自动化制备多层粉体材料系统的设计本科毕业论文.docx

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自动化制备多层粉体材料系统的设计本科毕业论文

本科毕业论文

自动化制备多层粉体材料系统的设计

自动化制备多层粉体材料系统的设计

摘要

随着新技术、新产业的出现，对材料性能的要求日益增高，单一组元材料的性能已经很难满足要求；而复合材料的各组份在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

目前，层状复合材料已经成为材料应用工程领域中一个重要研究方向，其制备方法及相应的装备已成为目前研究的焦点。

层状复合材料常用的制备方法有直接叠层法、轧膜成型、流延成型或注浆成型等，这些制备工艺在不同程度上存在制备效率低、层厚比不均匀等缺陷，极大的限制的层状复合材料的制备及应用，基于此，本设计提出粉液混合-喷雾-干燥法制备层状材料的工艺，并设计了相应的自动化实现装备，并对其中的喷雾装置、搅拌装置、运动装置和干燥装置进行了结构设计和计算。

这些结果将为层状复合材料自动化制备及装备的研发提供方法及理论指导。

关键词：

多层状复合材料；自动化制备系统；层厚；结构设计

DesignofAutomiticFabricationSystemfor

Multi-layeredCompositeMaterials

Abstract

Withtheemergenceofnewtechnologiesandnewindustries,therequisitiononmaterialpropertiesincreasesdaybyday,singlecomponentmaterialhasbeendifficulttomeettherequirements.Synergisticeffectswillbeformedinthecompositematerialswhencompositematerialsareconsistedofdifferentsinglecomponentmaterials.Thus,thepropertiesofthesecompositematerialswillbesuperiortothatofthesinglecomponentmaterial,whichmakethesecompositematerialsmeetvariousrequirementsinengeeringapplications.Layeredcompositematerialsasakindofcompositematerialshavemanysurperiorpropertiessuchastheeolotropy,themachinability,andsoon.Therefore,fabricationtechnologiesandfabricationequipmentsoflayeredcompositematerialsapplicationhavebecomeanimportantresearchdirection.Thefabricationtechnologiesincludedirectlamination,rollingformation,tapecastingandslipcastinginrecentyearswhichcanproducemulti-layeredmaterials.Thesefabricationtechnologieshavemanydefects,suchaslowefficiencyanduneventhicknessratio,whichgreatlylimitsthepreparationandapplicationofmulti-layeredmaterials.Beviewsofthese,aneffectivemethodofpreparingmulti-layeredmaterialsthroughthefabricationtechnologyofPowder-liquidmixing–Spray–Dryinghasbeenpresentedandthecorrespondingautomationequipmenthasbeendesigned.Theautomationequipmentisconsistedofspraydevice,stirringdevice,movementdeviceanddryingequipment.Theseresultswillprovideamethodforautomationequipmentdesignandatheoreticalguidanceforthepreparationofmulti-layeredmaterials.

Keywords:

Multi-layeredcompositematerials;Automiticfabricationsystem;Layerthickness;Structuredesign

第1章绪论

1.1研究背景

21世纪是复合材料的时代，随着科学技术的发展，对各种新技术、新材料的应用越来越广泛。

单一的材料或合金已经很难满足现代化生产对材料综合性能的需求。

复合材料是解决各种特殊结构、功能要求的重要途径。

因此新型复合材料的研制倍受世界各国的普遍重视。

复合材料一般可分为层状复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料，其中层状复合材料由于其工艺相对简单，具有较高的强度、耐腐蚀性和良好的导电、导热、导磁等综合性能，因而广受欢迎，在航天、石油、机械、化工、汽车、造船、建筑、电力、电子、核能以及家用电器、日常生活用品等领域得到了广泛的应用。

层状复合材料按照使用功能要求分为结构复合材料和功能复合材料；按照基体材料的性质，复合材料分为金属基复合材料和非金属基复合材料；按照层状复合材料韧性程度可划分为柔性层状复合材料和刚性层状复合材料。

