专利名称：材料层合与成形一体化方法
技术领域：
本发明涉及材料层合与成形技术领域，具体是指一种材料层合与成形一体化方法。
背景技术：
层合方法及层合材料有着广泛应用木板可以通过粘结胶层合在一起制成胶合板；具有印刷图案的纸和布的底面涂上胶可以层合在墙壁、家具或玻璃表面上起装饰作用；可以在金属或塑料的外表面层合一层聚酯；可以把不同的金属带材通过轧制的方法层合在一起。上述多种情况下层合在一起的两种材料并不能牢固地结合在一起，各层材料之间的层合面是层合的薄弱环节，层合材料在受力条件下或长时间使用过程中容易沿层合面分离开，不能保证结合层的可靠性；而且在实际应用中，上述层合方式对层合材料与及操作工艺都有严格的要求，适用面较窄，当层合面凹凸不平时很难保证层合面的层合质量。而对于通过焊接、铆接、钉接等机械连接方法将不同的材料层合在一起的层合方式，由于所层合的两种材料并不能很好在紧密贴合在一起，在层合面具有大小不一的缝隙，所以不能应用于对层合质量要求很高的场合。目前常规的层合过程是先分别制造出两种不同材料(或两种不同材料构成的零件)，然后用胶合、焊合以及铆接、钉接等机械连接方法进行层合，无法大面积地将陶瓷与金属这样性质截然不同的材料有效地层合在一起。中国03140401.4号专利申请公开了一种通过将不同层材料的互相渗透结合在一起，从而获得具有新型功能的层合材料的方法，制备出如陶瓷与金属、金属与高分子材料、陶瓷与高分子材料等层合材料。但该技术仍存在一定局限，制备成的例如陶瓷与金属的层合板不能进行弯曲变形加工(否则层合板的陶瓷面会破裂)，无法构造出不同形状和尺寸的零件。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种材料层合与成形一体化方法。该方法实现了无层合缝隙、结合强度高、牢固可靠，适用于不同材料的层合，在成形零件的同时将两种不同性质的物质材料层合在一起。
本发明的目的通过下述技术方案实现所述一种材料层合与成形一体化方法包括如下步骤和工艺条件第一步制备具有一定形状和尺寸的表面具有多孔隙的片状材料；第二步采用所述片状材料作为流体材料成形模具型腔的一部分，构成流体材料成形的模具；第三步将流体材料输入模具型腔中，使部分流体材料进入片状材料表面的孔隙，并填充在孔隙中，部分流体材料保留在片状材料孔隙的外面与孔隙中的流体材料相连填充在模具型腔中；第四步使流体材料固化，从而使固化了的流体材料与表面具有多孔隙的片状材料牢固地层合在一起，同时形成由两种材料层合后与模具型腔形状和尺寸一致的零件。
为了更好地实现本发明，所述第二步将表面具有多孔隙的片状材料组合构成模具型腔；所述第三步在流体材料上施加压应力，将流体材料压入材料表面的孔隙中，并充分填充在孔隙内；所述第三步流体材料通过液体浸渗进入片状材料表面的孔隙；所述第三步在真空环境下使流体材料进入片状材料表面的孔隙中；所述流体材料固化采用定向凝固；所述表面具有多孔隙的片状材料是单面多孔或双面多孔的片状材料；所述表面具有多孔隙的片状材料包括多孔陶瓷、多孔金属、多孔复合材料；所述多孔陶瓷为陶瓷粉末经压制烧结后获得的多孔隙陶瓷，陶瓷粉末包括氧化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末、硼化物陶瓷粉末、硅化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末；所述流体材料是常温下为固体，通过加热可转变成流体的材料，如常用的金属材料，包括纯金属及合金，可以是铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铁及铁合金和钢、硅及硅合金、镍及镍合金、铅及铅合金、锡及锡合金、锌及锌合金、钛及钛合金；或是常温下为固体，通过加热可转变成具有触变流动性能的半固态材料，如玻璃以及热塑性塑料、橡胶等有机材料。
本发明与现有层合技术相比，具有如下优点和有益效果1、本发明在材料成形的同时可以将采用常规方法难以层合在一起的不同材料，如陶瓷与金属、金属与高分子材料、陶瓷与高分子材料等牢固地结合在一起。例如可以一面是金属、另一面是陶瓷，陶瓷与金属牢固可靠地结合在一起，并成型为具有一定形状和尺寸的零件。
2、本发明通过不同层材料的互相渗透使其结合在一起，无需使用粘结胶，与粘结等层合方法相比，被层合的物质相互包含，没有明确的粘合分界面，两种不同的物质结合在一起的层合强度更高，可靠度更高，可应用于对层合要求较严格的场合。
3、本发明工艺步骤简单，操作方便，实施容易，生产成本较低，适合于大批量工业生产，应用范围广，市场前景好。
图1是本发明实施例一种制造单面具有多孔隙片状材料方法所用装置的结构示意图；图2是本发明实施例一种制造的一面具有多孔隙、另一面为无孔隙的陶瓷瓦片示意图；图3是本发明实施例一种层合与定向凝固一体化成形模具的结构示意图；图4是本发明实施例一制备的零件横截面的材料分布形式示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一本实施例所要制备的是外表面为陶瓷层、内表面为铝合金的薄壳形铸件。
