多种金属结构复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种多种金属结构复合材料及其制备方法。

背景技术：

目前，已知的船体都是由木材、钢铁、玻璃钢、玻璃纤维复合材料及铝质材料等硬质材料建成。最早期的船体建造材料是木材，木船的造价较低，是浅水域的重要交通工具，但它的缺点是容易腐烂，使用寿命不长，需要经常涂油防水渗漏，而且难以满足工业化用船的需求；钢铁是最常用的建造船体的材料，但是它的比重太大、重量太大，影响船体航行速度，根据世界船舶工业对未来市场需求的预测，随着造船业的发展，船用钢材的品种和规格将有较大的提升，高强度、厚规格造船用钢板的需求量将不断攀升。高强度造船用钢不仅要有较高的强度，而且要有好的韧塑性，特别是低温冲击韧性。船体结构用钢板主要用于制造远洋、沿海和内河航运船舶的船体、甲板等的钢板；玻璃钢及木材又不够结实，只能建造小船，玻璃钢的结构比重大，浮力小，抗冲击力小，同时因为小型船体的重量有限制，所以难以用于大型船体建造；铝质材料存在耐海水及海洋环境性能差的问题；而玻璃纤维复合材料船体存在耐温性能差的缺点。

由于船舶工作环境恶劣，船体壳要受海水的化学腐蚀、电化学腐蚀和海洋生物、微生物的腐蚀；船体承受较大的风浪冲击和交变负荷；船舶形状使其加工方法复杂等因素，所以对船体结构用钢要求严格。首先良好的韧性是最关键的要求，此外，要求有较高的强度，良好的耐腐蚀性能、焊接性能，加工成型性能以及表面质量。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供多种金属结构复合材料及其制备方法，以提供一种比重低于钢铁，但是强度比钢铁要高，同时耐腐蚀和抗电子辐射的多种金属结构复合材料，且其比重接近于木材。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案主要是：一种多种金属结构复合材料，按重量百分比计包括以下组分：

10~25%钢、0.1~0.8%铅、20~50%铝、20~55%树脂、10~49%石棉。

同时提供一种多种金属结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将树脂和石棉用粉碎机制成粉末，按重量称取铅粉、树脂粉末和石棉粉末，常温下搅拌混合均匀，得到粉末混合物；

（2）用不同大小的钢板包裹上述粉末混合物，并用锻压机将钢板锻压成球体，得到实心球体；

（3）将步骤（2）中得到的实心球体加热到380~400℃，将铝加热到680~800℃并涂覆在所述实心球体上，冷却后实心球体表面的铝涂层与实心球体结合，得到镏铝的实心球体，备用；

（4）将钢筋加热到480~600℃，将铝加热到680~800℃并涂覆在所述钢筋上，冷却后钢筋表面的铝涂层与钢筋结合，得到镏铝的钢筋，备用；

（5）将所述镏铝的钢筋搭建在模具的内部并固定住，将铝加热到680~800℃后将所述镏铝的实心球体放置其中并混合，然后一起浇铸到模具中，冷却后即可制备得到多种金属结构复合材料。

优选地，所述树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、聚氨酯树脂、氟碳树脂、氨基树脂。

优选地，步骤（2）中所述实心球体的外表面直径为1~10cm。

优选地，步骤（2）中所述球体的钢层厚度为0.5~3mm。

优选地，步骤（3）中所述实心球体表面的铝涂层的厚度为2~3mm。

优选地，步骤（4）中所述钢筋表面的铝涂层的厚度为2~3mm。

优选地，步骤（5）中制备得到的所述多种金属结构复合材料中所述镏铝的钢筋、镏铝的实心球体和铝的体积比为5~30：5~70：5~20。

优选地，步骤（5）中将12根所述镏铝的钢筋搭建在立方形模具的12条边缘棱上并固定住，将铝加热到680~800℃后将所述镏铝的实心球体放置其中并混合，然后一起浇铸到模具中，冷却后即可制备得到多种金属结构复合材料。

优选地，步骤（5）中将12根所述镏铝的钢筋搭建在立方形模具的12条边缘棱上并固定住，再将1~6根所述镏铝的钢筋搭建在立方形模具的内部非边缘棱处并固定住，将铝加热到680~800℃后将所述镏铝的实心球体放置其中并混合，然后一起浇铸到模具中，冷却后即可制备得到多种金属结构复合材料。

本发明中使用的钢筋可以是圆柱形或其它形状。

本发明利用生命科学领域中的“筋-骨-肉”原理，利用钢筋作为复合材料的支撑构件，即钢筋在复合材料中充当“骨”的角色；将铝熔融后浇铸到复合材料中作为粘结材料，即铝在复合材料中充当“筋”的角色；装有铅份、树脂粉末和石棉粉末的实心球体作为复合材料的主体，在复合材料中充当“肉”的角色。其整体呈现出的钢筋力学结构表现出了很大的强度，以及较小的比重，同时其还兼具了耐腐蚀和抗电子辐射的优点，因此非常适合用于造船工业中船体的建造。