1.1.1层状金属复合材料的制备方法

层状金属复合材料的制备方法有多种，按照工艺属性可划分为：

固-固相复合法、固-液相复合法、液-液相复合法。

固-固相复合法包括爆炸复合、压力加工复合、电磁复合等力学复合方法；固-液相复合法包括钎焊、铸造、SHS（自蔓延高温合成）、喷射沉积、粉末冶金等冶金方法，以及胶粘、表面喷涂的等化学方法。

液-液相复合法主要包括离心浇注法、液-液相铸轧法等。

（1）固-固相复合法

爆炸复合法又称金属爆炸焊接，此工艺是借助炸药爆炸产生的高强化学能驱动复板高速碰撞基板，碰撞点产生的瞬间高压不仅破坏了金属板表层的氧化薄膜，露出了新鲜的表面，而且在露出新鲜金属表面上形成了一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区，从而实现强固结合的一种金属焊接的新工艺和新技术。

爆炸复合法适用于炸复合法主要适合于单张面积较大、厚的复合板材产品或复合板坯、多层复合板的生产，其最佳的焊接参数的标准是优质的焊接界面，而焊接界面有时由于波形畸变严重，形成漩涡并且呈现熔化后的铸态组织等缺陷，结合强度较低，进而导致其力学性能不佳[1]。

压力加工复合法分为热轧复合法和冷轧复合法。

轧制复合法的基本原理是指金属板在受到轧机施加于其上强大压力的作用下，在两层金属的待复合表面发生塑性变形，使表面金属层破裂。

随后，洁净而活化的金属层从破裂的金属表面露出，在强大压力作用下，形成平面状的冶金结合。

2011年，宋鸿武[2]在《异种金属层状复合材料累积叠轧工艺的研究进展》一文中综述了异种材料累积叠轧技术，介绍了累积叠轧的工艺原理及异种材料累积叠轧试样的宏观结构和力学性能研究进展。

同种材料累积叠轧后叠轧试样厚度最小的只有0.3~0.5mm，异种材料最小才0.675mm，累积叠轧技术还并没有深入到0.3mm以下的超薄带领域。

轧制复合法具有成本低、界面结合牢固、工艺简单等优点，然而复合板的厚度难控制，生产一致性和稳定性很差只适用于生产较厚的板材[1]。

电磁复合工艺是依靠被焊工件之间强脉冲磁场的瞬间相互作用而产生高速碰撞，来实现金属间的复合连接或焊接（即达到冶金上的连接）的工艺方法，是电磁脉冲加工技术的一种特殊应用形式。