本实施例的具体步骤及工艺条件如下首先采用如图1所示的装置，将具有触变性能的半固态陶瓷粘土泥由隔板1分隔的料仓2中的左边开口2-1输入料仓2，将混有易气化发泡颗粒的半固态陶瓷粘土泥从料仓2的右边开口2-2输入料仓2，经过轧辊3和轧辊4的轧制，得到半固态陶瓷粘土泥板坯，按需要的长度剪断，然后用模具成形为具有一定形状和尺寸的瓦坯，如图2所示(瓦坯的形状和尺寸依据其在层合与定向凝固一体化成形模具中的位置确定)，再烘干，焙烧，在焙烧过程中，泡沫材料燃烧变成气体，在板坯的一面形成孔隙，焙烧结束之后，板坯变成坚硬的一面具有多孔隙、另一面为无孔隙的陶瓷瓦片材料。
如图3所示，将陶瓷瓦片11合在模腔中(部分或整个模腔都可以由陶瓷瓦片11构成)。模块9和模块12由螺钉锁紧，组合成铸型，冒口10插入铸型一端内，冒口10内设置有浇道8，由管件构成的空心冷却通道5通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热元件7通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接。将导线与加热元件7及温度传感器6相连，并接到控制系统。控制系统包括加热元件控制部分、冷却通道控制部分、热电偶温度采集部分，与PLC的I/O模块相连，经由界面操作控制。
在模腔表面涂上脱模剂，给分布在模块9、模块12、冒口10及浇道8上的加热元件7通电，将模块9、模块12、冒口10及浇道8预热到420℃，然后将过热到720℃的铝合金液浇到冒口10中，铝合金液经浇道8进入型腔，并排出型腔内的气体，直至型腔内充满铝合金液，并且冒口10中保留有足够补缩所需要的金属液。在此过程中，部分铝合金液流入陶瓷瓦片11的孔隙并填充在孔隙中，其它铝合金液填充在型腔中。分布在模块9、模块12、冒口10及浇道8上的温度传感器6测出各个部位的温度，加热元件7和由管件构成的空心冷却通道5通过获得的温度信息对铸型及铸型内的铝合金液进行保温或冷却，既可单独控制每根由管件构成的空心冷却通道5中冷却液的通断及供液量的大小，也可以单独控制每个加热元件7的通断及功率的大小。冷却过程开始时，首先给铸型最底下的空心冷却通道5通冷却水，使铝合金液从最底下开始结晶，结晶面不断由下向上移动，通过获得各部位的温度信息判断结晶面所处的位置，依次使分布在已结晶材料相接触的模具区域的加热元件7停止加热，使分布在与已结晶材料固相相接触的模具区域的空心冷却通道5通冷却水，随着结晶面不断由下向上移动，对加热元件7的加热和由管件构成的空心冷却通道5的冷却实行动态控制；当结晶面达到浇道8与型腔的过渡位置后，铸型内的铸件已完全形成，使所有加热元件断电，给所有空心冷却通道通冷却水，冒口10中的金属液体最后凝固。铸型中的铝合金完成定向凝固，铸型冷却之后，从铸型上卸下冒口10，打开模具，取出外表面为陶瓷层、内表面为铝合金的薄壳形铸件。获得横截面如图4示的材料分布形式，外层为耐高温的陶瓷13、内层为结构强度良好的铝合金14，中层的材料为多孔隙陶瓷层与渗入孔隙中的金属形成的互相包含的过渡层15，二者牢固地结合在一起的结构件。外层13可以起耐高温作用，内层15起结构强度作用。(采用铝液进行上述工艺的效果完全一样)在液态材料凝固过程中，能够始终保证结晶面与液态材料输入口或冒口之间通过液体材料相连通，液体材料能够连续不断地向结晶面补充由于液体材料凝固和温度降低造成的凝固收缩、液态收缩、固态收缩所需的材料，不会出现结晶面和液态材料输入口或冒口之间被凝固了的材料隔断的情况，不会出现缩松、缩孔、裂纹等铸造缺陷，同时材料的性能通过快速凝固得到了保证。在快速冷却过程中，按一定的程序冷却就可以了，无需再根据采集的温度信息进行控制。当冷却凝固过程程序确定之后，只要控制冷却通道通冷却水的时序。
上述过程可以在真空环境下进行，也可以在冒口的金属液面上施加压力，获得更好的效果。在液态材料输入口对液相材料施加压应力，在定向凝固过程中，压应力始终可以通过液相材料传递到结晶区域，使液态材料在压应力条件下结晶，从而获得具有更优良的组织性能。
双面具有多孔隙片状材料的加工原理与加工工艺与上述过程相同。
实施例二本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为铜或铜合金液体；多孔隙片状材料为氧化物陶瓷粉末经压制烧结后获得的多孔隙陶瓷。
实施例三本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为镁或镁合金液体；多孔隙片状材料为碳化硅陶瓷粉末(也可以是其它碳化物陶瓷粉末)经压制烧结后获得的多孔隙陶瓷。
实施例四本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为铁或铁合金或钢液体；多孔隙片状材料为硼化铁陶瓷粉末(也可以是其它硼化物陶瓷粉末)经压制烧结后获得的多孔隙陶瓷。
实施例五本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为硅或硅合金液体；多孔隙片状材料为硅化镁陶瓷粉末(也可以是其它硅化物陶瓷粉末)经压制烧结后获得的多孔隙陶瓷。
实施例六本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为镍或镍合金液体；多孔隙片状材料为氮化硅陶瓷粉末(也可以是其它氮化物陶瓷粉末)经压制烧结后获得的多孔隙陶瓷。
实施例七本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为铅或铅合金液体；多孔隙片状材料为多孔复合材料。
