本发明属于材料设备领域，涉及在金属基复合材料制备过程中缩短制备周期，降低碳纤维损伤程度的装置及其制备方法，具体指一种制备连续碳纤维铝基复合材料的超声波装置及其制备方法。
背景技术：
超声波振动法制备连续碳纤维金属基复合材料是利用超声波产生的空化效应和声流效应。作用于碳纤维从而使碳纤维均匀分散从而制备碳纤维金属基复合材料的工艺方法。而碳纤维复合材料制备过程中碳纤维的完好程度以及碳纤维在熔体中的分散程度严重影响着碳纤维复合材料的力学性能。常规碳纤维金属基复合材料制备时碳纤维与金属液接触时间长，碳纤维损伤大，碳纤维在金属液中分散程度差，采用超声波振动制备连续碳纤维金属基复合材料可以极大的缩短碳纤维与金属液接触时间，减小碳纤维所受冲击力，极大程度上保证了碳纤维的完好，同时利用超声波使碳纤维均匀分散，达到提高碳纤维金属基复合材料力学性能的目的。目前由于超声波振头无法在大于120℃条件下服役，并且由于金属导热以及热辐射等原因无法长时间在金属熔炼过程中进行使用，需要有一种实验装置解决这些问题。
技术实现要素：
发明目的：
本发明提供一种制备连续碳纤维金属基复合材料的超声波装置及制备方法，该设备冷却效率高，改变了碳纤维金属基复合材料制备时碳纤维与金属液接触时间长，碳纤维损伤大的现状，提高碳纤维在金属液中分散程度，降低碳纤维分散所需时间，从而减小碳纤维损伤，获得高质量碳纤维金属基复合材料。
技术方案：
一种制备碳纤维铝基复合材料的超声波装置，包括伺服系统、超声波振动系统、冷却系统和气体保护系统，其特征在于：伺服系统下端连接有金属杆，伺服系统内部装有电机，金属杆下端连接有连接件，连接件下端连接有超声波换能器，超声波换能器下端连接有超声波变幅杆，超声波变幅杆下端连接有超声波振头，所述超声波换能器通过信号线还连接有超声波发生器，超声波发生器、超声波换能器、超声波变幅杆和超声波振头组合成超声波振动系统，超声波振动系统下部设有熔炼保温炉，炉腔内部设有气体保护装置，坩埚置于气体保护装置内部，所述超声波变幅杆的周圈设有环形冷却装置，环形冷却装置的上端连接有导气管，导气管分别还连接有高压气体储存装置和气体保护装置，导气管、高压气体储存装置和环形冷却装置构成冷却系统，气体保护装置，导气管和高压气体储存装置构成气体保护系统，所述超声波振动系统一侧设置有提拉电机，提拉电机下端连接有弓形夹具。
所述连接件为周圈螺纹的连接件，与金属杆和超声波换能器通过螺纹扣固定。
所述环形冷却装置为环形似“弹簧”螺旋状，上部形状为竖直向上状，下端部为封闭状态，朝向超声波变幅杆的方向布满圆孔。
所述圆孔直径为1~4mm。
所述气体保护装置内侧朝向设有孔洞。
所述气体保护装置内部中空有孔洞结构，孔径大小随着高度增加逐渐变大。
所述弓形夹具具有一定预紧力。
一种制备单向碳纤维金属基复合材料的方法，其特征在于：坩埚内金属熔体熔化后，通过气体保护系统通入一定量的惰性保护气体；然后将固定在弓形夹具上的单向碳纤维用提拉电机放入坩埚内；同时用伺服系统将超声波振动系统精确定位于距离碳纤维一定高度的位置，施加一定时间及一定振幅振动，从而使单向碳纤维分散，金属熔体填充到碳纤维间隙，将碳纤维均匀包裹，制备成单向碳纤维金属基复合材料；最终利用伺服系统及提拉电机将单向碳纤维金属基复合材料及超声波振动系统移出冷却。
优点及效果：
本发明所述的制备装置相比于传统碳纤维金属基复合材料制备装置具有操作简洁、安全系数高的特性，本发明所述制备方法相比于传统制备方法具有碳纤维损伤小，碳纤维分散均匀且分散程度高，复合材料生产周期短、效率高,适合连续生产等优点，引入环形冷却装置很好地解决了传统的制备装置散热差的严重问题。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细说明：
图1为连续碳纤维金属基复合材料超声波装置总体安装示意图。
所述标注为：1.伺服系统、2.超声波换能器、3.超声波变幅杆、4.导气管、5.高压气体储存装置、6.环形冷却装置、7.超声波振头、8.金属熔体、9.连续碳纤维、10.气体保护装置、11.熔炼保温炉、12.坩埚、13.弓形夹具、14.提拉电机、15.超声波发生器、16.连接件、17.金属杆。
具体实施方式
本发明提供一种制备连续碳纤维金属基复合材料的超声波装置及其制备方法，改变碳纤维金属基复合材料制备时碳纤维与金属液接触时间长，碳纤维损伤大的现状，提高碳纤维在金属液中分散程度，降低碳纤维分散所需时间，从而减小碳纤维损伤，获得高质量碳纤维金属基复合材料。
实施例：
如图1所示，伺服系统1下端连接有金属杆17，伺服系统1内部装有电机，金属杆17可通过电机的控制，实现上、下、左、右、前和后的移动，金属杆17下端螺纹扣连接有连接件16，连接件16为周圈螺纹的连接件，与金属杆17和超声波换能器2通过螺纹扣固定，连接件16下端螺纹扣连接有超声波换能器2，连接件为周圈螺纹的连接件，可通过螺纹进入螺纹扣的长度微调超声波换能器2的高度，超声波换能器2下端螺纹扣连接有超声波变幅杆3，超声波变幅杆3下端螺纹扣连接有超声波振头7，所述超声波换能器2通过信号线还连接有超声波发生器15，用于发射超声波信号，超声波发生器15、超声波换能器2、超声波变幅杆3和超声波振头7组合成超声波振动系统，超声波振动系统下部设有熔炼保温炉11，炉腔内部设有气体保护装置10，气体保护装置10内侧朝向设有孔洞，孔洞结构孔径大小随着高度增加逐渐变大，坩埚12置于气体保护装置10内部，所述超声波变幅杆3的周圈设有环形冷却装置6，环形冷却装置6为环形似“弹簧”螺旋状，上部形状为竖直向上状，下端部为封闭状态，朝向超声波变幅杆3的方向布满1~4mm圆孔，环形冷却装置6的上端连接有导气管4，导气管4分别还连接有高压气体储存装置5和气体保护装置10，导气管4、高压气体储存装置5和环形冷却装置6构成冷却系统，气体保护装置10，导气管4和高压气体储存装置5构成气体保护系统，所述超声波振动系统一侧设置有提拉电机14，提拉电机14下端连接有具有一定预紧力的弓形夹具13。
上述装置制备单向碳纤维金属基复合材料的方法：坩埚12内金属熔体8熔化后，通过气体保护系统通入一定量的惰性保护气体；然后将固定在弓形夹具13上的单向碳纤维9用提拉电机14放入坩埚内；同时用伺服系统1将超声波振动系统精确定位于距离碳纤维一定高度的位置，施加一定时间及一定振幅振动，从而使单向碳纤维9分散，金属熔体8填充到碳纤维间隙，将碳纤维均匀包裹，制备成单向碳纤维金属基复合材料；最终利用伺服系统及提拉电机将单向碳纤维金属基复合材料及超声波振动系统移出冷却。