该工艺主要适用于用常规的复合或焊接工艺难以实现或达不到要求的场合，并具有很大的灵活性和优越性。

尽管电磁复合或焊接技术已应用在很多领域，但设备能量和加工效率均较低，还远不能满足大型零件的需求。

（2）固-液相复合法

铸造复合法是将一种基体（固相）和另外一种基体（液相）在铸模内进行熔合,凝固后形成复合材料的技术。

铸造复合法的生产特点是连续化、自动化程度高,生产成本低,应用范围大等。

这种制备方法对设备制造工艺水平、操作技能及自动化程度要求较高，特别需要控制浇注速度才能使两层金属界面结合良好且稳定[3]。

钎焊法是将浸润状态下的液态金属相凝固，使两种金属焊合在一起的方法。

钎焊工艺简单、操作方便，易于实现异种金属的结合。

但钎焊结合部位的硬度不高，易出现小孔、夹渣、偏析等缺陷。

喷射沉积法[4]是将金属溶解雾化后，将其喷射到金属基材上，获得成分均匀，组织细密的复合材料的方法。

该方法可以实现梯度复合以减少合成应力，改善复合材料的使用性能，可以制成多层金属复合材料。

然而喷射沉积法制备的复合材料气孔率较大且易出现疏松，质量稳定性较差。

复合新技术还有SHS（自蔓延高温合成）、粉末冶金等冶金方法，然而由于均具有不同程度的局限性，所以未投入到大规模的生产实践中[5]。

（3）液-液相复合法

离心浇注法是一种传统的铸造方法，主要生产管材和板材。

方法是先铸出复合管坯，再进行挤压、轧制成管材；或者将复合管坯纵向剖开制成板坯，再轧制成板材。

该方法很好地解决了复合界面的冶金溶合问题，结合强度高。

液-液相铸轧法的装置是双辊铸机由上、下两个轧辊组成，在上下辊侧分别装有一个浇注口。

上部轧辊向下拉拽金属液体，下部轧辊直接水平拉拽金属液体，在位于双辊铸机入口附近形成混合层。

由于在轧辊咬合之前位于下方的薄带并没有完全凝固，当上下轧辊互相咬合时，上面的薄带能被连接到基带上形成复合薄带在轧辊中间轧制成形。

其生产可实现连铸连轧、批量生产，生产工艺流程简单，能源消耗少、制造成本低，具有良好的开发前景，因此或将成为复合板生产工艺的主流发展方向。

1.1.2层状陶瓷复合材料的制备方法

层状陶瓷复合材料的制备，常采用轧膜成型、流延成型或注浆成型等成型工艺先制备出基体片，然后用浸涂或刷涂的方法将软质料涂覆在基片上，最后将有涂层的基片叠成块体经热压或气压烧结制成层状复合材料[6]。

轧膜成形是将陶瓷粉料及烧结助剂和有机粘合剂、增塑剂、润滑剂混料后在对辊机上反复混练压轧得到一定厚度的坯体。

此法制成的薄膜均匀、致密、光洁度好，可以轧制1mm以下的薄片。

流延成型将粉料、粘合剂及其他添加剂制成均匀的悬浮液,再均匀地涂布在连续的带子上，经过干燥得到薄层材料。

流延成型生产效率高，工艺性能稳定，产品均匀性好，然而也有薄片坯体致密度不高，烧成收缩大，产品中易残留有机物碳化的灰粉等缺点。

注浆成形是传统的陶瓷成形方法之一。

通过交替在石膏模具中注入不同泥浆，可以得到层状泥坯。

控制吸浆时间得到不同的泥层厚度，干燥后得到素坯。

此法虽生产工艺简单，但产品收缩大，密度较低。

1.1.3层状复合材料组份层厚对其力学性能的影响

层状复合材料是一种仿生结构设计，模拟了自然界中贝壳的微观组织结构。

研究发现贝壳中珍珠层的结构与抹灰砖墙结构相似，是由一层层超薄的碳酸钙通过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起，其中碳酸钙约占体积的95%，有机物只占5%，但这5%的有机物引起了碳酸钙力学性能的巨大变化纯粹的碳酸钙很脆，而珍珠层的强韧性却很高，人们从这种结构中受到启发，要克服陶瓷材料的脆性，可以采用层状结构在脆性陶瓷材料中加入耐高温软质材料，制成层状复合材料近年来国内外开展了许多这类研究工作，常选用高强、高硬的陶瓷如Al2O3、SiC等来模拟珍珠层中的硬层,选用硬度较低、弹性模量较小的陶瓷（如石墨、BN等）或金属（如Al、Ni、W）模拟珍珠层中的软层，取得了良好的韧化效果，成为当前国际上陶瓷增韧研究的热点[6]。

广西民族学院的黄奇良和清华大学的潘伟采用流态成型-离心注浆成型、热压烧结制备了Al2O3/W层状复合材料，研究了Al2O3层、金属W层的厚度对层状复合材料力学性能的影响[7]。