实施例八本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为锡或锡合金液体。
实施例九本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为锌或锌合金液体。
实施例十本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为钛或钛合金合金液体。
实施例十一本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为高分子聚合物(热塑性塑料)。
实施例十二本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于流体材料为高分子聚合物(橡胶)。
实施例十三本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于多孔隙材料为多孔金属(例如发泡钢、发泡铝合金)，流体材料为塑料。
如上所述，即可较好地实现本发明。
权利要求
1.一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，包括如下步骤和工艺条件第一步 制备具有一定形状和尺寸的表面具有多孔隙的片状材料；第二步 采用所述片状材料作为流体材料成形模具型腔的一部分，构成流体材料成形的模具；第三步 将流体材料输入模具型腔中，使部分流体材料进入片状材料表面的孔隙，并填充在孔隙中，部分流体材料保留在片状材料孔隙的外面与孔隙中的流体材料相连填充在模具型腔中；第四步 使流体材料固化，从而使固化了的流体材料与表面具有多孔隙的片状材料牢固地层合在一起，同时形成由两种材料层合后与模具型腔形状和尺寸一致的零件。
2.根据权利要求1所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述第二步将表面具有多孔隙的片状材料组合构成模具型腔。
3.根据权利要求1所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述第三步在流体材料上施加压应力，将流体材料压入片状材料表面的孔隙中，并充分填充在孔隙内。
4.根据权利要求1所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述第三步流体材料通过液体浸渗进入片状材料表面的孔隙。
5.根据权利要求1所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述第三步在真空环境下使流体材料进入片状材料表面的孔隙中；
6.根据权利要求1所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述第四步流体材料固化采用定向凝固。
7.根据权利要求1所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述表面具有多孔隙的片状材料是单面多孔或双面多孔的片状材料。
8.根据权利要求1或7所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述表面具有多孔隙的片状材料包括多孔陶瓷、多孔金属、多孔复合材料。
9.根据权利要求8所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述多孔陶瓷为陶瓷粉末经压制烧结后获得的多孔隙陶瓷，陶瓷粉末包括氧化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末、硼化物陶瓷粉末、硅化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末。
10.根据权利要求1所述一种材料层合与成形一体化方法，其特征是，所述流体材料是常温下为固体，通过加热可转变成流体的材料，包括纯金属及合金，即铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铁及铁合金和钢、硅及硅合金、镍及镍合金、铅及铅合金、锡及锡合金、锌及锌合金、钛及钛合金；或是常温下为固体，通过加热可转变成具有触变流动性能的半固态材料，包括玻璃以及热塑性塑料、橡胶。
全文摘要
本发明是一种材料层合与成形一体化方法，该方法是先制备具有一定形状和尺寸的表面具有多孔隙的片状材料；采用片状材料作为模具型腔的一部分，构成流体材料成形模具；将流体材料输入模具型腔中，使部分流体材料进入并填充片状材料表面的孔隙，部分流体材料保留在片状材料孔隙的外面与孔隙中的流体材料相连填充在模具型腔中；使流体材料固化，形成由两种材料层合后与模具型腔形状和尺寸一致的零件。本发明层合强度高，可靠度高，可应用于对层合要求较严格的场合。本发明工艺步骤简单，操作方便，实施容易，生产成本较低，适合于大批量工业生产，应用范围广，市场前景好。
文档编号B32B7/04GK1712215SQ20051003599
公开日2005年12月28日 申请日期2005年7月21日 优先权日2005年7月21日
发明者李元元, 周照耀, 陈普庆, 王郡文 申请人:华南理工大学