一种金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置及其方法与流程

1.本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及金属基颗粒增强复合材料添加装置及其制作方法。


背景技术：

2.近年来，随着能源环境问题凸显，工业设计、制造以及应用对金属材料性能的要求越来越高，金属基复合材料，特别是以轻金属为基体的复合材料因其密度低，机械性能优异，还兼具多种功能特性，已成为军事国防、航天航空等高技术领域不可缺少的轻量化结构材料和功能材料，并在交通、电子、能源、环境等国民经济和高新技术领域获得了越来越多的应用。
3.在颗粒增强金属基复合材料中，纳米颗粒是否均匀分布也是复合材料获得优异力学性能的关键所在。但是由于纳米纳米颗粒的比表面积大、表面能比较高等原因容易团聚，最直接的影响是团聚后的纳米级增强体颗粒的“聚集体”尺寸大，失去了纳米颗粒的增强效果。同时，团聚后的纳米纳米颗粒会造成基体与增强体颗粒之间的润湿变差，导致界面结合能力变差，最终在力学实验时导致复合材料失效，性能下降。因此，获得均匀分布的纳米颗粒对金属基复合材料力学性能的提升是至关重要的。
4.然而，由于各种与轻合金基体性质差异较大的增强体的引入，导致了轻金属基复合材料塑韧性差、制备过程难以控制、大批量制备等一系列问题。现阶段铸造熔体只在10kg级通过超声设备进行了相关工艺试验，无相关大量新型铸造添加方式。也有通过粉末冶金的方式烧结，但其成本高，效率低。因此，轻金属基复合材料研究的主要目标是实现大批量合金液基体中添加增强颗粒。
5.因此，为解决上述现有技术中存在的问题，本发明在轻金属基复合材料加入方式、添加设备的创新。引入高性能纳米增强体，利用轻金属基复合材料中增强体、基体的纳米尺寸效应，以及设计多峰分布、层状、网状等有序的复合构型等方式在轻金属基复合材料中起到了良好的综合性能强化效果。


技术实现要素：

6.本发明针对上述现有技术中的纳米纳米颗粒容易团聚，并最直接的影响是团聚后的纳米级增强体颗粒的“聚集体”尺寸大，失去了纳米颗粒的增强效果的技术问题，提出一种金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置。
7.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.本发明提供一种金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，包括：
9.电磁振动平台：用于调节不同的电磁振幅和频率；
10.送粉装置：固定设置于电磁振动平台上，将纳米颗粒送入一雾化罐，在电磁振动平台的振动作用及加压气体作用下，纳米颗粒产生雾化效应，生成雾化纳米颗粒；
11.旋转喷吹设备：连接送粉装置的出口，通过旋转喷吹设备在一定的转速下旋转将
雾化纳米颗粒分散在金属基体溶液中，并在超声作用下，使雾化纳米颗粒均匀分散在金属基体溶液中。
12.优选的，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，还包括：
13.主体支撑架：固定设置于电磁振动平台上，送粉装置固定设置于主体支撑架内；
14.干燥过滤器：干燥过滤器的一端通过高压气管与送粉装置进气管连接，干燥过滤器的另一端通过气体流量计与一进气瓶气口连接；
15.坩埚：旋转喷吹设备设置于坩埚内部，坩埚用于存放金属基体溶液。
16.优选的，上述送粉装置包括：
17.雾化罐：固定设置于主体支撑架内，位于送粉装置底部，通过第一进气管连接进气瓶，通过出气管连接旋转喷吹设备，用于进行纳米颗粒的雾化后输出；
18.储粉箱：位于送粉装置顶部，通过进粉管连接雾化罐，通过第二进气管连接进气瓶，用于进行纳米颗粒的储存及向雾化罐进行纳米颗粒输送。
19.优选的，上述雾化罐包括：
20.第一气体压力表：设置于雾化罐顶部；
21.单向阀：单向阀进气端与进粉管连接；
22.球阀：连接单向阀和进粉管。
23.储粉箱包括：
24.第二气体压力表：设置于储粉箱顶部。
25.优选的，上述金属基复合材料为铝基复合材料。
26.优选的，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，出气管设置于雾化罐顶部，第一进气管设置于雾化罐底部，第二进气管设置于储粉箱顶部。
27.优选的，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，主体支撑架包括：
