本發(fā)明屬于材料設(shè)備領(lǐng)域，涉及在金屬基復(fù)合材料制備過程中縮短制備周期，降低碳纖維損傷程度的裝置及其制備方法，具體指一種制備連續(xù)碳纖維鋁基復(fù)合材料的超聲波裝置及其制備方法。
背景技術(shù)：
超聲波振動法制備連續(xù)碳纖維金屬基復(fù)合材料是利用超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)。作用于碳纖維從而使碳纖維均勻分散從而制備碳纖維金屬基復(fù)合材料的工藝方法。而碳纖維復(fù)合材料制備過程中碳纖維的完好程度以及碳纖維在熔體中的分散程度嚴(yán)重影響著碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。常規(guī)碳纖維金屬基復(fù)合材料制備時碳纖維與金屬液接觸時間長，碳纖維損傷大，碳纖維在金屬液中分散程度差，采用超聲波振動制備連續(xù)碳纖維金屬基復(fù)合材料可以極大的縮短碳纖維與金屬液接觸時間，減小碳纖維所受沖擊力，極大程度上保證了碳纖維的完好，同時利用超聲波使碳纖維均勻分散，達(dá)到提高碳纖維金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的目的。目前由于超聲波振頭無法在大于120℃條件下服役，并且由于金屬導(dǎo)熱以及熱輻射等原因無法長時間在金屬熔煉過程中進(jìn)行使用，需要有一種實驗裝置解決這些問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：
本發(fā)明提供一種制備連續(xù)碳纖維金屬基復(fù)合材料的超聲波裝置及制備方法，該設(shè)備冷卻效率高，改變了碳纖維金屬基復(fù)合材料制備時碳纖維與金屬液接觸時間長，碳纖維損傷大的現(xiàn)狀，提高碳纖維在金屬液中分散程度，降低碳纖維分散所需時間，從而減小碳纖維損傷，獲得高質(zhì)量碳纖維金屬基復(fù)合材料。
技術(shù)方案：
一種制備碳纖維鋁基復(fù)合材料的超聲波裝置，包括伺服系統(tǒng)、超聲波振動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和氣體保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于：伺服系統(tǒng)下端連接有金屬桿，伺服系統(tǒng)內(nèi)部裝有電機(jī)，金屬桿下端連接有連接件，連接件下端連接有超聲波換能器，超聲波換能器下端連接有超聲波變幅桿，超聲波變幅桿下端連接有超聲波振頭，所述超聲波換能器通過信號線還連接有超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、超聲波變幅桿和超聲波振頭組合成超聲波振動系統(tǒng)，超聲波振動系統(tǒng)下部設(shè)有熔煉保溫爐，爐腔內(nèi)部設(shè)有氣體保護(hù)裝置，坩堝置于氣體保護(hù)裝置內(nèi)部，所述超聲波變幅桿的周圈設(shè)有環(huán)形冷卻裝置，環(huán)形冷卻裝置的上端連接有導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管分別還連接有高壓氣體儲存裝置和氣體保護(hù)裝置，導(dǎo)氣管、高壓氣體儲存裝置和環(huán)形冷卻裝置構(gòu)成冷卻系統(tǒng)，氣體保護(hù)裝置，導(dǎo)氣管和高壓氣體儲存裝置構(gòu)成氣體保護(hù)系統(tǒng)，所述超聲波振動系統(tǒng)一側(cè)設(shè)置有提拉電機(jī)，提拉電機(jī)下端連接有弓形夾具。
所述連接件為周圈螺紋的連接件，與金屬桿和超聲波換能器通過螺紋扣固定。
所述環(huán)形冷卻裝置為環(huán)形似“彈簧”螺旋狀，上部形狀為豎直向上狀，下端部為封閉狀態(tài)，朝向超聲波變幅桿的方向布滿圓孔。
所述圓孔直徑為1~4mm。
所述氣體保護(hù)裝置內(nèi)側(cè)朝向設(shè)有孔洞。
所述氣體保護(hù)裝置內(nèi)部中空有孔洞結(jié)構(gòu)，孔徑大小隨著高度增加逐漸變大。
所述弓形夾具具有一定預(yù)緊力。
一種制備單向碳纖維金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于：坩堝內(nèi)金屬熔體熔化后，通過氣體保護(hù)系統(tǒng)通入一定量的惰性保護(hù)氣體；然后將固定在弓形夾具上的單向碳纖維用提拉電機(jī)放入坩堝內(nèi)；同時用伺服系統(tǒng)將超聲波振動系統(tǒng)精確定位于距離碳纖維一定高度的位置，施加一定時間及一定振幅振動，從而使單向碳纖維分散，金屬熔體填充到碳纖維間隙，將碳纖維均勻包裹，制備成單向碳纖維金屬基復(fù)合材料；最終利用伺服系統(tǒng)及提拉電機(jī)將單向碳纖維金屬基復(fù)合材料及超聲波振動系統(tǒng)移出冷卻。
