一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头

1.本发明涉及材料加工领域，具体为一种基于新型液压设计的石墨烯/al复合材料搅拌摩擦搅拌头。


背景技术：

2.金属基复合材料以较高的强度重量比、较低的热膨胀系数等优异的性能被广泛地应用于航空航天、汽车工业等领域。近年来,利石墨烯增强金属基复合材料取得了丰硕的成果,使得复合材料无论是硬度、强度还是耐磨性等方面都得到了较大提高。但石墨烯的低密度、难均匀分散，易团聚、易氧化以及制备过程中的界面反应等问题制约了该复合材料的发展。
3.搅拌摩擦加工技术(简称fsp)是以fsw的基本概念为基础开发出来的一种用于微观结构修饰和制造的技术，其基本原理主要是通过搅拌头的高速旋转产生摩擦热和机械搅拌作用，使加工区的工件变成热塑性软化状态，通过搅拌头的锻造作用使向后流动材料态再结晶，从而起到细化晶粒，使组织更加均匀的效果，材料的强度也随之变强。目前的搅拌头只有单一的搅拌摩擦的功能，制造复合材料时需要配合其他设备使用，材料的制备成本较高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种能够自动添加增强相的搅拌摩擦加工装置的搅拌头结构。
5.为实现上述目的，本发明搅拌摩擦加工装置采用如下技术方案：
6.一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，主体结构为夹持柄，夹持柄为圆柱状结构，夹持柄的轴中心设有一液压孔，液压孔的上端口即在对应的夹持柄的上端部是开通口的，液压孔的上端口配有液压孔螺钉用于密封，液压孔的下端口是封端的即液压孔的下端口没有穿透夹持柄的下端面；在夹持柄内液压孔的两侧对称各设有一条与液压孔平行的物料孔，物料孔贯穿通夹持柄的上下端，每个物料孔的上端口配有一个物料孔螺钉；在夹持柄的上部液压孔与每一个物料孔之间均设有一个连通通道将液压孔与物料孔之间连通，每个连通通道内设有一个可沿连通通道滑动或滚动的密封球；在夹持柄的下端面即轴肩中心设有搅拌针。
7.轴肩即夹持柄的下端面，直径为20
‑
25mm，防止物料飞溅；
8.搅拌针，其位于轴肩中心正下方，为上端大下端小的锥体结构；搅拌针位于两物料孔之间；
9.密封球的直径等于连通通道的内直径，且密封球只能在连通通道内运动。
10.液压孔内用于装填煤油，物料孔用于装填石墨烯和铝粉末的混合粉末；连通通道内以密封球为界限，靠近液压孔部分填充煤油，靠近物料孔的部分装填石墨烯和铝粉末的混合粉末。
11.液压孔的孔直径大于物料孔的孔直径；
12.进一步的，所述搅拌针工作部分的长度小于待加工板的厚度。
13.进一步的，所述外轴肩外表面涂覆有耐磨防粘涂层，保证加工质量。
14.进一步的，所述搅拌针由硬质合金制成；或者搅拌针包括钢基体，钢基体的外表面涂覆有氮化钛涂层。
15.进一步的，搅拌针和外轴肩之间的压装作用面为平面。
16.两侧的物料孔顶部使用螺钉密封，便于添加石墨烯和铝混合粉末，底部使用熔点较低的焊锡封闭，在搅拌头温度升高一定程度后可自动脱落，从而使得内部的石墨烯和铝粉末的混合粉末流出。
17.液压孔内部填充热膨胀系数较高的煤油，底部密闭，顶部使用螺钉密封；在通道内安装与连通通道直径相同的密封球，将煤油与石墨烯和铝粉末分隔，在液压孔内煤油受热膨胀时煤油推动连通通道内密封球向物料孔方向滚动或滑动，进而推动石墨烯和铝粉末混合粉依次沿连通通道、物料孔前进，同时由于温度达到底部焊锡的熔点，最终石墨烯和铝粉末混合粉从物料孔的下端排出；当煤油受冷收缩时，通过物料孔上端加入石墨烯和铝粉末混合粉，石墨烯和铝粉末混合粉进而推动密封球向液压孔移动；以此类推，进行循环(上述是这样吗，焊锡能自动密封吗)。
18.所述物料孔内添加铝粉和石墨烯混合粉末，其具有较好的流动性，在受到液压孔内煤油膨胀挤压后可以均匀排出，充分与铝基体混合。
19.有益效果是：硬质合金或氮化钛涂层能大大增加搅拌针的耐磨性，从而提高搅拌针的使用寿命。
20.有益效果是：这样设计，有利于保证搅拌摩擦加工的加工质量。
21.有益效果是：本发明通过精密的设计将物料添加部分与搅拌头本体结合起来，在传统摩擦加工用的搅拌头的基础上，合理的利用了加工时产生的能量，不仅减少了加工时工艺的复杂度，提高了加工效率，也降低了生产成本。
22.附图说明(在附图中给出对应的标号1
‑
7)
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
24.图1为本发明搅拌摩擦加工头的结构示意图；
25.图2是搅拌头主体正视图的剖面图。
26.图3是圆柱孔顶部螺钉正视图的剖面图。
27.图中：1
‑
螺钉；2
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夹持柄；3
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密封球；4
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液压孔；5
