一种发热复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种发热复合材料及其制备方法；特别涉及一种具有生物相容、发热稳定的复合材料及其制备方法；属于发热复合材料制备【技术领域】。本发明所述发热复合材料由包覆材料、过渡层材料、芯材按三明治结构复合组成；所述包覆材料均匀包裹在过渡层材料外表面；所述过渡层材料均匀包裹在芯材外表面；所述包覆材料为钛或钛合金；所述过渡层材料为导热绝缘材料；所述芯材为电热合金。本发明通过爆炸压实和复合技术以及与退火处理相结合，得到了界面结合良好，发热稳定、均匀，生物相容性优异、具有良好组织和力学性能的发热复合材料。同时本发明设计的爆炸复合工艺具有简便，操作方便，成本低廉等优势。
【专利说明】一种发热复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发热复合材料及其制备方法；特别涉及一种具有生物相容、发热稳定的复合材料及其制备方法；属于发热复合材料制备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]钛及钛合金是目前应用最广泛的医用金属材料，具有良好的生物相容性，其应用领域包括骨科、矫形外科、牙科、口腔医学、血管扩张器、人工气管、心脏起博器以及手术医疗器械等。然而该种材料导电性好，不具备良好的发热功能。镍铬、镍铬铁、铁铬铝系电热合金具有高强度、高电阻、抗腐蚀等优异性能，常用作电阻材料。而陶瓷粉末、工程塑料粉末、导热绝缘高分子复合材料粉末具有高电阻高传热效率的性能。这三种材料各有优势，如能够将三种材料的优势复合成一体，将能够满足生物相容和发热的要求。但传统的复合连接技术大多只能实现两种材料间的有效连接，不能满足我们对材料的使用要求，如目前的Ti/N1-Cr两层复合发热材料,芯材N1-Cr合金在通电发热过程中,其包覆材料钛/钛合金也会导电并产生一定的电流，在植入人体中可能会因操作不慎而产生一定的危险性。现有相关资料中却没有发现关于钛或钛合金/陶瓷、工程塑料或导热绝缘高分子复合材料/NiCr发热复合材料的记载。
[0003]目前在生物医用方面，金属与陶瓷材料的复合大多采用激光快速成形技术、离子喷涂法、微弧氧化技术等，比如说第四军医大学采用激光快速成形技术在纯钛表面制备了磷酸钙陶瓷涂层，内蒙古工业大学采用微弧氧化技术在钛表面制备了生物活性陶瓷层，吉林大学采用微弧氧化技术在镍铬合金表面制备了微弧氧化陶瓷膜。现有这些技术的缺点在于只能使两种材料实现复合，而不能使三种材料实现有效的结合。
[0004]爆炸压实技术是利用炸药爆轰产生的能量，以激波的形式作用于金属或非金属粉末，使其在瞬态、高温和高压下发生压实的一种材料加工或合成的新技术，实质上是粉末材料在激波绝热压缩下发生高温压实原理的应用。爆炸复合技术是利用炸药的的能量将不同的材料在爆轰波的作用下，实现斜碰撞挤压，从而组合成新的复合材料。爆炸压实和复合技术是制取新型材料最具有吸引力和最富潜力的工艺之一，导致很多很多科研工作者对其进行了深入研究，如Priimmer Rolf和Weimar Peter以纳米陶瓷粉末为原料通过通过爆炸技术对纳米TiN、纳米Si3N和纳米A1203陶瓷粉末进行了爆炸压实，制备了密实的陶瓷块体材料；在爆炸压实复合材料方面，Raghukandan K.等通过爆炸压实的手段制备了碳化娃颗粒增强的铝基合成物(Al-SiCp);张越举等通过冷爆炸压实和预热爆炸压实的手段制备了致密的ITO纳米陶瓷粉末块体以及A1203纳米陶瓷粉末块体。大连造船厂的陈火金等人试制成功了国内第一块爆炸复合板，薛小军等人通过爆炸复合的手段制备了镍基合金复合板，Hokamoto用爆炸复合的方法实现了金属与陶瓷的连接，该方法采用块体陶瓷材料作为基体材料，通过水下爆炸的方式，在基体材料上得到很薄的金属板；由于是在水下爆炸，使得实验装置非常的复杂。而且采用上述方法很难得到具有三明治结构的发热复合材料。
[0005]总之，将爆炸成形压实和复合技术应用于制备具有三明治结构的钛或钛合金/导热绝缘材料/电热合金发热复合材料的工艺，在相关文献中却鲜有记载。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的不足之处，从原材料控制、组装工艺、复合工艺和热处理工艺集成的角度出发，提供一种具有三明治结构、具有良好组织和力学性能的发热复合材料及其制备方法。
[0007]本发明一种发热复合材料，所述发热复合材料由包覆材料、过渡层材料、芯材按三明治结构复合组成；所述包覆材料均匀包裹在过渡层材料外表面；所述过渡层材料均匀包裹在芯材外表面；所述包覆材料为钛或钛合金；所述过渡层材料为导热绝缘材料；所述芯材为电热合金；所述过渡层材料与芯材以及过渡层材料与包覆材料之间分别以冶金结合的
方式结合。
[0008]本发明一种发热复合材料，所述钛为TA2纯钛，钛合金为TC4钛合金。
[0009]本发明一种发热复合材料，所述电热合金选自镍铬系、镍铬铁系、铁铬铝系电热合金中的一种。
[0010]本发明一种发热复合材料，所述镍铬系电热合金的自牌号为Cr20Ni80或Cr30Ni70 ;所述镍铬铁系电热合金选自自牌号为Crl5Ni60、C20Ni35、Cr20Ni30的镍铬铁合金中的一种；所述铁铬铝系电热合金选自牌号为0Cr21A16、lCr20A13、0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2的铁铬铝合金中的一种。
[0011]本发明一种发热复合材料，所述导热绝缘材料选自陶瓷材料、工程塑料或导热绝缘高分子复合材料中的一种。
[0012]本发明一种发热复合材料，所述陶瓷材料选自三氧化二铝、ΙΤ0、碳化物、氮化物陶瓷材料中的一种；所述工程塑料选自聚苯硫醚、聚砜、聚酰亚胺、聚醚醚酮工程塑料中的一种；所述导热绝缘高分子复合材料为三氧化二铝填充型导热绝缘复合硅橡胶或氮化铝填充型导热绝缘复合聚乙烯塑料。