28.支撑底座：呈圆环状结构，支撑底座上均匀设置底部支撑筋；
29.第一环形箍带：设置于底部支撑筋内侧相切；
30.顶部支撑座：呈圆环状结构，设置于底部支撑筋顶部，顶部支撑座均匀设置有顶部支撑筋；
31.第二环形箍带：设置于顶部支撑筋顶部。
32.优选的，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，旋转喷吹设备的两侧设置有至少一个超声处理器。
33.优选的，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，进粉管穿过雾化罐顶部，深入到雾化罐底部。
34.本发明还提供一种金属基纳米颗粒增强复合材料添加方法，应用于金属基复合材料中的添加纳米颗粒，采用如上所述的金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，方法包括如下步骤：
35.(1)调节电磁振动平台不同的电磁振幅和频率；
36.(2)将纳米颗粒送入雾化罐，在电磁振动平台的振动作用及加压气体作用下，纳米颗粒产生雾化效应，生成雾化纳米颗粒；
37.(3)通过旋转喷吹设备在一定的转速下将雾化纳米颗粒分散在预溶解的金属基体溶液中，并在超声作用下，使雾化纳米颗粒均匀分散在基体溶液中。
38.相比于现有技术，本发明的积极效果在于：
39.(1)本发明提供了一种金属基颗粒增强复合材料添加装置，该熔体添加装置保证了纳米颗粒在进入熔体前分散性，防止了直接加入熔体的团聚现象，同时保证了纳米颗粒能顺利加入到基体中；
40.(2)本发明提供的金属基增强纳米颗粒添加装置通过主体支撑架及送粉机构组合装置的设置，保证了金属合金熔炼过程中纳米增加强颗粒能有效添加入基体溶液；
41.(3)本发明同时保证了纳米颗粒添加量的可控性、纳米增强颗粒均匀性，有效改善了纳米材料难以制备及制造效率低的问题，具备出气均匀、高效等优点，特别适用于铸造铝基复合材料的批量制备。
附图说明
42.图1为本发明金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置示意图；
43.图2为本发明具体实施例送粉装置；
44.图3为本发明具体实施例主体支撑架。
45.以上各图中：
46.1、电磁振动平台；2、送粉装置；21、第一进气管；22、底部雾化罐；23、出气管；24、气体压力表；25、单向阀；26、球阀27、进粉管；28、储粉箱；29、第二进气管；210、气体压力表；211、装料口堵头；3、主体支撑架；31、支撑底座；32、第一环形箍带；33、底部支撑筋；34、顶部支撑座；35、顶部支撑筋；36、第二环形箍带；4、干燥过滤器；5、气体流量计；6、氩气瓶；7、旋转喷吹设备；8、坩埚；9、熔体超声处理器。
具体实施方式
47.下面将结合附图对本发明具体实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明总的技术方案的部分具体实施方式，而非全部的实施方式。基于本发明的总的构思，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都落于本发明保护的范围。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
49.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.针对上述纳米纳米颗粒容易团聚的问题，本发明提供了一种金属基颗粒增强复合材料添加装置，该熔体添加装置保证了纳米颗粒在进入熔体前分散性，防止了直接加入熔
体的团聚现象，同时保证了纳米颗粒能顺利加入到基体中。
52.请参阅图1至图3。图1为本发明金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置示意图，图2为本发明具体实施例送粉装置，图3为本发明具体实施例主体支撑架。
53.如图1至图3所示，本发明实施例的本发明提供一种金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，包括：
54.电磁振动平台1：用于调节不同的电磁振幅和频率；电磁振动平台1，安装于添加装置下，所述电磁振动平台1上设有定位销柱；电磁振动平台具备变频，调节振幅功能。
55.送粉装置2：固定设置于电磁振动平台1上，将纳米颗粒送入雾化罐22，在电磁振动平台1的振动作用及加压气体作用下，纳米颗粒产生雾化效应，生成雾化纳米颗粒；