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物料孔；6
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轴肩；7
‑
搅拌针。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
29.实施例1：
30.如图1
‑
图3所示，本实施例提供了一种新型搅拌头，包括搅拌针7、轴肩6、夹持柄2和液压系统，所述夹持柄为圆柱型结构，所述搅拌针7为锥形结构，夹持柄与搅拌针同轴连接，两者直径不同产生轴肩6，所述液压系统包含液压部分和物料部分，所述液压孔4上端与螺钉1配合密封，在与物料孔5联通的通道中通过密封球3密封，所述物料孔5上端使用螺钉1封闭，在工作时下端使用焊锡起到临时密封的作用。加工不同种类复合材料时，可通过需要添加增强相的浓度来调整液压油的种类，以此控制加入粉末的速度。
31.所述新型自动添加物料搅拌头核心在于巧妙地利用搅拌摩擦加工中所产生的热量使液体膨胀体积增大，推动石墨烯和铝的混合粉末缓慢排出，均匀分布于加工区域，提高材料强度，新型搅拌头结构简单合理，提高了加工效率，能够降低加工的工艺成本。
32.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，主体结构为夹持柄，夹持柄为圆柱状结构，夹持柄的轴中心设有一液压孔，液压孔的上端口即在对应的夹持柄的上端部是开通口的，液压孔的上端口配有液压孔螺钉用于密封，液压孔的下端口是封端的即液压孔的下端口没有穿透夹持柄的下端面；在夹持柄内液压孔的两侧对称各设有一条与液压孔平行的物料孔，物料孔贯穿通夹持柄的上下端，每个物料孔的上端口配有一个物料孔螺钉；在夹持柄的上部液压孔与每一个物料孔之间均设有一个连通通道将液压孔与物料孔之间连通，每个连通通道内设有一个可沿连通通道滑动或滚动的密封球；在夹持柄的下端面即轴肩中心设有搅拌针。2.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，轴肩即夹持柄的下端面，直径为20
‑
25mm，防止物料飞溅。3.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，搅拌针，其位于轴肩中心正下方，为上端大下端小的锥体结构；搅拌针位于两物料孔之间。4.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，密封球的直径等于连通通道的内直径，且密封球只能在连通通道内运动。5.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，液压孔内用于装填煤油，物料孔用于装填石墨烯和铝粉末的混合粉末；连通通道内以密封球为界限，靠近液压孔部分填充煤油，靠近物料孔的部分装填石墨烯和铝粉末的混合粉末。6.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，液压孔的孔直径大于物料孔的孔直径。7.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，所述搅拌针工作部分的长度小于待加工板的厚度。8.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，所述外轴肩外表面涂覆有耐磨防粘涂层，保证加工质量；搅拌针和外轴肩之间的压装作用面为平面。9.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，所述搅拌针由硬质合金制成；或者搅拌针包括钢基体，钢基体的外表面涂覆有氮化钛涂层。10.按照权利要求1所述的一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，其特征在于，两侧的物料孔顶部使用螺钉密封，便于添加石墨烯和铝混合粉末，底部使用熔点较低的焊锡封闭，在搅拌头温度升高一定程度后可自动脱落，从而使得内部的石墨烯和铝粉末的混合粉末流出。

技术总结
一种基于新型液压技术的石墨烯铝复合材料制备搅拌头，属于材料制备技术领域。主要由圆柱形夹持柄、轴肩、搅拌针和液压系统组成。其中在搅拌头内部设计了三个沿轴线方向贯穿圆柱的圆柱槽，通过开孔联通，并且顶部使用螺栓密封；中间液压孔内充满高膨胀度的煤油，底部和顶部密封，两侧物料孔内填充流动性较好的石墨烯片与铝粉的混合粉末，底部使用焊锡密封，加工时温度升高焊锡自动脱落，原本密闭的空间被打开；在搅拌摩擦升温过程中煤油升温膨胀，体积增大将混合粉末挤压进焊缝，达到加入增强相的目的。本发明利用搅拌摩擦技术结合新型液压搅拌头能够有效的提高生产效率，降低生产成本。本。


技术研发人员：吴奇 蔡鹏飞 刘林傲 高继溟 龙连春
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.08.24
技术公布日：2021/11/2