专利名称：一种连续梯度功能材料的制备方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种连续梯度功能材料的制备方法及装置。
背景技术：
梯度功能材料(functionally graded materials，简称FGM)，是由日本新野正之与平井敏雄等学者于1986年首先提出的，它是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料，其组分(可以是金属、陶瓷、纤维、聚合物等)、 结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能均呈连续变化，以适应不同环境，是实现某种特殊功能的新材料。梯度功能材料由于本身具有优异的性能以及它所体现出的新颖的材料设计思想，一经提出，立即引起世界各国材料科学工作者的高度重视并对其展开研究，迄今为止，已探索出一些基本的研究方法并制备出许多体系的梯度功能材料。例如，具有金属Ti的优良性能，又具有Al2O3陶瓷的良好的耐热、隔热、高强及高温抗氧化性的Ti/ Al2O3梯度功能材料。由于中间成分的连续变化，消除了材料中的宏观界面，整体材料表现出良好的热应力缓和特性，使之能在超高温、大温差、高速热流冲击等苛刻环境条件下使用， 可望用做新一代航天飞机的机身、燃烧室内壁等，以及为涡轮发动机、高效燃气轮机等提供超高温耐热材料。梯度功能材料制备研究的主要目标是通过合适的手段，实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布，从而实现FGM的设计性能。主要制备方法有粉末冶金法(PM)、自蔓延高温合成法(SHS)、等离子喷涂法、激光熔覆法、电沉积法、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等。以上不同的方法均具有各自的特点，同时亦有不同的缺点如制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单、梯度连续性不强，实用价值不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单， 开发成本低、操作简便的制备连续梯度功能材料的装置。采用本发明的装置制备的连续梯度功能材料无明显界面或分层，具有优良的梯度均勻性和连续性。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种制备连续梯度功能材料的装置，其特征在于，包括专用加料系统，设置于专用加料系统的下料板下方的混合沉积装置，和与混合沉积装置底部密封连接的模具；所述专用加料系统包括与下料板连接的加料仓，设置于加料仓内的用于控制物料加入比例的一个或多个可拆卸隔板，和设置于加料仓右侧板左侧的用于推动物料的加料推板，以及穿过加料仓右侧板并与加料推板连接的用于控制加料速度的加料推杆，所述加料仓的左侧板和上面板均可拆卸；所述混合沉积装置由筒体、固定安装于筒体内的用于筛分物料的筛网，和设置于筛网上方的搅拌器组成。上述的一种制备连续梯度功能材料的装置，所述混合沉积装置与模具之间通过密封垫圈密封连接。
上述的一种制备连续梯度功能材料的装置，所述筛网为80目筛网。上述的一种制备连续梯度功能材料的装置，所述搅拌器通过支承杆支承于筒体上。上述的一种制备连续梯度功能材料的装置，所述模具的下方设置有用于收集溢出液的收液槽。上述的一种制备连续梯度功能材料的装置，所述混合沉积装置上设置有排液管道，排液管道上设置有阀门。本发明还提供了采用上述装置制备连续梯度功能材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、打开加料仓的上面板，根据连续梯度功能材料的设计梯度，按配比将粉末状物料均勻平整的装入加料仓中，装料过程中采用可拆卸隔板将不同物料隔开，待物料全部装完后取出可拆卸隔板，盖上加料仓的上面板；步骤二、将混合沉积装置置于模具上方，并将混合沉积装置与模具密封连接，从混合沉积装置上方加入无水乙醇溶液；步骤三、启动搅拌器，拆掉步骤一中装料后的加料仓的左侧板，推动加料推杆，通过加料推板推动加料仓内的物料进入混合沉积装置中，在室温条件下将物料搅拌混合均勻，混合均勻后的物料通过筛网的筛分，最终沉积于模具中；步骤四、待物料全部沉积于模具中，打开混合沉积装置上的排液管道，将混合沉积装置中的溶液排入收液槽中，然后拆除混合沉积装置，取出沉积好物料的模具，最后将模具中的沉积物料采用常规方法依次经成形、烘干、预烧结和烧结，得到连续梯度功能材料。