56.旋转喷吹设备7：连接送粉装置2的出口，通过旋转喷吹设备7在一定的转速下旋转将雾化纳米颗粒分散在金属基体溶液中，并在超声作用下，使雾化纳米颗粒均匀分散在金属基体溶液中。其中，金属基复合材料为铝基复合材料。
57.进一步的，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，还包括：
58.主体支撑架3：固定设置于电磁振动平台1上，送粉装置2固定设置于主体支撑架3内；
59.干燥过滤器4：干燥过滤器4的一端通过高压气管与送粉装置2进气管连接，干燥过滤器4的另一端通过气体流量计5与一进气瓶6气口连接；
60.坩埚8：旋转喷吹设备7设置于坩埚8内部，坩埚8用于存放金属基体溶液。其中，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，旋转喷吹设备7的两侧设置有至少一个超声处理器9。
61.其中，上述送粉装置2包括：
62.雾化罐22：固定设置于主体支撑架3内，位于送粉装置2底部，通过第一进气管21连接进气瓶6，通过出气管23连接旋转喷吹设备7，用于进行纳米颗粒的雾化后输出；
63.储粉箱28：位于送粉装置2顶部，通过进粉管27连接雾化罐22，通过第二进气管29连接进气瓶6，用于进行纳米颗粒的储存及向雾化罐22进行纳米颗粒输送。优选的，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，进粉管穿过雾化罐顶部，深入到雾化罐底部。
64.其中，上述雾化罐22包括：
65.第一气体压力表24：设置于雾化罐22顶部；单向阀25进气端与进粉管27连接；球阀26连接单向阀25和进粉管27。
66.储粉箱28包括：
67.第二气体压力表210：设置于储粉箱28顶部。其中，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，出气管23设置于雾化罐22顶部，第一进气管21设置于雾化罐22底部，第二进气管29设置于储粉箱顶部。
68.其中，上述金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，主体支撑架3包括：
69.支撑底座31：呈圆环状结构，支撑底座31上均匀设置底部支撑筋33；
70.第一环形箍带32：设置于底部支撑筋33内侧相切；
71.顶部支撑座34：呈圆环状结构，设置于底部支撑筋33顶部，顶部支撑座34均匀设置有顶部支撑筋35；
72.第二环形箍带36：设置于顶部支撑筋35顶部。
73.主体支撑架3，放置于电磁振动平台1上，主体支撑架3底部上穿设有一可连接电磁平台定位销柱的支撑底座31。
74.主体支撑架3进一步包括：
75.支撑底座31，呈圆环状结构，有三处均布的定位圆孔；四处底部支撑筋33，固定于支撑底座31上；第一环形箍带32，安装于底部支撑筋33内侧相切；顶部支撑座34，安装于四处底部支撑筋33顶部，顶部支撑座34呈圆形，中间留有圆孔。四处顶部支撑筋35，固定于顶部支撑座34顶部，均匀分布；第二环形箍带安装于顶部支撑筋35四周顶部平齐。
76.以下结合附图对本发明具体实施例进行详细说明：本技术提供了金属基颗粒增强复合材料添加装置，该装置包括：
77.如图2和3所示，1、电磁振动平台；2、送粉装置(21、第一进气管；22、底部雾化罐；23、出气管；24、气体压力表；25、单向阀；26、球阀27、进粉管；28、储粉箱；29、第二进气管；210、气体压力表；211、装料口堵头)；3、主体支撑架(31、支撑底座；32、第一环形箍带；33、底部支撑筋；34、顶部支撑座；35、顶部支撑筋；36、第二环形箍带)；4、干燥过滤器；5、气体流量计；6、氩气瓶；7、旋转喷吹设备；8、坩埚；9、熔体超神处理器。
78.如图2所述，本实施例提供了送粉装置2，包括：
79.第一进气管21焊接于一底部雾化罐22一侧，出气管23焊接于一底部雾化罐22另一侧；气体压力表23通过螺纹连接于雾化罐22顶部；进粉管27沿中心穿过雾化罐22顶部焊接，进粉管26深入雾化罐22距底部55mm；进粉管27靠近雾化罐22一端接通一单向阀25出气端，单向阀25进气端与进粉管27通过螺纹连接；在靠近单向阀25进气端的进粉管27上通过螺纹连接球阀26；在进粉管27顶部通过螺纹连接储粉箱28；在储粉箱28一侧焊接一第二进气管29；在储粉箱28顶部中央焊接一气体压力表210；在储粉箱28顶部一侧通过螺纹连接装料口堵头211。
80.如图3所述，本实施例提供了主体支撑架3，包括：
