把搅拌头1的搅拌针旋转着插入金属铝中，如图4c所示；(3)使搅拌头高速旋转，转速为ω＝500-3000转/分钟，并沿金属铝表面某方向移动，搅拌针移动速度为V＝0.1-10米/分钟，如图4d所示；(4)往相反方向移动搅拌头，重复过程(3)，直至获得所需晶粒尺寸的铝表面层为止。
权利要求
1.固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于利用机械的摩擦搅拌作用，使搅拌区的固态材料充分搅拌混合均匀，制备新的材料或使原材料改性，其步骤为以块体材料或中间夹有粉末的块体材料作为原料，在一定的搅拌压力作用下，将搅拌头旋转着插入到需要搅拌的材料中，搅拌头在高速旋转搅拌过程中，以设定的搅拌速度和挤压压力挤压前进；当搅拌头运动到适当位置时，改变搅拌头的挤压方向或旋转方向，使搅拌头沿原搅拌迹线往回移动；经过多次重复搅拌作用后，在搅拌头扫过的区域可制备所需的固态块体产品或使原材料改性，制备的最终产品仍为固态块体材料。
2.根据权利要求1所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的块体原材料为纯金属、或金属合金材料、或非金属材料、或复合材料。
3.根据权利要求1所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的最终固态块体产品为纯金属、或金属合金材料、或非金属材料、或复合材料、或纳米材料、或非晶材料，或其它非平衡态材料。
4.根据权利要求1所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述搅拌头的旋转速度为200-4000转/分钟。
5.根据权利要求1所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的搅拌头移动速度为0.01-30米/分钟。
6.根据权利要求1所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的搅拌压力为0.1-200MPa。
7.根据权利要求1所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的挤压压力为0.1-150MPa。
8.根据权利要求2或3所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的金属合金材料为以一种金属为基、添加一种或多种合金元素形成的合金材料。
9.根据权利要求2或3所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的非金属材料为高分子材料或无机非金属材料。
10.根据权利要求2或3所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的复合材料为金属基复合材料，或陶瓷基复合材料，或高分子基复合材料。
11.根据权利要求2或3所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的纳米材料为晶粒尺寸具有小于100纳米数量级的块体材料。
12.根据权利要求2或3所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的非晶材料为金属非晶块体材料。
13.根据权利要求2或3所述的固态搅拌材料制备及改性方法，其特征在于所述的非平衡态材料为成分超出平衡相图所限制的块体材料。
全文摘要
固态搅拌材料制备及改性方法，通过摩擦搅拌头对块体原料的快速摩擦、搅拌所产生的热量，使摩擦区域的原材料处于热塑性状态，并通过高速旋转的搅拌针使处于热塑性状态的原材料发生大的塑性变形并伴随晶粒破碎、细化，同时破碎的原材料在搅拌头的作用下不断地上下翻滚、重复混合；在搅拌过程中，搅拌头以一定的速度沿某方向移动。经多次来回搅拌后，在搅拌头经过的地方即可制备所需的块体合金、复合材料或改变原材料的性能。本发明工艺简单、高效、成本低、节约能源、无污染，具有环保功能。
文档编号B01F7/16GK1666812SQ20041000343
公开日2005年9月14日 申请日期2004年3月10日 优先权日2004年3月10日
发明者张涛, 段辉平, 席文君 申请人:北京航空航天大学