得出Al2O3/W层状复合材料的抗弯强度和断裂韧性不仅与Al2O3层、金属W层的厚度有关，而且与Al2O3/W层厚比有关的结论。

BermejoR[8]也通过实验证明新兴复合材料GLARE的力学性能与其中的铝层厚度有关。

2000年，清华大学的罗永明博士在《SiC/W层状复合材料的制备工艺与力学性能》一文中提出利用凝胶-浇注结合喷涂法制备SiC/W层状复合材料[9]。

文中指出喷涂法可以使涂层很薄很均匀，层厚可以控制到几到几十微米；还确定了金属喷涂的最佳工艺条件，并叙述了金属层厚度对层状复合材料力学性能的影响，结果指出：

SiC/W层状复合材料的断裂韧性随着金属层厚度的增加而增大。

2009年刘维良[10]等以工业碳化硼和硼化钛粉末作为原料，采用水基流延成型和热压烧结方法制备了B4C/TiB2层状复合陶瓷。

并研究了层厚比、层数和B4C/（1-X）wt%TiB2+Xwt%B4C层状复合陶瓷的夹层组分与力学性能之间的关系。

结果表明：

B4C/TiB2层状复合材料的层厚比越小，层数越多，弯曲强度和断裂韧性越高。

2012年，北京航空制造工程研究所金属成形技术研究室的盖鹏涛《Ti-Al3Ti层状复合材料的研究现状与发展》一文中着重论述了两种压力加工复合材料的制备技术，即轧制复合法和热压复合法。

同时归纳了Ti-Al3Ti层状复合材料的微观组织及力学性能方面的研究，并指出Ti-Al3Ti层状复合材料的制备及成形工艺还不够成熟，探索新的制备工艺及成形技术，进一步提高材料的性能，降低成本，实现工业化是最重要的研究方向之一[11]。

2013年中国科学院的齐亚娥[12]等为优化Al2O3层状复合材料的制备工艺及力学性能，选用不同初始粉体为原料，采用铺层-干压法制备了系列Al2O3/Al2O3-ZrO2（3Y）层状复合材料。

借助X射线衍射、冷场发射扫描电镜和万能试验机等手段，系统考察了粉体结构和形貌对层状复合材料显微结构和性能的影响。

文中指出初始粉体的颗粒尺寸及尺寸分布会显著影响层状复合材料的显微结构及力学性能，以球磨微-纳米复合粉体为原料制备的层状复合材料具有最佳的力学性能，其抗弯强度和断裂功分别可达740MPa及3893J。

同时，材料具有较高的层间结合强度，平行于层方向的抗弯强度高达436MPa。

综上，层状复合材料各组份的层厚及层厚比是影响其力学性能的重要因素，在层状材料的制备中应严格控制各组份的层厚，以保证层状复合材料获得优良的力学性能，更适合于机械加工，进而应用到更加广泛的领域中去。

1.2本文研究的目的、意义及主要内容

1.2.1研究的目的和意义

层状复合材料由于其独特的各向异性、可加工性及成分空间分布可调性，广泛应用在材料工程及机械工程等领域中。

但层状复合材料的组份、单层厚度及各组份间的层厚比对层状材料的力学性能有较大影响，因此，为了获得良好力学性能的层状复合材料，有必要对层状复合材料素坯的制备工艺及装备进行研究和设计。

本设计将利用液、电、气三方面的控制技术结合粉体的特点，设计高效制备层状复合材料素坯的装备，分析其关键部件的工作原理及性能，其对层状复合材料的高效制备具有重要的实际意义和一定的理论意义，主要体现以下两个方面：

