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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 一種制備半固態(tài)金屬陶瓷復(fù)合材料自定量均勻混
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 金屬陶瓷是在金屬基體中加入陶瓷顆粒粉體制得 又稱(chēng)彌散增強(qiáng)材料，其獨(dú)特的性能具有廣泛的使用價(jià)值，而該作品可以實(shí)現(xiàn)克服現(xiàn)有制作方法的缺點(diǎn)，使用比較輕便靈活，同時(shí)節(jié)約能源、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，還可以按一定比例進(jìn)行混合。能夠?qū)崿F(xiàn)自定量均勻混合的，制備組織均勻、顆粒細(xì)小的，金屬陶瓷復(fù)合材料。利用該裝置能有效改善金屬與陶瓷之間的混合均勻性和界面相容性，提高金屬陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。
- 詳細(xì)介紹：
- 1.研究?jī)?nèi)容與方法 我們團(tuán)隊(duì)的研究是設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)定量均勻添加增強(qiáng)顆粒的制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的裝置，研究?jī)?nèi)容包括顆粒的添加過(guò)程和金屬基復(fù)合材料的半固態(tài)鑄造過(guò)程。 本研究的方法包括利用繪圖軟件創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計(jì)、利用專(zhuān)業(yè)理論分析復(fù)合材料的半固態(tài)成形原理、動(dòng)手制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、機(jī)械加工實(shí)驗(yàn)裝置、利用設(shè)計(jì)和制作的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)置備獲得金屬陶瓷復(fù)合材料。 2 研究目標(biāo)和創(chuàng)新： 本研究的目標(biāo)是設(shè)計(jì)并制作一種能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)顆粒自定量均勻混合的制備金屬陶瓷復(fù)合材料的裝置。 其創(chuàng)新點(diǎn)是克服了機(jī)械攪拌法存在若干缺點(diǎn)如比較笨重、操作困難、生產(chǎn)效率低等以及電磁攪拌法設(shè)備投資大，工藝比較復(fù)雜，成本較高的缺點(diǎn)，并且使用比較輕便靈活。 3 均勻混合裝置的簡(jiǎn)單介紹 （1）基本原理： 整個(gè)裝置運(yùn)作的核心部件則是利用《液壓與氣壓傳動(dòng)》課所學(xué)的液壓齒輪泵工作原理，攪拌過(guò)程主要依靠?jī)蓚€(gè)相互嚙合的齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，人性化的設(shè)計(jì)突出以人為本的理念，方便使用與維護(hù)。 （2）整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)考慮 由于金屬容易被氧化，為避免雜質(zhì)氣體的進(jìn)入影響制備質(zhì)量，需要將整個(gè)裝置的工作部分密封起來(lái)，因此外面的方形外罩起到了與外界隔離的作用。同時(shí)方形外殼頂部直接開(kāi)三個(gè)口，兩個(gè)長(zhǎng)方形的口通入粉末及金屬液，而圓形的口則用來(lái)通入保護(hù)氣氮?dú)?。中心部分是裝置的核心，由兩個(gè)相互嚙合的齒輪組成其攪拌作用。外殼底部是一個(gè)長(zhǎng)方形槽，槽的一端開(kāi)口，并與外界連通，從槽內(nèi)流出的混合液便可以直接用于鑄造及試樣的分析使用，方便又經(jīng)濟(jì)！ 4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) （1）裝置材料 由于本裝置工作時(shí)跟液態(tài)鋁接觸，所以要求部分零件要能夠耐高溫。為經(jīng)濟(jì)又能達(dá)到目的決定采用在零件上涂上絕熱耐高溫材料 。在裝置中需在兩齒輪、液態(tài)鋁澆道內(nèi)壁還有底座上的流道內(nèi)壁涂上一層絕熱耐高溫材料RCC。底座采用鑄鐵材料，材料穩(wěn)定不易變形。對(duì)于上外殼、澆道、漏斗、氮?dú)馊肟?、手柄和支架都采?5鋼。齒輪基體采用碳素結(jié)構(gòu)鋼，實(shí)驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖1 圖1 制備金屬陶瓷復(fù)合材料的均勻混合裝置 （2）結(jié)構(gòu)及功能 A 豎直向下的圓管：氮?dú)馊肟冢捎诮饘偃菀妆谎趸?，避免雜質(zhì)氣體的進(jìn)入影響制備質(zhì)量，用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣。 B扁平管道：陶瓷粉末入口，提供陶瓷粉末。 C彎曲的扁平流道：金屬液流流經(jīng)的通道；作用：使金屬液順利地沖擊齒輪，從而為DE輪的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。 D主動(dòng)輪：接收彎曲的扁平流道中流出的金屬液，并在一定外界條件下（金屬液的重力沖擊或手動(dòng)攪拌）優(yōu)先開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)E的轉(zhuǎn)動(dòng)。 注：D和E是與實(shí)際齒輪不同，但類(lèi)似于齒輪的嚙合方式相嚙合的一對(duì)齒輪。