[0013]本发明一种发热复合材料，包覆材料、过渡层材料、芯材的厚度比为0.2-2:
0.1-0.5:4_8 ο
[0014]本发明一种发热复合材料的制备方法，包括下述步骤:
[0015]步骤一
[0016]取圆柱状芯材、圆管状包覆材料以及粉末状过渡层材料，所述圆管状包覆材料的外径与内径的比值为1.03-1.15:1 ;所述圆管状包覆材料的内径与芯材的直径之比为
1.5-3.0:1 ;所述粉末状过渡层材料为导热绝缘材料；
[0017]步骤二
[0018]将步骤一所得的芯材、包覆材料置于爆炸复合套管中，所述包覆材料套装在芯材夕卜，且二者同轴线，实现精确定位；将粉末状过渡层材料均匀填充在包覆材料与芯材之间直至填满，然后将炸药均匀的填入包覆材料外壁与爆炸复合套管内壁之间直至填满爆炸复合套管，填装炸药后，在复合套管顶盖中央垂直插入直径5-10mm雷管并将爆炸复合套管放在吸震座上，引爆，得到发热复合材料。
[0019]本发明一种发热复合材料的制备方法，所述芯材及包覆材料的表面经过清洗和钝化，清洗和钝化的实施方案为:[0020]用温度为400-450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗1_5分钟后水洗，再置于温度为60-70°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3-10分钟后水洗；最后，置于温度为50-70°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化至材料表面呈现银白色金属光泽后，水洗、干燥。钝化的时间优选为1-5分钟。
[0021]本发明一种发热复合材料的制备方法，所述包覆材料与芯材的高度比为1.0-1.1:
1
[0022]本发明一种发热复合材料的制备方法，所述导热绝缘材料选自粉末状陶瓷材料、粉末状工程塑料、粉末状导热绝缘高分子复合材料中的一种；所述粉末状陶瓷材料是经过800-950°C预热40-60分钟后冷却至室温的、无水的、粒度为50_100nm的陶瓷粉末；所述粉末状工程塑料是经过100-120°C预热10-30分钟后冷却至室温的、无水的、粒度为50-200nm工程塑料粉末；所述粉末状导热绝缘高分子复合材料是经过100-12(TC预热10-30分钟后冷却至室温的、无水的、粒度为1-50 μ m的导热绝缘高分子复合材料粉末。
[0023]本发明一种发热复合材料的制备方法，包覆材料外壁到爆炸复合套管内壁之间的距尚与包覆材料外径的比值为16-46:6_16。
[0024]本发明一种发热复合材料的制备方法，填充过渡层材料时，控制填充密度为50% -80%。
[0025]本发明一种发热复合材料的制备方法，所述炸药选自2号岩石乳化炸药、2号岩石粉状炸药、膨化硝铵炸药中的一种。填充炸药时，控制填充密度为60%-80%。炸药的填充高度稍高于包覆层高度 ，使得炸药能覆盖住包覆层。
[0026]本发明一种发热复合材料的制备方法，所述填充密度为填充物的体积与容腔体积之比。
[0027]本发明一种发热复合材料的制备方法，得到过渡层为陶瓷材料的发热复合材料后，在500-61 (TC退火30-60分钟。
[0028]本发明一种发热复合材料的制备方法，得到过渡层为工程塑料的发热复合材料后，在100-200°C退火30-60分钟。
[0029]本发明一种发热复合材料的制备方法，得到过渡层为导热绝缘高分子复合材料的发热复合材料后，在100-200°C保温30-60分钟。
[0030]本发明一种发热复合材料的制备方法，所述吸震座选自松软土堆、沙堆中的一种；所述吸震座的高度与爆炸复合套管的高度之比为50-60:10-60，吸震座与爆炸复合套管接触面的面积与接触区的面积之比为300-500:1。
[0031]原理和优势
[0032]本发明采用三明治的结构形式，利用爆炸产生的瞬态高温高压，使三种性质各异却具有不同优势的材料实现了稳定的连接，该复合材料兼具三种材料的的优良性能。过渡层陶瓷材料、工程塑料或导热绝缘高分子复合材料可以起到很好的绝缘作用，使该复合材料使用更安全，同时也能使发热效率相对Ti/N1-Cr两层复合材料更高。
[0033]本发明从原材料控制、组装工艺、复合工艺和热处理工艺集成的角度出发，通过原材料、组装工艺、复合工艺、热处理工艺的协同作用，制备出包覆层、过渡层、芯材界面结合良好的发热复合材料。
[0034]本发明以经过碱洗钝化的钛或者钛合金管坯作为包覆层原料，以经过碱洗钝化的镍铬合金棒坯作为芯材原料，以经过预热处理的陶瓷粉末、工程塑料粉末或导热绝缘高分子复合材料粉末作为过渡层原料，通过包覆层原料与芯材原料的精确定位装置，通过严格控制包覆层原料的外径与内径的比值为1.03-1.15:1、包覆层原料的内径与芯材的直径之比为1.5-3.0:1、炸药以及过渡层原料的填充密度和用量以及雷管位置，利用松土堆缓冲爆炸压力，结合有效的退火热处理工艺控制复合界面质量，制备出一种具有发热功能的人体植入复合材料。该材料包覆层、过渡层、芯材界面结合良好,发热稳定、均匀，生物相容性优异。可以广泛应用于制备需要发热或者植入发热的生物和人体的医疗(理疗)设备中。同时本发明设计的爆炸复合工艺具有简便，操作方便，成本低廉等优势。
[0035]综上所述，本发明充分发挥钛或者钛合金的生物相容性和镍铬合金的高强度、高电阻、耐腐蚀等优异性能以及陶瓷粉末、聚酰亚胺工程塑料粉末或导热绝缘高分子复合材料粉末的高电阻高传热效率性能，通过爆炸压实、爆炸复合技术与退火处理使得复合界面结合良好，从而得到了界面结合良好，发热稳定、均匀，生物相容性优异的发热复合材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]附图1为本发明爆炸复合组装结构示意图。