上述步骤三中所述搅拌器的搅拌速率为50转/分 100转/分。上述步骤三中所述加料推杆的推动速度为lmm/min 5mm/min。本发明与现有技术相比具有以下优点1、本发明的装置结构简单，开发成本低、操作简便，可根据需要设计模具以满足不同形状或大小的连续梯度功能材料的制备。2、本发明采用专用加料系统，可根据连续梯度功能材料的梯度要求设计物料的分布，并通过控制加料推杆的推动速度调节物料沉积速度，从而调节材料的分布梯度，亦可通过加料仓结构和可拆卸隔板数量的变化，实现三种或多种材料的梯度均勻性和连续性。3、本发明的方法简便，易于实现，采用本发明的装置和方法制备的连续梯度功能材料无明显界面或分层，具有优良的梯度均勻性和连续性。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明装置的主视图。图2为本发明装置专用加料系统第一种实施方式的结构示意图。图3为图1的俯视图。图4为图3的A-A剖视图。图5为本发明装置专用加料系统第二种实施方式的结构示意图。图6为本发明装置专用加料系统第三种实施方式的结构示意图。
图7为本发明装置专用加料系统第四种实施方式的结构示意图。图8为本发明实施例5制备的Mo/Cu连续梯度功能材料的宏观截面图。图9为采用常规分层模压法制备的Mo/Cu连续梯度功能材料的宏观截面图。附图标记说明I-专用加料系统；I-I-下料板； 1-2-加料仓；1-3-可拆卸隔板；1-4-加料推板；1-5-加料推杆；2-混合沉积装置；2-ト筒体；2-2-筛网；2-3-搅拌器；2-4-支承杆； 3_模具；4-密封垫圈；5-收液槽；6-排液管。
具体实施例方式本发明的制备连续梯度功能材料的装置通过实施例1至实施例4进行描述实施例1如图1，图2，图3和图4所示的一种制备连续梯度功能材料的装置，包括专用加料 系统1，设置于专用加料系统1的下料板1-1下方的混合沉积装置2，和与混合沉积装置2 底部相通且密封连接的模具3 ；所述专用加料系统1包括与下料板1-1连接的加料仓1-2， 设置于加料仓1-2内的用于控制物料加入比例的一个可拆卸隔板1-3，和设置于加料仓1-2 右侧板左侧的用于推动物料的加料推板1-4，以及穿过加料仓1-2右侧板并与加料推板1-4 连接的用于控制加料速度的加料推杆1-5，所述加料仓1-2的左侧板和上面板均可拆卸；所 述混合沉积装置2由筒体2-1、固定安装于筒体2-1内的用于筛分物料的筛网2-2，和设置 于筛网2-2上方的搅拌器2-3組成。如图1，图2，图3和图4所示，本实施例中所述混合沉积装置2与模具3之间通过 密封垫圈4密封连接，所述筛网2-2为80目筛网，所述搅拌器2-3通过支承杆2-4支承于 筒体2-1上，所述模具3的下方设置有用于收集溢出液的收液槽5，所述混合沉积装置2上 设置有排液管道6，排液管道6上设置有阀门。实施例2如图1，图3，图4和图5所示的一种制备连续梯度功能材料的装置，包括专用加料 系统1，设置于专用加料系统1的下料板1-1下方的混合沉积装置2，和与混合沉积装置2 底部相通且密封连接的模具3 ；所述专用加料系统1包括与下料板1-1连接的加料仓1-2， 设置于加料仓1-2内的用于控制物料加入比例的两个可拆卸隔板1-3，和设置于加料仓1-2 右侧板左侧的用于推动物料的加料推板1-4，以及穿过加料仓1-2右侧板并与加料推板1-4 连接的用于控制加料速度的加料推杆1-5，所述加料仓1-2的左侧板和上面板均可拆卸；所 述混合沉积装置2由筒体2-1、固定安装于筒体2-1内的用于筛分物料的筛网2-2，和设置 于筛网2-2上方的搅拌器2-3組成。如图1，图3，图4和图5所示，本实施例中所述混合沉积装置2与模具3之间通过 密封垫圈4密封连接，所述筛网2-2为80目筛网，所述搅拌器2-3通过支承杆2-4支承于 筒体2-1上，所述模具3的下方设置有用于收集溢出液的收液槽5，所述混合沉积装置2上 设置有排液管道6，排液管道6上设置有阀门。实施例3
