專利名稱：功能復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種功能復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
功能復(fù)合材料是指除力學(xué)性能以外還提供其他物理性能并包括部分化學(xué)或生物性能的復(fù)合材料，如有導(dǎo)電、半導(dǎo)、超導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、吸波、摩擦、光敏、熱敏等功能的復(fù)合材料；功能復(fù)合材料主要由一種或多種功能體與基體結(jié)合構(gòu)成，現(xiàn)有的功能復(fù)合材料大部分是由具有功能作用的粉末材料所構(gòu)成，將粉末材料聚集在一起制造成零件或體積材料，一般需通過較大的壓應(yīng)力壓制使粉末顆粒結(jié)合在一起形成生坯，然后燒結(jié)生坯使粉末顆粒之間相互牢固地結(jié)合在一起，如專利申請?zhí)枮?1133505.X的發(fā)明專利公開的“一種制備TiB2-BN導(dǎo)電復(fù)合材料的方法”，將二氧化鈦粉末、三氧化二硼粉末及鎂粉末均勻混合之后用模具壓制，然后燒結(jié)，用于陶瓷材料表面的金屬化；然而，在燒結(jié)過程中，粉末材料一般會發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，由于燒結(jié)溫度較高，具有功能作用的粉末在燒結(jié)過程中可能失去原有的性能或原有的性能被降低，從而嚴(yán)重影響所制備的功能復(fù)合材料的性能質(zhì)量；例如，對于納米晶粉末，在燒結(jié)過程中晶粒很容易長大，以致難于保持納米晶的性質(zhì)；而且，由于粉末燒結(jié)材料內(nèi)含有大量的孔隙，從而使功能復(fù)合材料不連續(xù)；又如磁性材料，在燒結(jié)過程中會失去磁性，所以必須在燒結(jié)完成之后再將材料磁化；另外，上述燒結(jié)過程一般必須在真空環(huán)境或有保護性氣體的非氧化氣氛條件下進行，燒結(jié)時間長，能耗高?，F(xiàn)有的另一種制備功能復(fù)合材料的方法是將具有功能作用的粉末混入半固態(tài)的基體材料中，如專利申請?zhí)枮?0119155.1的發(fā)明專利公開的“橡膠類聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料的制備”，采用密煉機與開煉機將導(dǎo)電粉末填料加入到橡膠類聚合物中共混，制備正溫度系數(shù)復(fù)合材料。上述兩種方法無論是將粉末共混，還是將粉末作為填料加入到聚合物中共混，無論共混時間多長，都不可能保證各相材料真正的均勻分布，粉末的取向也是隨機的，因而所制備的復(fù)合功能材料的均勻性受到較大的影響。在專利申請?zhí)枮?0119155.1的發(fā)明專利公開的“粉體壓制裝置及稀土合金磁性粉末成型體的制作方法”公開了一種在磁場中使粉末取向之后壓制的方法，這種方法可使粉末分布較為均勻，但并不能保證已取向的粉末在壓制過程中不發(fā)生混亂。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種能使粉末有規(guī)律地均勻分布在復(fù)合材料中，顯微組織晶粒細小均勻，顯微組織特征具有良好的重復(fù)性，粉末顆粒的性質(zhì)及狀態(tài)被保持在所制備的材料中的功能復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述方法制備的組織均勻、性能良好的功能復(fù)合材料，本發(fā)明所述功能復(fù)合材料不包括以提高硬度及耐磨性能為目的制備的復(fù)合材料。
本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)本功能復(fù)合材料的制備方法包括下述步驟及工藝條件先將具有功能作用的粉末放在容腔中，然后對容腔中的粉末施加場的作用，再將液體材料浸滲進入粉末之間，最后將液體材料固化即可制得所需功能復(fù)合材料；在前述操作過程中，具有功能作用的粉末始終保持為固態(tài)，并有規(guī)律地分布于液體材料凝固形成的基體材料中。
本功能復(fù)合材料的制備方法也可包括下述步驟及工藝條件先將液體材料裝入容腔中，然后將具有功能作用的粉末加入裝有液體材料的容腔中，再對容腔中的粉末施加場的作用，最后將液體材料固化即可制得所需功能復(fù)合材料；在前述操作過程中，具有功能作用的粉末始終保持為固態(tài)，并有規(guī)律地分布于液體材料凝固形成的基體材料中。
所述施加的場是指力場、電場、磁場、光場、溫度場、波場等物質(zhì)場。
所述場為重力場時，在重力場的作用下將具有功能作用的粉末沉積在液體材料中，然后將液體材料固化，獲得粉末均勻分布于基體材料中的功能復(fù)合材料。
所述場為磁場或電場時，所述磁場或電場對容腔中的粉末或容腔內(nèi)液體材料中的粉末產(chǎn)生作用使其均勻取向，然后將液體材料固化，從而將已取向的粉末固化(粉末的取向與固化前完全一致)，獲得粉末均勻分布于基體材料中的功能復(fù)合材料。