（1）通过对搅拌系统、喷雾系统、干燥系统、工作台运动系统及其与喷杆运动控制系统的设计，将实现层状复合材料素坯的高效制备，体现本设计的实际意义。

（2）建立喷雾量与层厚间及喷雾角和射距与层状材料有效面积的关系模型，为层状复合材料的制备提供理论指导，体现本设计的理论意义。

1.2.2研究的主要内容

（1）制备多层粉体材料机械结构设计。

（2）控制系统的设计。

（3）熟悉粉体的特性。

（4）粉体分层原理。

（5）进行结构受力的计算。

第2章喷雾装置的设计

在自动化制备多层粉体复合材料系统的设计中，为保证复合材料各组分层厚的可控和各组分间的层厚比、粉体分布的均匀性及素坯的高效制备，其关键在于喷雾系统的设计。

喷雾系统主要由喷嘴、泵、阀等组成。

为了满足复合材料各组份层厚可控及粉末分布均匀性的要求，需要对喷嘴的雾化角、喷口直径及其他几何参数进行设计；泵和阀等则根据设计任务要求进行选用。

2.1喷嘴的设计

喷嘴的流量、喷雾锥角、工作压力及工质物性参数对喷雾性能有较大影响，依据这些参数可确定喷嘴的几何参数，完成喷嘴的设计。

喷嘴根据雾化方式可分为机械雾化喷嘴、空气雾化喷嘴、超声波雾化喷嘴和静电雾化喷嘴。

其中机械雾化喷嘴多用于非燃烧设备，如干燥、喷漆等；空气雾化喷嘴和超声波雾化喷嘴主要应用于工业炉、锅炉、航空与工业燃机等场合；静电雾化喷嘴主要用于喷漆设备，与机械或空气雾化方法结合使用。

本研究采用机械离心式雾化喷嘴。

离心式雾化喷嘴的工作原理是利用喷嘴内的旋流器使液体产生旋转，液体在收敛通道内被加速并喷出，形成空心扩散锥状液膜，由于其与外界空气存在高速差而被破碎雾化。

旋流器是使液体产生离心力的关键部件，其与旋流室及喷口相连，组成一体，被称为雾化器。

图2.1是离心雾化喷嘴的抽象原理图，其主要由进液道、旋流室及喷口三个部分组成。

图2.1离心式雾化喷嘴示意图

表2.1列出了离心式雾化喷嘴的主要参数，其中，喷口直径dc、旋流室内径Dk、旋流室长度H和喷嘴出口长度Lc对喷嘴的喷雾性能影响较大[13]其中，喷口直径dc、旋流室内径Dk和旋流半径R的值可依据公式计算获得，其他参数可依据表2.1根据工作条件确定。

表2.1离心式雾化喷嘴各结构尺寸及取值

主要结构件

主要尺寸

对喷嘴性能的影响

切向孔

数量

n↑，分布均匀，且雾滴细，但难加工

切向孔直径

太小，易堵，难加工

切向孔长度

↓，α↓，

↑，雾滴变粗

旋流室

出口锥角β

β↑，α↓，qm↓，雾滴变细，分布变坏（与旋流半径R一致）

内径Dk

随着Dk的增大α先增大后减小

长度Lk

Dk>dd

喷口

直径dc

↑，α↑，

↑雾滴粗

长度

↑α↓，

↓雾滴变粗

2.1.1雾化角的计算

喷雾锥角规定有两种[14]，一是将喷嘴出口中心点到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角定义为雾化锥角，由于喷雾炬在离喷口后会有一定程度的收缩，它直接影响到喷嘴喷射面积的大小；二是以喷口为中心，在距喷嘴端面