如图1，图3，图4和图6所示的一种制备连续梯度功能材料的装置，包括专用加料系统1，设置于专用加料系统1的下料板1-1下方的混合沉积装置2，和与混合沉积装置2 底部相通且密封连接的模具3 ；所述专用加料系统1包括与下料板1-1连接的加料仓1-2， 设置于加料仓1-2内的用于控制物料加入比例的三个可拆卸隔板1-3，和设置于加料仓1-2 右侧板左侧的用于推动物料的加料推板1-4，以及穿过加料仓1-2右侧板并与加料推板1-4 连接的用于控制加料速度的加料推杆1-5，所述加料仓1-2的左侧板和上面板均可拆卸；所述混合沉积装置2由筒体2-1、固定安装于筒体2-1内的用于筛分物料的筛网2-2，和设置于筛网2-2上方的搅拌器2-3组成。如图1，图3，图4和图6所示，本实施例中所述混合沉积装置2与模具3之间通过密封垫圈4密封连接，所述筛网2-2为80目筛网，所述搅拌器2-3通过支承杆2-4支承于筒体2-1上，所述模具3的下方设置有用于收集溢出液的收液槽5，所述混合沉积装置2上设置有排液管道6，排液管道6上设置有阀门。实施例4如图1，图3，图4和图7所示的一种制备连续梯度功能材料的装置，包括专用加料系统1，设置于专用加料系统1的下料板1-1下方的混合沉积装置2，和与混合沉积装置2 底部相通且密封连接的模具3 ；所述专用加料系统1包括与下料板1-1连接的加料仓1-2， 设置于加料仓1-2内的用于控制物料加入比例的四个可拆卸隔板1-3，和设置于加料仓1-2 右侧板左侧的用于推动物料的加料推板1-4，以及穿过加料仓1-2右侧板并与加料推板1-4 连接的用于控制加料速度的加料推杆1-5，所述加料仓1-2的左侧板和上面板均可拆卸；所述混合沉积装置2由筒体2-1、固定安装于筒体2-1内的用于筛分物料的筛网2-2，和设置于筛网2-2上方的搅拌器2-3组成。如图1，图3，图4和图7所示，本实施例中所述混合沉积装置2与模具3之间通过密封垫圈4密封连接，所述筛网2-2为80目筛网，所述搅拌器2-3通过支承杆2-4支承于筒体2-1上，所述模具3的下方设置有用于收集溢出液的收液槽5，所述混合沉积装置2上设置有排液管道6，排液管道6上设置有阀门。本发明的连续梯度功能材料的制备方法通过实施例5至实施例8进行描述实施例5采用实施例1的装置按照以下步骤进行Mo/Cu连续梯度功能材料的制备步骤一、打开加料仓1-2的上面板，将粉末状物料Mo和Cu按1 1的质量比均勻平整的装入加料仓1-2中，装料过程中采用可拆卸隔板1-3将物料隔开，待物料全部装完后取出可拆卸隔板1-3，盖上加料仓1-2的上面板；步骤二、将混合沉积装置2置于模具3上方，并将混合沉积装置2与模具3密封连接，从混合沉积装置2上方加入无水乙醇溶液；步骤三、启动搅拌器2-3，调节搅拌器2-3的搅拌速率为50转/分(可根据实际需要调节搅拌速率)，拆掉步骤一中装料后的加料仓2的左侧板，推动加料推杆1-5并控制其推动速度为5mm/min (可根据实际需要调节推动速度)，加料推杆1_5带动加料推板1_4推动加料仓1-2内的物料进入混合沉积装置2中，在室温条件下将物料Mo和Cu搅拌混合均勻，混合均勻后的物料通过筛网2-2的筛分，最终沉积于模具3中；步骤四、待物料全部沉积于模具3中，打开排液管道6上的阀门，使得混合沉积装置2中的溶液排入收液槽5中，然后拆除混合沉积装置2，取出沉积好物料的模具3，最后将模具3中的沉积物料采用常规方法依次经成形、烘干、预烧结和烧结，得到Mo/Cu连续梯度功能材料。图8是本实施例制备的Mo/Cu连续梯度功能材料的宏观截面图，图9是采用常规分层模压法制备的Mo/Cu连续梯度功能材料的宏观截面图，从图中可以清楚看出本实施例制备的Mo/Cu连续梯度功能材料无明显界面或分层，从Mo到Cu逐渐过渡，具有均勻性和连续性；而用常规分层模压法制备的Mo/Cu梯度功能材料有明显的分界线，连续性差。采用能谱扫描对本实施例制备的Mo/Cu连续梯度功能材料厚度方向上不同部位 (取五个部位)做能谱分析，得到不同部位Mo和Cu的质量百分含量与原子百分含量，结果如下表表1实施例5制备的Mo/Cu梯度功能材料的梯度变化
权利要求
