基本信息
- 項目名稱：
- 一種制備半固態(tài)金屬陶瓷復(fù)合材料自定量均勻混
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 金屬陶瓷是在金屬基體中加入陶瓷顆粒粉體制得 又稱彌散增強材料，其獨特的性能具有廣泛的使用價值，而該作品可以實現(xiàn)克服現(xiàn)有制作方法的缺點，使用比較輕便靈活，同時節(jié)約能源、經(jīng)濟環(huán)保，還可以按一定比例進行混合。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。
- 詳細介紹：
- 1.研究內(nèi)容與方法 我們團隊的研究是設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動定量均勻添加增強顆粒的制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料的裝置，研究內(nèi)容包括顆粒的添加過程和金屬基復(fù)合材料的半固態(tài)鑄造過程。 本研究的方法包括利用繪圖軟件創(chuàng)新機械設(shè)計、利用專業(yè)理論分析復(fù)合材料的半固態(tài)成形原理、動手制作實驗?zāi)Ｐ?、機械加工實驗裝置、利用設(shè)計和制作的裝置進行實驗置備獲得金屬陶瓷復(fù)合材料。 2 研究目標和創(chuàng)新： 本研究的目標是設(shè)計并制作一種能實現(xiàn)增強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)新點是克服了機械攪拌法存在若干缺點如比較笨重、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，并且使用比較輕便靈活。 3 均勻混合裝置的簡單介紹 （1）基本原理： 整個裝置運作的核心部件則是利用《液壓與氣壓傳動》課所學的液壓齒輪泵工作原理，攪拌過程主要依靠兩個相互嚙合的齒輪來實現(xiàn)，人性化的設(shè)計突出以人為本的理念，方便使用與維護。 （2）整個裝置的設(shè)計考慮 由于金屬容易被氧化，為避免雜質(zhì)氣體的進入影響制備質(zhì)量，需要將整個裝置的工作部分密封起來，因此外面的方形外罩起到了與外界隔離的作用。同時方形外殼頂部直接開三個口，兩個長方形的口通入粉末及金屬液，而圓形的口則用來通入保護氣氮氣。中心部分是裝置的核心，由兩個相互嚙合的齒輪組成其攪拌作用。外殼底部是一個長方形槽，槽的一端開口，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！ 4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) （1）裝置材料 由于本裝置工作時跟液態(tài)鋁接觸，所以要求部分零件要能夠耐高溫。為經(jīng)濟又能達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。對于上外殼、澆道、漏斗、氮氣入口、手柄和支架都采用45鋼。齒輪基體采用碳素結(jié)構(gòu)鋼，實驗原理圖見圖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：氮氣入口，由于金屬容易被氧化，避免雜質(zhì)氣體的進入影響制備質(zhì)量，用氮氣作保護氣。 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)動提供動力。 D主動輪：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攪拌）優(yōu)先開始轉(zhuǎn)動，進而帶動E的轉(zhuǎn)動。 注：D和E是與實際齒輪不同，但類似于齒輪的嚙合方式相嚙合的一對齒輪。D輪齒深較大，而且齒較細長，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力，從而易于旋轉(zhuǎn)；作用：D齒輪齒細長起主要攪拌作用，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(從動攪拌輪）：接收扁平管道中落出的陶瓷粉末，在D的帶動下轉(zhuǎn)動實現(xiàn)固液混合。 F玻璃窗：操作人員可以透過窗口清晰的看到內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及操作情況。 G手柄：輔助動力裝置，當齒輪不易轉(zhuǎn)動時，可以用手柄輔助齒輪轉(zhuǎn)動。 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 工藝過程 試驗工藝流程如圖2 通入氮氣作保護氣 圖2 均勻攪拌的工藝過程 ①往密封的容器中通入氮氣適當時間 ②控制陶瓷粉及金屬液的流量，并同時開始添加。 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，同時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)動實現(xiàn)混合目的。若轉(zhuǎn)動過程不太靈活可以搖動輔助手柄使其連續(xù)轉(zhuǎn)動。 ④混合液在齒輪下部的槽中由出口流出，可以進行后續(xù)操作（試樣分析或鑄造等）