D輪齒深較大，而且齒較細(xì)長(zhǎng)，E輪齒輪齒深較小，而且齒厚較大。兩輪都為空心輪可減小其推動(dòng)力，從而易于旋轉(zhuǎn)；作用：D齒輪齒細(xì)長(zhǎng)起主要攪拌作用，E齒輪齒厚大，易于增大粉末的接觸面積，另外E齒輪上還要有密封的端蓋。 E粉輪(從動(dòng)攪拌輪）：接收扁平管道中落出的陶瓷粉末，在D的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)固液混合。 F玻璃窗：操作人員可以透過(guò)窗口清晰的看到內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及操作情況。 G手柄：輔助動(dòng)力裝置，當(dāng)齒輪不易轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以用手柄輔助齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 H圓形出口（混合后金屬液出口）：混合液流出的通道，可直接用于澆注或取樣分析。 5 工藝過(guò)程 試驗(yàn)工藝流程如圖2 通入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣 圖2 均勻攪拌的工藝過(guò)程 ①往密封的容器中通入氮?dú)膺m當(dāng)時(shí)間 ②控制陶瓷粉及金屬液的流量，并同時(shí)開(kāi)始添加。 ③金屬液從彎曲的扁平流道中流出，并沖擊下部嚙合的DE輪，使DE輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制從扁平管道中流出粉末的量，使其按一定比例混合。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)混合目的。若轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程不太靈活可以搖動(dòng)輔助手柄使其連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 ④混合液在齒輪下部的槽中由出口流出，可以進(jìn)行后續(xù)操作（試樣分析或鑄造等）
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)目的 （1） 設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)自定量均勻混合的，制備組織均勻、顆粒細(xì)小的，金屬陶瓷復(fù)合材料的裝置。 （2） 利用該裝置能有效改善金屬與陶瓷之間的混合均勻性和界面相容性，提高金屬陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。 作品設(shè)計(jì)思路 （1） 將金屬半固態(tài)融液與增強(qiáng)相陶瓷分體顆粒同步給料，提高兩相混合均勻性。 （2） 通過(guò)陶瓷顆粒表面改性及金屬融液流動(dòng)性控制，改善兩相界面結(jié)合性能，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。 創(chuàng)新點(diǎn) （1）使用新型陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料，利用半固態(tài)成型技術(shù)。 （2）該裝置可以實(shí)現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強(qiáng)相陶瓷粉體顆粒同步給料，提高了混合的均勻性。 （3）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制金屬液與金屬粉末的比例，從而改善兩相界面結(jié)合性能，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。 技術(shù)關(guān)鍵 （1）解決金屬半固態(tài)溶液與增強(qiáng)相陶瓷粉末的成分控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。 （2）解決金屬半固態(tài)溶液與增強(qiáng)相陶瓷粉末的給料同時(shí)性，從而提高均勻性。 （3）解決攪拌齒輪與相互部件之間的配合、裝置的密封等，實(shí)現(xiàn)實(shí)用性。 技術(shù)指標(biāo) （1）實(shí)現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強(qiáng)相陶瓷粉末以實(shí)際生產(chǎn)需要（自定量）的不同比例實(shí)現(xiàn)混合，保證金屬與陶瓷之間的混合均勻性和界面相容性。 （2）實(shí)現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強(qiáng)相陶瓷粉末同時(shí)給料，混合均勻。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 技術(shù)分析 （1）不需加任何晶粒細(xì)化劑即可獲得細(xì)晶粒組織，消除了傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶和粗大樹(shù)枝晶。 （2）成型溫度低,可節(jié)省能源。 （3）凝固速度加快，生產(chǎn)率提高工藝周期縮短 實(shí)用性分析 （1）往密封容器中通入氮?dú)?，是考慮到金屬液容易被氧化，減少雜質(zhì)的介入； （2）在易凝固部位纏繞電阻絲，是考慮到在攪拌過(guò)程中可能出現(xiàn)的凝固現(xiàn)象； （3）輔助手柄的設(shè)計(jì)，確保實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行，為裝置的實(shí)用性提供了保證，并為研制新型復(fù)合材料提供了前提。 