1.一种制备连续梯度功能材料的装置，其特征在于，包括专用加料系统(1)，设置于专用加料系统(1)的下料板(1-1)下方的混合沉积装置O)，和与混合沉积装置( 底部相通且密封连接的模具⑶；所述专用加料系统⑴包括与下料板(1-1)连接的加料仓(1-2)， 设置于加料仓(1-2)内的用于控制物料加入比例的一个或多个可拆卸隔板(1-3)，和设置于加料仓(1-2)右侧板左侧的用于推动物料的加料推板(1-4)，以及穿过加料仓(1-2)右侧板并与加料推板(1-4)连接的用于控制加料速度的加料推杆(1-5)，所述加料仓(1-2)的左侧板和上面板均可拆卸；所述混合沉积装置O)由筒体0-1)、固定安装于筒体0-1)内的用于筛分物料的筛网0-2)，和设置于筛网(2- 上方的搅拌器(2- 组成。
2.根据权利要求1所述的一种制备连续梯度功能材料的装置，其特征在于，所述混合沉积装置( 与模具( 之间通过密封垫圈(4)密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种制备连续梯度功能材料的装置，其特征在于，所述筛网 (2-2)为80目筛网。
4.根据权利要求1所述的一种制备连续梯度功能材料的装置，其特征在于，所述搅拌器(2- 通过支承杆(2-4)支承于筒体(2-1)上。
5.根据权利要求1所述的一种制备连续梯度功能材料的装置，其特征在于，所述模具 (3)的下方设置有用于收集溢出液的收液槽(5)。
6.根据权利要求1所述的一种制备连续梯度功能材料的装置，其特征在于，所述混合沉积装置( 上设置有排液管道(6)，排液管道(6)上设置有阀门。
7.一种采用如权利要求1所述装置制备连续梯度功能材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、打开加料仓(1-2)的上面板，根据连续梯度功能材料的设计梯度，按配比将粉末状物料均勻平整的装入加料仓(1-2)中，装料过程中采用可拆卸隔板(1- 将不同物料隔开，待物料全部装完后取出可拆卸隔板(1-3)，盖上加料仓(1-2)的上面板；步骤二、将混合沉积装置( 置于模具( 上方，并将混合沉积装置( 与模具(3)密封连接，从混合沉积装置( 上方加入无水乙醇溶液；步骤三、启动搅拌器0-3)，拆掉步骤一中装料后的加料仓O)的左侧板，推动加料推杆(1-5)，通过加料推板(1-4)推动加料仓(1-2)内的物料进入混合沉积装置O)中，在室温条件下将物料搅拌混合均勻，混合均勻后的物料通过筛网0-2)的筛分，最终沉积于模具⑶中;步骤四、待物料全部沉积于模具C3)中，打开混合沉积装置( 上的排液管道(6)，将混合沉积装置O)中的溶液排入收液槽(5)中，然后拆除混合沉积装置O)，取出沉积好物料的模具(3)，最后将模具(3)中的沉积物料采用常规方法依次经成形、烘干、预烧结和烧结， 得到连续梯度功能材料。
8.根据权利要求7所述的一种连续梯度功能材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述搅拌器0-3)的搅拌速率为50转/分 100转/分。
9.根据权利要求7所述的一种连续梯度功能材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述加料推杆(1-5)的推动速度为lmm/min 5mm/min。
全文摘要
本发明公开了一种制备连续梯度功能材料的装置，包括专用加料系统，设置于专用加料系统的下料板下方的混合沉积装置，和与混合沉积装置底部密封连接的模具；所述专用加料系统包括与下料板连接的加料仓，设置于加料仓内的用于控制物料加入比例的一个或多个可拆卸隔板，和设置于加料仓右侧板左侧的用于推动物料的加料推板，以及穿过加料仓右侧板与加料推板连接的用于控制加料速度的加料推杆；所述混合沉积装置由筒体、固定安装于筒体内的用于筛分物料的筛网，和设置于筛网上方的搅拌器组成。本发明还提供了采用该装置制备连续梯度功能材料的方法。采用本发明的装置和方法制备的连续梯度功能材料无明显界面或分层，具有优良的梯度均匀性和连续性。
文档编号B22F3/00GK102284700SQ20111021079
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者卜春阳, 厉学武, 孙院军, 张妮娜, 武洲 申请人:金堆城钼业股份有限公司