[0037]附图2为实施例1所制备TA2/A1203/Cr20Ni80发热复合材料的扫描电镜图；
[0038]附图1中:1为雷管,2为-圆管状包覆材料,3为-芯材,4为-炸药,5为-粉末状过渡层材料。
[0039]附图2中，A为包覆材料、B为包覆材料与过渡层材料的结合面、C为芯材、D为芯材与过渡层材料的结合面、E为过渡层材料；从图2中可以看出，过渡层材料(A1203)与芯材(Cr20Ni80)以及过渡层材料(A1203)与包覆材料(TA2)之间结合良好。过渡层两侧的金属明显渗透到陶瓷粉末过渡层中并与陶瓷粉末实现了冶金结合。
【具体实施方式】
[0040]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0041]实施例1:
[0042]一种具有发热功能的人体植入复合材料的制备方法，步骤如下:
[0043]第一步，原材料处理:
[0044]取长度为500mm、直径为8mm的Cr20Ni80镍铬合金芯材和长度为500mm、外径为13mm、壁厚为0.5mm的TA2钛管表面用温度为400°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗3分钟后水洗,再置于温度为65°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗5分钟后水洗；最后，置于温度为60°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将三氧化二铝陶瓷粉末在800°C下预热50分钟。
[0045]第二步，爆炸复合:
[0046]参见附图1，将第一步所得的镍铬合金芯材、TA2钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙2mm,要求TA2钛管与芯材同轴线,在管棒间隙中装填预热后的三氧化二铝陶瓷粉末，粒度范围为50-100nm ;然后，在TA2钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入13_厚度的2号岩石乳化炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径5mm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0047]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，510-530°C保温30分钟，进行退火。
[0048]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.48mm,过渡陶瓷层厚度为0.12mm左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约30s，使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C ；
[0049]过渡陶瓷层的厚度只有0.12mm可能的原因有:1、管棒间隙中装填的疏松的陶瓷粉末被压实2、爆炸过程中过渡层沿纵向上被拉长3、部分陶瓷粉末在爆炸过程中被挤压出了管棒间隙
[0050]对比例:
[0051]第一步，原材料处理:
[0052]取长度为500mm、直径为8mm的Cr20Ni80镍铬合金芯材和长度为500mm、外径为13mm、壁厚为0.5mm的TA2钛管表面用温度为400°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗3分钟后水洗,再置于温度为65°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗5分钟后水洗；最后，置于温度为60°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；
[0053]第二步，爆炸复合:
[0054]将第一步所得的镍铬合金芯材、TA2钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙2mm，要求TA2钛管与芯材同轴线，然后，在TA2钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入13_厚度的2号岩石乳化炸药；在制备装置顶盖中央垂直插入直径5_雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0055]样品效果:复合材料通电大约60s,使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C。
[0056]实施例2:
[0057]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0058]第一步，原材料处理:
[0059]取长度为550mm、直径为6mm的Cr30Ni70镍铬合金芯材和长度为550mm、外径为13mm、壁厚为0.5mm的TC4钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗,再置于温度为70°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为70°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化5分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将ITO纳米陶瓷粉末在850°C下预热50分钟。