前景分析: （1）半固態(tài)金屬陶瓷復(fù)合材料成形技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近終成形等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足現(xiàn)代航空復(fù)合材料\汽車(chē)制造數(shù)碼產(chǎn)品對(duì)高性能復(fù)合材料的高致密度、高強(qiáng)度、高可靠性、高生產(chǎn)率和低成本等要求，具有廣闊的發(fā)展前景。 (2)該裝置可以按一定比例進(jìn)行混合，使用比較輕便靈活，同時(shí)節(jié)約能源、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，有非常廣闊的市場(chǎng)前景。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 利用本裝置已經(jīng)制備得到SiC顆粒增強(qiáng)半固態(tài)鋁基復(fù)合材料 本研究將向國(guó)際權(quán)威期刊投稿 在?？萍紕?chuàng)新大賽中獲得二等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 該裝置設(shè)計(jì)加工完畢，在實(shí)驗(yàn)室制備得到SiC顆粒增強(qiáng)半固態(tài)鋁基復(fù)合材料。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓的說(shuō)明書(shū)及其作品的使用權(quán)
作品可展示的形式
- 實(shí)物
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)指標(biāo) （1）實(shí)現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強(qiáng)相陶瓷粉末以實(shí)際生產(chǎn)需要（自定量）的不同比例實(shí)現(xiàn)混合，保證金屬與陶瓷之間的混合均勻性和界面相容性。 （2）實(shí)現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強(qiáng)相陶瓷粉末同時(shí)給料，混合均勻。 前景分析 （1）半固態(tài)金屬陶瓷復(fù)合材料成形技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近終成形等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足現(xiàn)代航空復(fù)合材料\汽車(chē)制造數(shù)碼產(chǎn)品對(duì)高性能復(fù)合材料的高致密度、高強(qiáng)度、高可靠性、高生產(chǎn)率和低成本等要求，具有廣闊的發(fā)展前景。 (2)該裝置可以按一定比例進(jìn)行混合，使用比較輕便靈活，同時(shí)節(jié)約能源、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，有非常廣闊的市場(chǎng)前景。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 在高技術(shù)迅速發(fā)展的今天，為了滿(mǎn)足現(xiàn)代尖端技術(shù)的苛刻要求，世界先進(jìn)工業(yè)國(guó)家都把新材料的開(kāi)發(fā)研究作為重點(diǎn)，這是因?yàn)樾虏牧匣蛐阅芨倪M(jìn)的材料，是支持現(xiàn)有工業(yè)和開(kāi)發(fā)新型工業(yè)的生命線(xiàn)，特別是某些新型功能材料的問(wèn)世，將會(huì)促進(jìn)一系列新技術(shù)的迅猛發(fā)展。這個(gè)問(wèn)題在宇航工業(yè)中顯得尤為突出和重要，目前在宇航制造業(yè)以高性能，超輕質(zhì)，耐高溫復(fù)合材料為代表的新材料，是當(dāng)今世界各國(guó)開(kāi)發(fā)研究?jī)鐬槔ㄜS的新領(lǐng)域之一。近年來(lái)，復(fù)合材料作為高性能結(jié)構(gòu)材料，隨著航空航天技術(shù)的進(jìn)步，獲得了驚人的發(fā)展，特別是金屬增強(qiáng)基復(fù)合材料，因其具有比強(qiáng)度，比剛度高，抗疲勞和高溫性能好等許多特點(diǎn)．已成為目前各國(guó)主要研究的對(duì)象。 目前的研究成果 1 制備方面的現(xiàn)有成果 以液態(tài)金屬法制備金屬基復(fù)合材料的成熟工藝主要有滲透鑄造法、液態(tài)攪拌法和液態(tài)擠壓法。 制作預(yù)制體可以克服增強(qiáng)相分布不均的問(wèn)題，但同時(shí)也帶來(lái)了工藝復(fù)雜化、成本增加且不能大規(guī)模應(yīng)用的弊端；壓力浸滲和液態(tài)擠壓工藝可以部分地改善增強(qiáng)材料和基體間界面浸潤(rùn)性差的問(wèn)題并能減少二者界面反應(yīng)的機(jī)會(huì)，但也增加了操作難度且使工藝和設(shè)備復(fù)雜化，不便于應(yīng)用到大規(guī)模的生產(chǎn)中；離心鑄造法只能用于制備特定形狀的簡(jiǎn)單零件。液態(tài)攪拌鑄造法是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料的方法，但由于界面間潤(rùn)濕性較差且增強(qiáng)體在基體中分布不均，所以難于復(fù)合出高性能的材料。 2 材料方面的研究成果 （1）各種不同金屬基體的無(wú)壓滲透制備技術(shù)及自生復(fù)合材料技術(shù)。 （2）擠壓或低壓條件下陶瓷材料增強(qiáng)金屬基體的復(fù)合材料零件的成形技術(shù)。 （3）納米陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基體的制備技術(shù)，獲得超高強(qiáng)度的輕合金基復(fù)合材料。