所述液體材料可以是常溫下為固體，通過加熱可轉(zhuǎn)變成液體的材料，如金屬鋁、鎂、錫、銅、鋁鎂合金、鋁銅合金等；也可以是常溫下為液體，通過加熱轉(zhuǎn)變成固體的材料，如熱固性高分子材料，如熱固性樹脂、熱固性橡膠等。
所述粉末是指尺寸小于1mm離散顆粒的集合體，如陶瓷粉末、金屬粉末、非金屬粉末等；亦可以采用納米粉末，在制備過程中，納米粉末保持為固態(tài)，其晶粒不熔化，也不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒不會長大，當(dāng)作為基體材料的液相凝固之后，納米粉末均勻地分布在基體相中，從而制備獲得納米顯微組織的功能復(fù)合材料。
為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明的目的，達到較好的制造效果，可以在真空環(huán)境內(nèi)進行本發(fā)明的操作過程；或?qū)⑺鋈萸怀槌烧婵铡?br>
由上述方法即可制得組織均勻、性能良好的功能復(fù)合材料；如具有導(dǎo)電、半導(dǎo)、超導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、吸波、摩擦、光敏、熱敏等功能的復(fù)合材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果1、本發(fā)明制得的功能復(fù)合材料的粉末可有規(guī)律地排布并以固態(tài)形式保存下來，其取向較易控制，因而通過本發(fā)明可獲得具有優(yōu)異性能的功能復(fù)合材料。
2、本發(fā)明制得的功能復(fù)合材料的功能相粉末在基體材料中分布相對于粉末和半固態(tài)膠合材料共混法更加均勻，因而所制得的功能復(fù)合材料均勻性更好，性能更加穩(wěn)定可靠。
3、本發(fā)明制得的功能復(fù)合材料與粉末燒結(jié)材料相比，其功能相粉末在材料制備過程中一直保持為固態(tài)，粉末顆粒不會長大，粉末顆粒的性質(zhì)及狀態(tài)被保持在所制備的材料中。
4、本發(fā)明方法制備的功能復(fù)合材料顯微組織特征具有良好的重復(fù)性。
5、本發(fā)明方法操作簡單、方便，制造效率高，適合大批量生產(chǎn)加工。
6、利用本發(fā)明可以制造出多種類型的功能復(fù)合材料，包括半導(dǎo)體功能復(fù)合材料、磁性材料、光敏材料、熱敏材料、吸波材料、力的傳感器、溫度傳感器等，應(yīng)用范圍極其廣泛，市場前景非常好。
圖1是本發(fā)明功能復(fù)合材料的制備過程中所使用的模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1本發(fā)明方法采用圖1所示的模具來制備具有磁性的功能復(fù)合材料，由圖1可見，所述模具包括陰模1、上陽模5、下陽模10、電熱絲8、線圈9，下陽模10插入陰模1內(nèi)形成模腔11，上陽模5與模腔11相對設(shè)置，可插入模腔11內(nèi)使模腔11成一封閉空間，在陰模1內(nèi)設(shè)置有電熱絲8和冷卻通道2，在陰模1外環(huán)繞有用于形成磁場的線圈9，在陰模1內(nèi)還開有通孔，通孔分別連接抽真空管3和液體輸入管7，連接抽真空管3的通孔內(nèi)設(shè)置有抽真空控制閥4，連接液體輸入管7的通孔內(nèi)設(shè)置有液體輸入控制閥6，抽真空管3與液體輸入管7分別用于對模腔抽真空及輸入液體材料。
實現(xiàn)本發(fā)明方法的具體步驟如下首先給電熱絲8通電將模具預(yù)熱到180℃，然后把平均粒徑為80μm的三氧化二鐵磁性粉末輸送入模腔11中，給線圈9通直流電，在線圈9內(nèi)的空間中形成磁場，三氧化二鐵磁性粉末在磁場的作用下實現(xiàn)磁極取向，并堆積在模腔11中，然后上陽模5下行，使上陽模5下表面與陰模1內(nèi)壁及下陽模10上表面形成一封閉空間，接著打開陰模1上抽真空控制閥4，通過抽真空管3對模腔11抽真空，使模腔11內(nèi)的真空度達到5Pa，然后打開陰模1上液體輸入控制閥6，通過液體輸入管7將過熱溫度達300℃呈熔化狀態(tài)的金屬錫液輸入模腔11中的三氧化二鐵磁性粉末之上，然后上陽模5下行將金屬錫液擠壓滲入三氧化二鐵粉末之中，上陽模5在接近粉末時停止下行；由于上陽模5及下陽模10與陰模1配合良好，錫液不會從上陽模5及下陽模10與陰模1滑動配合的接觸面溢出；最后往冷卻通道2內(nèi)通入冷卻水，使錫液冷卻凝固之后，下陽模10將已成形的磁性粉末有取向地分布于錫基的磁性功能復(fù)合材料卸出陰模1即完成本發(fā)明。
實施例2本實施例仍采用實施例1所述的模具來實現(xiàn)，所要制備的是高分子半導(dǎo)體功能復(fù)合材料，這種功能復(fù)合材料在應(yīng)力作用時，材料的電阻率可發(fā)生變化。實現(xiàn)本發(fā)明方法的具體步驟如下打開陰模1上液體輸入控制閥6，通過液體輸入管7往模腔11內(nèi)輸入N-200型樹脂液體，再將平均粒徑為100nm的銅粉輸送入模腔11中，銅粉位于N-200型樹脂液體上面，然后上陽模5下行，使上陽模5下表面與陰模1內(nèi)壁及下陽模10上表面形成一封閉空間，接著打開陰模1上抽真空控制閥4，通過抽真空管3對模腔11抽真空，使模腔11內(nèi)的真空度達到5Pa，接著下陽模10上行，擠壓模腔11中的N-200型樹脂液體，在壓應(yīng)力的作用下使N-200型樹脂液體浸滲進入上面的銅粉中，當(dāng)下陽模10達到設(shè)定的位置之后，保持壓力的同時，模具上的電熱絲8通電將模腔11中的材料加熱至90℃，并保溫15分鐘，使?jié)B入銅粉中的N-200型樹脂浸滲液體凝固，最后上陽模5上行脫出陰模1，下陽模10將模腔11中已固化的銅粉相互接觸并均勻分布于N-200型樹脂(絕緣基體材料)的半導(dǎo)體功能復(fù)合材料卸出陰模，從而獲得彈性良好的高分子半導(dǎo)體功能復(fù)合材料。