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品設(shè)計目的 （1） 設(shè)計出一種能夠?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)計思路 （1） 將金屬半固態(tài)融液與增強相陶瓷分體顆粒同步給料，提高兩相混合均勻性。 （2） 通過陶瓷顆粒表面改性及金屬融液流動性控制，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 （1）使用新型陶瓷金屬復(fù)合材料，利用半固態(tài)成型技術(shù)。 （2）該裝置可以實現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強相陶瓷粉體顆粒同步給料，提高了混合的均勻性。 （3）可以實現(xiàn)自動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)溶液與增強相陶瓷粉末的成分控制，實現(xiàn)穩(wěn)定性。 （2）解決金屬半固態(tài)溶液與增強相陶瓷粉末的給料同時性，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，實現(xiàn)實用性。 技術(shù)指標 （1）實現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強相陶瓷粉末以實際生產(chǎn)需要（自定量）的不同比例實現(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）實現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強相陶瓷粉末同時給料，混合均勻。
科學性、先進性
- 技術(shù)分析 （1）不需加任何晶粒細化劑即可獲得細晶粒組織，消除了傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶和粗大樹枝晶。 （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 實用性分析 （1）往密封容器中通入氮氣，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，是考慮到在攪拌過程中可能出現(xiàn)的凝固現(xiàn)象； （3）輔助手柄的設(shè)計，確保實驗的正常進行，為裝置的實用性提供了保證，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，可以滿足現(xiàn)代航空復(fù)合材料\汽車制造數(shù)碼產(chǎn)品對高性能復(fù)合材料的高致密度、高強度、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行混合，使用比較輕便靈活，同時節(jié)約能源、經(jīng)濟環(huán)保，有非常廣闊的市場前景。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 利用本裝置已經(jīng)制備得到SiC顆粒增強半固態(tài)鋁基復(fù)合材料 本研究將向國際權(quán)威期刊投稿 在校科技創(chuàng)新大賽中獲得二等獎
作品所處階段
- 該裝置設(shè)計加工完畢，在實驗室制備得到SiC顆粒增強半固態(tài)鋁基復(fù)合材料。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓的說明書及其作品的使用權(quán)
作品可展示的形式
- 實物
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)指標 （1）實現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強相陶瓷粉末以實際生產(chǎn)需要（自定量）的不同比例實現(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）實現(xiàn)金屬半固態(tài)溶液與增強相陶瓷粉末同時給料，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，可以滿足現(xiàn)代航空復(fù)合材料\汽車制造數(shù)碼產(chǎn)品對高性能復(fù)合材料的高致密度、高強度、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行混合，使用比較輕便靈活，同時節(jié)約能源、經(jīng)濟環(huán)保，有非常廣闊的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 在高技術(shù)迅速發(fā)展的今天，為了滿足現(xiàn)代尖端技術(shù)的苛刻要求，世界先進工業(yè)國家都把新材料的開發(fā)研究作為重點，這是因為新材料或性能改進的材料，是支持現(xiàn)有工業(yè)和開發(fā)新型工業(yè)的生命線，特別是某些新型功能材料的問世，將會促進一系列新技術(shù)的迅猛發(fā)展。這個問題在宇航工業(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，是當今世界各國開發(fā)研究冪為括躍的新領(lǐng)域之一。近年來，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)的進步，獲得了驚人的發(fā)展，特別是金屬增強基復(fù)合材料，因其具有比強度，比剛度高，抗疲勞和高溫性能好等許多特點．已成為目前各國主要研究的對象。 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)制體可以克服增強相分布不均的問題，但同時也帶來了工藝復(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材料和基體間界面浸潤性差的問題并能減少二者界面反應(yīng)的機會，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，但由于界面間潤濕性較差且增強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）納米陶瓷顆粒增強金屬基體的制備技術(shù)，獲得超高強度的輕合金基復(fù)合材料。