[0060]第二步，爆炸复合:
[0061]参见附图1，将第一步所得的镍铬合金芯材、TC4钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙3mm,要求TC4钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的ITO纳米陶瓷粉末，粒度范围为50-80nm ;然后，在TC4钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入20mm厚度的2号岩石粉状炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。[0062]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，530_550°C保温30分钟，进行退火。
[0063]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.45mm,过渡陶瓷层厚度为0.3_左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约20s，使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C ；
[0064]实施例3:
[0065]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0066]第一步,原材料表面处理:
[0067]取长度为450mm、直径为7mm的Cr20Ni35镍铬铁合金芯材和长度为450mm、外径为15mm、壁厚为Imm的TA2钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗，再置于温度为65°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为60°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将碳化硅陶瓷粉末在800°C下预热50分钟。
[0068]第二步，爆炸复合:
[0069]参见附图1，将第一步所得的镍铬铁合金芯材、TA2钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙3mm,要求TA2钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的碳化硅陶瓷粉末，粒度范围为50-100nm ;然后，在TC4钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入20_厚度的二号岩石乳化炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0070]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，560_580°C保温30分钟，进行退火。
[0071]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.95_，过渡陶瓷层厚度为0.3_左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约20s，使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C ；
[0072]实施例4:
[0073]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0074]第一步,原材料表面处理:
[0075]取长度为500mm、直径为8mm的Cr20Ni30镍铬铁合金芯材和长度为500臟、外径为14mm、壁厚为Imm的TA2钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗，再置于温度为65°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为60°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将氮化铝陶瓷粉末在850°C下预热50分钟。
[0076]第二步，爆炸复合:
[0077]参见附图1，将第一步所得的镍铬铁合金芯材、TA2钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙2mm,要求TA2钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的氮化铝陶瓷粉末，粒度范围为50-100nm ;然后，在TA2钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入16_厚度的二号岩石乳化炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0078]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，590-610°C保温30分钟，进行退火。
[0079]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.97mm,复合材料管棒间过渡陶瓷层厚度为0.15mm左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约30s,使该种材料周边5mm范围，升温至42-45 0C ；
[0080]实施例5:
[0081]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0082]第一步,原材料表面处理:
[0083]取长度为600mm、直径为6mm的Crl5Ni60镍铬铁合金芯材和长度为550mm、外径为16mm、壁厚为Imm的TC4钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗，再置于温度为70°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为60°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将聚酰亚胺工程塑料颗粒在110°C下预热50分钟。
[0084]第二步，爆炸复合:
[0085]参见附图1，将第一步所得的镍铬合金芯材、TC4钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙4mm，要求TC4钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的聚酰亚胺工程塑料颗粒，粒度范围为50-200nm ;然后，在TC4钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入30_厚度的膨化硝铵炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0086]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，100_120°C保温30分钟，进行退火。
[0087]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.97mm,过渡工程塑料层厚度为0.4mm左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约25s，使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C ；
[0088]过渡聚酰亚胺层的厚度只有0.4mm可能的原因有:1、管棒间隙中装填的疏松的聚酰亚胺粉末被压实2、爆炸过程中过渡层沿纵向上被拉长3、部分聚酰亚胺粉末在爆炸过程中被挤压出了管棒间隙4、在高温下，部分聚酰亚胺被汽化，逸出了管棒间隙
[0089]实施例6:
[0090]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0091]第一步,原材料表面处理:
[0092]取长度为550mm、直径为6mm的0Cr21A16铁铬铝合金芯材和长度为550臟、外径为13mm、壁厚为0.5mm的TC4钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗,再置于温度为70°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为55°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将聚苯硫醚塑料颗粒在11 (TC下预热50分钟。
[0093]第二步，爆炸复合:[0094]参见附图1，将第一步所得的铁铬铝合金芯材、TC4钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙3mm,要求TC4钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的聚苯硫醚工程塑料颗粒，粒度范围为50-200nm ;然后，在TC4钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入20_厚度的2号岩石乳化炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0095]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，120_140°C保温30分钟，进行退火。
[0096]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.45mm,过渡工程塑料层厚度为0.2_左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约20s，使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C ；
[0097]实施例7:
[0098]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0099]第一步,原材料表面处理:
[0100]取长度为600mm、直径为6mm的lCr20A13铁铬铝合金芯材和长度为600mm、外径为16mm、壁厚为Imm的TC4钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗，再置于温度为70°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为60°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将聚砜塑料颗粒在11 (TC下预热50分钟。
[0101]第二步，爆炸复合:
[0102]参见附图1，将第一步所得的铁铬铝合金芯材、TC4钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙4_，要求TC4钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的聚砜工程塑料颗粒，粒度范围为50-200nm ;然后，在TC4钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入30mm厚度的膨化硝铵炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0103]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，140_160°C保温30分钟，进行退火。
[0104]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.92mm，过渡工程塑料层厚度为0.3mm左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约25s，使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C ；
[0105]实施例8:
[0106]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0107]第一步,原材料表面处理:
[0108]取长度为450mm、直径为7mm的0Cr21A16Nb铁铬铝合金芯材和长度为450mm、外径为15mm、壁厚为Imm的TA2钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗,再置于温度为65°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为60°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将聚醚醚酮工程塑料颗粒在110°C下预热50分钟。[0109]第二步，爆炸复合:
[0110]参见附图1，将第一步所得的铁铬铝合金芯材、TA2钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙3_，要求TA2钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的聚醚醚酮工程塑料颗粒，粒度范围为50-200nm ;然后，在TC4钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入20_厚度的二号岩石乳化炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0111]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，160-180°c保温30分钟，进行退火。
[0112]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.96mm，过渡工程塑料层厚度为0.25mm左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约20s，使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C ；
[0113]实施例9:
[0114]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0115]第一步,原材料表面处理:
[0116]取长度为500mm、直径为8mm的0Cr27A17Mo2铁铬铝合金芯材和长度为500mm、外径为14mm、壁厚为1mm的TA2钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗,再置于温度为65°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为60°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将三氧化二铝填充型导热绝缘复合硅橡胶粉末在110°C下预热50分钟。
[0117]第二步，爆炸复合:
[0118]参见附图1，将第一步所得的铁铬铝合金芯材、TA2钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙2mm，要求TA2钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的三氧化二铝填充型导热绝缘复合硅橡胶粉末，粒度范围为1-50 μ m ;然后，在TA2钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入20_厚度的二号岩石乳化炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合材料坯。
[0119]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，180-200°C保温30分钟，进行退火。
[0120]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.98_，管棒间过渡导热绝缘高分子复合材料层厚度为0.15mm左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约30s，使该种材料周边5mm范围，升温至 42-45 °C ；
[0121]实施例10:
[0122]生物医用发热复合材料的制备方法，步骤如下:
[0123]第一步,原材料表面处理:
[0124] 取长度为550mm、直径为6mm的Cr20Ni80镍铬合金芯材和长度为550mm、外径为13mm、壁厚为0.5mm的TC4钛管，用温度为450°C、质量百分浓度为95%的工业烧碱溶液清洗5分钟后水洗,再置于温度为70°C、质量百分浓度为18%的硫酸和质量百分浓度为3%的NaCl混合溶液中酸洗3分钟后水洗；最后，置于温度为55°C、质量百分浓度为8%的硝酸溶液中钝化3分钟后，水洗、干燥，得到表面呈现银白色金属光泽的芯材及管材；将氮化铝填充型导热绝缘复合聚乙烯塑料颗粒在110°C下预热50分钟。
[0125]第二步，爆炸复合:
[0126]参见附图1，将第一步所得的镍铬合金芯材、TC4钛管置于爆炸复合套管中，实现精确定位，管棒间隙3mm,要求TC4钛管与芯材同轴线；在管棒间隙中装填预热后的氮化招填充型导热绝缘复合聚乙烯塑料颗粒，粒度范围为1-50 μ m ;然后，在TC4钛管外壁与爆炸复合套管内壁之间均匀布入20_厚度的2号岩石乳化炸药(炸药覆盖包覆层)；在制备装置顶盖中央垂直插入直径IOmm雷管；将制备装置放置于高50-60cm、面积约为IOOcm2高的松软土堆上，引爆，得到具有发热功能的人体植入复合 材料坯。
[0127]将制备得到的具有发热功能的人体植入复合材料坯，放入热处理炉中，180-200°C保温30分钟，进行退火。
[0128]样品效果:复合材料包覆层厚度为0.47mm，过渡工程塑料层厚度为0.25mm左右，芯材厚度几乎无变化；通电大约20s，使该种材料周边5mm范围，升温至42_45°C。
【权利要求】
1.一种发热复合材料，其特征在于:所述发热复合材料由包覆材料、过渡层材料、芯材按三明治结构复合组成；所述包覆材料均匀包裹在过渡层材料外表面；所述过渡层材料均匀包裹在芯材外表面；所述包覆材料为钛或钛合金；所述过渡层材料为导热绝缘材料；所述芯材为电热合金；所述过渡层材料与芯材以及过渡层材料与包覆材料之间分别以冶金结合的方式结合。
2.根据权利要求1所述的一种发热复合材料，其特征在于:所述钛为TA2纯钛，钛合金为TC4钛合金；所述电热合金选自镍铬系、镍铬铁系、铁铬铝系电热合金中的一种，所述导热绝缘材料选自陶瓷材料、工程塑料、导热绝缘高分子复合材料中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种发热复合材料,其特征在于:所述镍铬系电热合金选自牌号为Cr20Ni80或Cr30Ni70的镍铬合金中的一种；所述镍铬铁系电热合金选自牌号为Crl5Ni60、C20Ni35、Cr20Ni30的镍铬铁合金中的一种；所述铁铬铝系电热合金选自牌号为0Cr21A16、lCr20A13、0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2的铁铬铝合金中的一种；所述陶瓷材料选自三氧化二铝、ITO、碳化物、氮化物陶瓷材料中的一种；所述工程塑料选自聚苯硫醚、聚砜、聚酰亚胺、聚醚醚酮工程塑料中的一种；所述导热绝缘高分子复合材料为三氧化二铝填充型导热绝缘复合硅橡胶或氮化铝填充型导热绝缘复合聚乙烯塑料。
4.根据权利要求1所述的一种发热复合材料，其特征在于:所述发热复合材料中，包覆材料、过渡层材料、芯材的厚度比为0.2-2:0.1-0.5:4-8。
5.—种如权利要求1-4任意一项所述发热复合材料的制备方法,其特征在于,包括下述步骤: 步骤一 取圆柱状芯材、圆管状包覆材料以及粉末状过渡层材料，所述圆管状包覆材料的外径与内径的比值为1.03-1.15:1 ;所述圆管状包覆材料的内径与芯材的直径之比为1.5-3.0:I ;所述粉末状过渡层材料为导热绝缘材料； 步骤二 将步骤一所得的芯材、包覆材料置于爆炸复合套管中，所述包覆材料套装在芯材外，且二者同轴线，实现精确定位；将粉末状过渡层材料均匀填充在包覆材料与芯材之间直至填满，然后将炸药均匀的填入包覆材料外壁与爆炸复合套管内壁之间直至填满爆炸复合套管，填装炸药后，在复合套管顶盖中央垂直插入直径5-10mm雷管并将爆炸复合套管放在吸震座上，引爆，得到发热复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种发热复合材料的制备方法，其特征在于，所述导热绝缘材料选自粉末状陶瓷材料、粉末状工程塑料、粉末状导热绝缘高分子复合材料中的一种；所述粉末状陶瓷材料是经过800-950°C预热40-60分钟后冷却至室温的、无水的、粒度为50-100nm的陶瓷粉末；所述粉末状工程塑料是经过100_120°C预热10-30分钟后冷却至室温的、无水的、粒度为50-200nm工程塑料粉末；所述粉末状导热绝缘高分子复合材料是经过100-120°C预热10-30分钟后冷却至室温的、无水的、粒度为1-50 μ m的导热绝缘高分子复合材料粉末。
7.根据权利要求5所述的一种发热复合材料的制备方法，其特征在于，包覆材料外壁到爆炸复合套管内壁之间的距离与包覆材料外径的比值为16-46:6-16。
8.根据权利要求5所述的一种发热复合材料的制备方法，其特征在于，填充过渡层材料时，控制填充密度为50% -80% ;填充炸药时，控制填充密度为60% -80%。
9.根据权利要求7所述的一种发热复合材料的制备方法，其特征在于，所述炸药选自2号岩石乳化炸药、2号岩石粉状炸药、膨化硝铵炸药中的一种。
10.根据权利要求6所述的一种发热复合材料的制备方法，其特征在于，得到过渡层为陶瓷材料的发热复合材料后，在500-610°C保温30-60分钟；得到过渡层为工程塑料的发热复合材料后，在100-200°C保温30-60分钟；得到过渡层为导热绝缘高分子复合材料的发热复合材料后，在100-200°C保温30-60分钟。
【文档编号】B32B15/04GK104015423SQ201410213134
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】汪冰峰, 谢方宇, 罗孝周, 黄东 申请人:中南大学