其中装有铅粉、树脂粉末和石棉粉末的实心球体为圆球状，其球形钢板外壳可以提供很大强度的受压能力，为复合材料提供了很高的强度，同时其中空的内部里面装有树脂和石棉，极大地降低了复合材料的比重，减轻了复合材料的重量，提高了阻热吸收势能的效果。

本发明使用的铅粉，在复合材料中发挥抗电离辐射的作用。

本发明的材料在单位密度上比钢的体积大，最大限度地利用了钢筋的强度和张力，使力臂更长。

本发明使用的钢筋为制造行业常用的钢筋。

本发明的多种金属结构复合材料可用于船体制造。

本发明的有益效果：

（1）本发明的复合材料具有比重小、强度高、耐腐蚀以及抗电子辐射的优点；

（2）本发明的复合材料的原材料来源广泛、容易得到、价格低廉，同时大量使用了树脂、石棉等廉价原材料，使得复合材料的制作成本远低于船体钢材；

（3）使用本发明的复合材料的制造的船体重量轻，比重接近于木材，同时强度优于钢材。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，现结合以下具体实施例做进一步说明，但是本发明不限于具体实施例。

实施例1

多种金属结构复合材料，其制备方法，包括以下步骤：

（1）将树脂和石棉用粉碎机制成粉末，按重量称取铅粉、树脂粉末和石棉粉末，常温下搅拌混合均匀，得到粉末混合物；

（2）用钢板包裹上述粉末混合物，并用锻压机将钢板锻压成球体，得到外表面直径为10cm的实心球体，所述球体的钢层厚度为2mm；

（3）将步骤（2）中得到的实心球体使用电弧炉加热到380℃，将铝加热到700℃并涂覆在所述实心球体上，冷却后实心球体表面的铝涂层与实心球体结合，得到镏铝的实心球体，备用，所述实心球体表面的铝涂层的厚度为2mm；

（4）使用电弧炉将钢筋加热到500℃，将铝加热到700℃并涂覆在所述钢筋上，冷却后钢筋表面的铝涂层与钢筋结合，得到镏铝的钢筋，备用，所述钢筋表面的铝涂层的厚度为2mm；

（5）将12根20cm长的所述镏铝的钢筋搭建在立方形模具的12条边缘棱上并固定住，再将1根28cm长的所述镏铝的钢筋搭建在立方形模具的内部斜对边棱的中间处并固定住，使用电弧炉将铝加热到700℃后将两个所述镏铝的实心球体放置其中并混合，然后一起浇铸到模具中，冷却后即可制备得到长宽高都为20cm的多种金属结构复合材料。

参见图1，1是长度为20cm的镏铝的钢筋，2是直径10cm镏铝的实心球体，3是浇铸到模具中冷却后的铝，4是长度为28cm的镏铝的钢筋。

所制得的多种金属结构复合材料，按重量百分比计包括以下组分：15%钢、0.3%铅、40%铝、30%树脂、14.7%石棉。

实施例2

多种金属结构复合材料，其制备方法，包括以下步骤：

（1）将树脂和石棉用粉碎机制成粉末，按重量称取铅粉、树脂粉末和石棉粉末，常温下搅拌混合均匀，得到粉末混合物；

（2）用钢板包裹上述粉末混合物，并用锻压机将钢板锻压成外表面直径为1cm、3cm和10cm的球体，得到实心球体，所述球体的钢层厚度为2mm；

（3）将步骤（2）中得到的实心球体使用电弧炉加热到400℃，将铝加热到700℃并涂覆在所述实心球体上，冷却后实心球体表面的铝涂层与实心球体结合，得到镏铝的实心球体，备用，所述实心球体表面的铝涂层的厚度为2mm；

（4）使用电弧炉将钢筋加热到500℃，将铝加热到700℃并涂覆在所述钢筋上，冷却后钢筋表面的铝涂层与钢筋结合，得到镏铝的钢筋，备用，所述钢筋表面的铝涂层的厚度为2mm；

（5）将12根20cm长的所述镏铝的钢筋搭建在立方形模具的12条边缘棱上并固定住，使用电弧炉将铝加热到700℃后将2个直径10cm、2个直径3cm和4个直径1cm的所述镏铝的实心球体放置其中并混合，然后一起浇铸到模具中，冷却后即可制备得到长宽高都为20cm的多种金属结构复合材料。

参见图2，1是长度为20cm的镏铝的钢筋，2是直径10cm镏铝的实心球体，3是浇铸到模具中冷却后的铝，4是直径3cm镏铝的实心球体，5是直径1cm镏铝的实心球体。

所制得的多种金属结构复合材料，按重量百分比计包括以下组分：10%钢、0.5%铅、20%铝、45%树脂、24.5%石棉。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明作的等效变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之中。