優(yōu)點及效果：
本發(fā)明所述的制備裝置相比于傳統(tǒng)碳纖維金屬基復(fù)合材料制備裝置具有操作簡潔、安全系數(shù)高的特性，本發(fā)明所述制備方法相比于傳統(tǒng)制備方法具有碳纖維損傷小，碳纖維分散均勻且分散程度高，復(fù)合材料生產(chǎn)周期短、效率高,適合連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，引入環(huán)形冷卻裝置很好地解決了傳統(tǒng)的制備裝置散熱差的嚴(yán)重問題。
附圖說明
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：
圖1為連續(xù)碳纖維金屬基復(fù)合材料超聲波裝置總體安裝示意圖。
所述標(biāo)注為：1.伺服系統(tǒng)、2.超聲波換能器、3.超聲波變幅桿、4.導(dǎo)氣管、5.高壓氣體儲存裝置、6.環(huán)形冷卻裝置、7.超聲波振頭、8.金屬熔體、9.連續(xù)碳纖維、10.氣體保護(hù)裝置、11.熔煉保溫爐、12.坩堝、13.弓形夾具、14.提拉電機(jī)、15.超聲波發(fā)生器、16.連接件、17.金屬桿。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種制備連續(xù)碳纖維金屬基復(fù)合材料的超聲波裝置及其制備方法，改變碳纖維金屬基復(fù)合材料制備時碳纖維與金屬液接觸時間長，碳纖維損傷大的現(xiàn)狀，提高碳纖維在金屬液中分散程度，降低碳纖維分散所需時間，從而減小碳纖維損傷，獲得高質(zhì)量碳纖維金屬基復(fù)合材料。
實施例：
如圖1所示，伺服系統(tǒng)1下端連接有金屬桿17，伺服系統(tǒng)1內(nèi)部裝有電機(jī)，金屬桿17可通過電機(jī)的控制，實現(xiàn)上、下、左、右、前和后的移動，金屬桿17下端螺紋扣連接有連接件16，連接件16為周圈螺紋的連接件，與金屬桿17和超聲波換能器2通過螺紋扣固定，連接件16下端螺紋扣連接有超聲波換能器2，連接件為周圈螺紋的連接件，可通過螺紋進(jìn)入螺紋扣的長度微調(diào)超聲波換能器2的高度，超聲波換能器2下端螺紋扣連接有超聲波變幅桿3，超聲波變幅桿3下端螺紋扣連接有超聲波振頭7，所述超聲波換能器2通過信號線還連接有超聲波發(fā)生器15，用于發(fā)射超聲波信號，超聲波發(fā)生器15、超聲波換能器2、超聲波變幅桿3和超聲波振頭7組合成超聲波振動系統(tǒng)，超聲波振動系統(tǒng)下部設(shè)有熔煉保溫爐11，爐腔內(nèi)部設(shè)有氣體保護(hù)裝置10，氣體保護(hù)裝置10內(nèi)側(cè)朝向設(shè)有孔洞，孔洞結(jié)構(gòu)孔徑大小隨著高度增加逐漸變大，坩堝12置于氣體保護(hù)裝置10內(nèi)部，所述超聲波變幅桿3的周圈設(shè)有環(huán)形冷卻裝置6，環(huán)形冷卻裝置6為環(huán)形似“彈簧”螺旋狀，上部形狀為豎直向上狀，下端部為封閉狀態(tài)，朝向超聲波變幅桿3的方向布滿1~4mm圓孔，環(huán)形冷卻裝置6的上端連接有導(dǎo)氣管4，導(dǎo)氣管4分別還連接有高壓氣體儲存裝置5和氣體保護(hù)裝置10，導(dǎo)氣管4、高壓氣體儲存裝置5和環(huán)形冷卻裝置6構(gòu)成冷卻系統(tǒng)，氣體保護(hù)裝置10，導(dǎo)氣管4和高壓氣體儲存裝置5構(gòu)成氣體保護(hù)系統(tǒng)，所述超聲波振動系統(tǒng)一側(cè)設(shè)置有提拉電機(jī)14，提拉電機(jī)14下端連接有具有一定預(yù)緊力的弓形夾具13。
上述裝置制備單向碳纖維金屬基復(fù)合材料的方法：坩堝12內(nèi)金屬熔體8熔化后，通過氣體保護(hù)系統(tǒng)通入一定量的惰性保護(hù)氣體；然后將固定在弓形夾具13上的單向碳纖維9用提拉電機(jī)14放入坩堝內(nèi)；同時用伺服系統(tǒng)1將超聲波振動系統(tǒng)精確定位于距離碳纖維一定高度的位置，施加一定時間及一定振幅振動，從而使單向碳纖維9分散，金屬熔體8填充到碳纖維間隙，將碳纖維均勻包裹，制備成單向碳纖維金屬基復(fù)合材料；最終利用伺服系統(tǒng)及提拉電機(jī)將單向碳纖維金屬基復(fù)合材料及超聲波振動系統(tǒng)移出冷卻。