81.支撑底座31，呈圆环状结构，有三处均布的定位圆孔；四处底部支撑筋32，通过螺纹固定于支撑底座31上；第一环形箍带33，焊接相切于底部支撑筋32内侧；顶部支撑座34，通过螺纹固定于四处底部支撑筋32顶部，顶部支撑座35呈圆形，中间留有圆孔。四处顶部支撑筋35，焊接固定于顶部支撑座34顶部，均匀分布。环形箍带2焊接于四处顶部支撑筋35顶部平齐。
82.如图1所述，本实施例提供了一种金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，包括：
83.电磁振动平台1；主体支撑架3通过定位销孔及电磁平台1销柱通过螺母紧固；送粉装置2安装于主体支撑架3框中；干燥过滤器4一端，通过高压气管与送粉装置2底部第一进气管21连接。干燥过滤器4另一端，与气体流量计5一端连接；气体流量计5另一端与氩气瓶6出气口连接；旋转喷吹设备7石墨管口进气口与送粉装置2出气管23通过高压气管连接。旋转喷吹设备7放置在坩埚8上，两侧安装有2处熔体超声处理器9。
84.在其中一些实施例中，送粉装置2进一步包括：
85.底部雾化罐22，固定于主体支撑架3底部；进气管1，焊接与雾化罐22底部一侧；干燥过滤器4一端通过气管连接第一进气管21；气体流量计5与干燥过滤器4另一端相连；氩气瓶6通过螺纹与气体流量计5相连；出气管23焊接与雾化罐22顶部另一侧；旋转喷吹设备7通过高压气管连接出气管23，旋转喷吹石墨管深入金属熔体液面下；两个熔体超声处理器9安
装在旋转喷吹设备7两侧；电阻坩埚炉8将旋转喷吹设备7放置在坩埚8法兰上口部；气体压力表24通过螺纹连接于雾化罐22顶部；进粉管27穿过雾化罐22顶部，深入到雾化罐22底部，通过焊接连接于所述雾化罐22顶部；单向阀25通过螺纹连接于进粉管27两端；球阀26通过螺纹连接于进粉管27上，位置在单向阀25前；锥形储粉箱28通过螺纹连接于进粉管27顶部，储粉箱28顶部密封。气体压力表24通过螺纹连接于储粉箱28顶部；装料口堵头，通过螺纹固定在储粉箱28顶部；进气管2焊接于储粉箱28顶部一侧。干燥过滤器4一端通过气管连接进气管2；气体流量计5与干燥过滤器4另一端相连；氩气瓶6通过螺纹与气体流量计5相连。
86.本发明还提供一种金属基纳米颗粒增强复合材料添加方法，应用于金属基复合材料中的添加纳米颗粒，采用如上所述的金属基纳米颗粒增强复合材料添加装置，方法包括如下步骤：
87.(1)调节电磁振动平台不同的电磁振幅和频率；
88.(2)将纳米颗粒送入雾化罐，在电磁振动平台的振动作用及加压气体作用下，纳米颗粒产生雾化效应，生成雾化纳米颗粒；
89.(3)通过旋转喷吹设备在一定的转速下将雾化纳米颗粒分散在预溶解的金属基体溶液中，并在超声作用下，使雾化纳米颗粒均匀分散在基体溶液中。
90.在本发明具体实施例中，本技术提供的一种采用上述纳米颗粒添加装置的纳米颗粒添加方法，包括如下步骤：
91.熔炼坩埚8中投入需要熔化的金属锭，在金属锭快要融化形成半固态时，将多个通气管分别通过耐高压气管并经干燥过滤器4连接高纯氩气瓶6；打开气瓶开关，高纯氩气进入到储粉箱28与雾化罐22中，通过流量计5调节送粉大小；
92.调节电磁振动平台1振幅及频率，打开球阀26，使纳米颗粒能顺利进入雾化罐22，当气体通过单向阀25进入雾化罐22底部后，连通雾化罐22进气口的流量计开始加压送气，使进入雾化罐22底部的纳米颗粒，随底部进气管气流分散，开始产生雾化效应，将纳米颗粒随气体抬升雾化罐22顶部，单向阀25防止气体反流，促使雾化后气体从雾化罐出气口进入旋转喷吹设备7，经过旋转喷吹设备石墨管，进入到半固态金属液中，通过旋转喷吹设备7在一定的转速下将纳米颗粒的分散在金属基体中，超声设备9开启，对溶液及纳米颗粒在一定的功率下，一定时间内进行超声处理，使得纳米颗粒能够均匀的分散在基体溶液中。
93.综上所述，本发明采用金属基增强纳米颗粒添加装置通过主体支撑架及送粉机构组合装置的设置，保证了金属合金熔炼过程中纳米增加强颗粒能有效添加入基体溶液，同时保证了纳米颗粒添加量的可控性、纳米增强颗粒均匀性，有效改善了纳米材料难以制备及制造效率低的问题，具备出气均匀、高效等优点，特别适用于铸造铝基复合材料的批量制备。
94.以上所述为本发明的具体实施方式，其目的在于让技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，任何根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘出或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各部件和工艺方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。