处与喷雾曲面的交点连线的夹角'，称为条件雾化角，

的取值在20mm以上，对于小流量喷嘴

=40~80mm，对于大流量喷嘴

=100~250mm为宜。

在本研究采用第二种规定来设计计算，取

=65mm。

模具内腔的尺寸：

Φ60×120及Φ40×120。

当D=60mm时，根据以下公式

（2.1）

可得=49°33′≈50°。

当D=40mm时，为使用同一种结构参数的喷嘴，当喷雾锥角为50°，喷雾高度

=42.89mm。

2.1.2喷口参数的计算

喷口的直径对喷雾性能有较大影响，为了获得良好的喷雾性能，考虑粘性对喷雾性能的影响，本研究将依据文献[15]对嘴喷直径所研究的相关结果，确定的喷嘴直径。

在确定喷嘴直径的过程中，首先需要确定混合液的密度、液压、供液量等参数，以下将对这些参数进行分析和计算，最终确定喷嘴的直径。

2.1.2.1.混合液密度的确定

混合液的密度即固体粉末与酒精均匀混合后单位体积混合液的质量。

为确定混合液的密度，首先要确定混合液的体积及混合液的质量，其确定过程如下：

依据设计任务可知模具底面积为S1=2827.4mm2、S2=1256.6mm2，为了确定混合液的密度lm，本设计以WC作为粉体，其真密度ρ真=15.5g/cm3，以酒精作为液相，设层状材料的每层厚度hs为45m及每个模具中制备三块试样时总层厚为120mm来确定混合液的密度lm。

将S1=2827.4mm2、hs=45μm代入下式：

（2.2）

可得每层粉体材料的质量Vs：

将Vs=127mm3及WC的真密度ρ真=15.5g/cm3代入下式：

（2.3）

可得每层粉体材料的质量ms：

将粉体与酒精按质量比为1:

3混合。

在本研究中，设固体微粒浸吸的液体较少，几乎不影响混合体积的变化[16]。

将ml=6g、ρl=0.8g/cm3代入下式：

（2.4）

可得酒精的体积Vl=7.5×103mm3。

将上述结果及粉末体积Vs=127mm3代入下式：

（2.5）

可得混合液体积Vf=7.627×103mm3。

将Vf=7.627×103mm3、S1=2827.4mm2代入下式：

（2.6）

可得喷嘴一次性喷出混合液体的高度hf=2.70mm。

将粉末质量ms=2g、酒精质量ml=6g及混合液的体积Vf代入下式：

（2.7）

可得混合液的密度ρf=1.05g/cm3。

2.1.2.2.供液量的确定

为了确定供液量，首先要确定喷雾泵的型号及参数，表2.2是所选用泵的型号及参数。

表2.2泵的型号及参数

规格型号

实际体积流量Q/m3/h

口径/

电机功率/W

重量/kg

进口

出口

CQB16-12-50F

0.6

16

12

25

5

将Q=0.6m3/h、ρf=1.05g/cm3代入下式：

（2.8）

可得混合液的质量流量qmf=630kg/h=0.175kg/s。

而混合液的体积流量qvf=Q，那么喷一层所需时间可由下式计算获得：

（2.9）

当Vf=7.627×103mm3时，则t=0.046s。

2.1.2.3.喷嘴参数的计算

（1）填充系数ε：

旋流喷嘴中的液体会形成一个空心锥体，为此，引入一个填充系数ε，定义为喷嘴出口处流体所占面积与出口面积之比[15]，即由以上计算的α1=50°，代入下式[15]：

（2.10）

可得ε=0.74，

将ε=0.74代入下式[15]：

（2.11）

可得几何常数K=0.58

（2）排放系数cd

理论上，体积流量应当等于喷嘴出口速度V与出口面积A0的乘积，但实际上，流体在出口处并不是充满整个排放口，中心部分有一个空气芯，使实际流通面积变小[15]。

在此引入排放系数cd，定义为实际流量与理论流量之比，采用以下公式[15]计算排放系数cd：

（2.12）

将ε=0.74代入上式可得cd=0.567。

（3）计算喷口直径dc：

（2.13）

由前面的计算可知qmf=0.175kg/s、cd=0.567、pf=1MPa=106Pa、ρf=1.05g/cm3代入上式可得dc=2.9mm。

（4）根据下式初步选定旋流室半径R：

（2.14）

其中m=0.5~3，取m=3,并将dc=2.9mm代入上式，得到R=8.7mm。

（5）切向孔直径dd：

（2.15）

将R=8.7mm、dc=2.9mm、n=4及K=0.58代入上式，得到dd=5.3mm。

比较式（2.14）和式（2.15）的计算结果可知R>dd/2，