實施例3本實施例所要制備的是半導(dǎo)體功能復(fù)合材料。實現(xiàn)本發(fā)明方法的具體步驟如下把硫粉裝在玻璃試管中，放在加熱爐內(nèi)加熱至130℃，使硫液化，然后把預(yù)熱到100℃、平均粒徑為80μm的鐵粉加入裝有液體硫的試管中，由于鐵的比重大于硫的比重，鐵粉在重力場作用下沉積在試管里的液體硫中，用玻璃試棒慢速攪拌液態(tài)硫中的鐵粉，使鐵粉吸附的氣體排出，氣體釋放完了之后停止攪拌，沉積的時間根據(jù)需要確定，然后將試管拿出爐外冷卻，試管中的硫凝固之后，則獲得鐵粉相互接觸并均勻分布于基體硫中的半導(dǎo)體功能復(fù)合材料。
實施例4本實施例所要制備的是納米半導(dǎo)體功能復(fù)合材料。實現(xiàn)本發(fā)明方法的具體步驟如下首先通過電弧放電的方法使平均粒徑為80nm的鐵粉帶上負(fù)電荷，鐵粉顯電負(fù)性；然后將N-200型樹脂液體裝在玻璃試管中，再將鐵粉加入裝有N-200型樹脂液體的試管中，將試管置于通有直流電的上下平行的電極板之間，上下平行電極板的下側(cè)電極板接直流電源的正極，帶負(fù)電的鐵粉在電場和重力場的作用下沉積到試管底部，均勻地分布在N-200型樹脂液體中，然后將試管放入90C的水中，試管中的N-200型樹脂液體加熱后凝固，則獲得納米鐵粉相互接觸并均勻分布于基體N-200型樹脂中的納米半導(dǎo)體功能復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種功能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟先將具有功能作用的粉末放在容腔中，然后對容腔中的粉末施加場的作用，再將液體材料浸滲進入粉末之間，最后將液體材料固化。
2.一種功能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟先將液體材料裝入容腔中，然后將具有功能作用的粉末加入裝有液體材料的容腔中，再對容腔中的粉末施加場的作用，最后將液體材料固化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述場是指力場、電場、磁場、光場、溫度場或波場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述液體材料是常溫下為固體，通過加熱可轉(zhuǎn)變成液體的材料或常溫下為液體，通過加熱轉(zhuǎn)變成固體的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述粉末是指尺寸小于1mm離散顆粒的集合體。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述粉末為陶瓷粉末、金屬粉末或非金屬粉末。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述粉末為納米粉末。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所有操作過程在真空環(huán)境內(nèi)進行或?qū)⒎勰┘耙后w材料所在的容腔抽成真空。
9.一種由權(quán)利要求1或2所述功能復(fù)合材料的制備方法制得的具有導(dǎo)電、半導(dǎo)、超導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、吸波、摩擦、光敏或熱敏功能的功能復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種功能復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟先將具有功能作用的粉末放在容腔中，然后對容腔中的粉末施加場的作用，再將液體材料浸滲進入粉末之間，最后將液體材料固化；亦可為先將液體材料裝入容腔中，然后將具有功能作用的粉末加入裝有液體材料的容腔中，再對容腔中的粉末施加場的作用，最后將液體材料固化。由本發(fā)明制得的功能復(fù)合材料的粉末有規(guī)律地均勻分布在復(fù)合材料中，顯微組織晶粒細小均勻，顯微組織特征具有良好的重復(fù)性，粉末顆粒的性質(zhì)及狀態(tài)被保持在所制備的材料中，因而具有組織均勻、性能良好的優(yōu)點，可以是具有導(dǎo)電、半導(dǎo)、超導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸聲、光敏、熱敏等功能的功能復(fù)合材料，應(yīng)用范圍廣泛，市場前景好。
文檔編號B29C70/00GK1488775SQ03140239
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者周照耀 申請人:周照耀