连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置及方法

技术领域

本发明涉及连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置及方法，属于结构材料技术领域。

背景技术

氧化铝纤维具有较低的导热率、加热收缩率和热容，是当今国内外最新型的超轻质高温绝热材料之一。由于氧化铝纤维与金属基体的浸润性良好，界面反应较小，其复合材料的力学性能、耐磨性、硬度均有提高，热膨胀系数降低。氧化铝纤维增强金属基复合材料主要应用于高负荷的机械零件和高温高速旋转零件以及有轻量化要求的高功能构件，例如汽车刹车片、高温电缆以及直升飞机的传动装置等。其中连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，在纤维方向上具有非常高的比刚度和比强度以及良好的抗疲劳、蠕变和导电性能，主要应用在航空航天、汽车工业以及电力传输领域。在电力传输领域，作为增强芯，该复合材料有望替代“重”的传统钢增强芯而成为新一代远距离电力传输材料。

然而，氧化铝纤维存在脆性大的问题，传统的氧化铝纤维增强金属基复合线材制备是将氧化铝纤维放置在金属液中进行直接牵伸，不仅容易造成纤维断裂，而且无法得到细度均匀的材料。这使氧化铝纤维增强金属基复合材料的优异性能不能在服役过程中得到充分发挥，甚至可能带来极大的安全隐患。

发明内容

[技术问题]

由于氧化铝纤维存在脆性大的问题，将氧化铝纤维放置在金属液中进行直接牵伸的传统制备方法不仅会造成纤维断裂，且无法得到细度均匀的氧化铝纤维增强金属基复合线材，使其优异性能大打折扣。

[技术方案]

为解决上述问题，本发明提供了一种连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置及方法。

本发明的第一个目的在于提供一种连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置，包括放卷机、保温管道、牵引机和收卷机，所述保温管道的一端连通有熔炉，另一端设置有漏嘴，所述漏嘴的下方设置有结合腔，所述漏嘴插入至所述结合腔内，所述漏嘴内设置有导纱管，所述放卷机上卷绕有纱线，所述纱线经过所述牵引机的牵引穿入至所述导纱管内，并从导纱管的底部穿出卷绕至收卷机上。

本发明的一种实施方式中，所述漏嘴的截面为倒三角形，开口朝下，漏嘴通过保温管道与熔炉连通，所述漏嘴的内壁与所述导纱管的外壁之间具有间隙。

本发明的一种实施方式中，所述纱线为氧化铝纤维纱线；所述熔炉内设置有铝水，铝水经过保温管道从所述漏嘴的内壁与所述导纱管的外壁之间的间隙流入至结合腔内，并包裹从所述导纱管底部穿出的氧化铝纤维纱线形成氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材；所述氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材的内芯为氧化铝纤维纱线层，所述氧化铝纤维纱线层外包覆有铝层。

本发明的一种实施方式中，所述结合腔内通入氮气，所述熔炉内也通入氮气；所述结合腔还外接有冷风机构；所述熔炉内还设置有过滤装置；所述保温管道上设置有阀门和压力表，所述阀门为电磁阀或电动阀；所述放卷机、牵引机和收卷机均为辊筒。

本发明的第二个目的在于提供一种连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备方法，所述方法是采用所述的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置，包括以下步骤：

(1)将铝块通过熔炉熔化成铝水，铝水经过滤后通过保温管道进入结合腔内；

(2)连续氧化铝纤维纱线通过放卷，进入结合腔内；

(3)结合腔内部通入氮气，待铝液将纱线包裹在内部，最后通过收卷机卷绕成型。

本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述熔炉的温度为750℃；步骤(1)中为防止铝水再次凝固，保温管道温度＞660.4℃。

本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述熔炉内通入氮气以防止铝的氧化。

本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述的氧化铝纤维为赤羽氧化铝连续纤维，细度的范围在55-400Tex；步骤(2)中所述的氧化铝纤维纱线是5-10根氧化铝纤维通过加捻得到的纤维纱线，捻度为40-80捻/米。

本发明的一种实施方式中，步骤(3)中所述结合腔内通入氮气，防止铝水凝固前的氧化；步骤(3)中所述结合腔内通入冷风加速铝水凝固，使其牢固包覆在氧化铝纤维纱线外部。

本发明的第三个目的在于提供所述的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置或所述的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备方法制备得到的连氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材在电力传输领域的应用；本发明的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材还可以应用于高负荷的机械零件和高温高速旋转零件以及有轻量化要求的高功能构件。

有益效果

(1)相比传统的氧化铝纤维增强金属基复合线材制备方法，本发明的制备方法不仅能避免纤维断裂，还能够得到粗细均匀的线材，既减少了材料浪费，又保证了产品性能；

(2)本发明所述的连续氧化铝增强铝基复合皮芯线材不会产生界面效应；而且在电力传输领域可以有效的解决电缆线路在距离长、重量高和长时间悬垂变形的缺点；

(3)本发明所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材的纵向拉伸强度可达到1.5～1.9GPa，纵向弹性模量可达到200～260GPa，纵向热膨胀系数仅有5ppm/℃，综合力学性能和物理性能好；

(4)本发明将铝水经过保温管道从所述漏嘴的内壁与所述导纱管的外壁之间的间隙流入至结合腔内，并包裹从所述导纱管底部穿出的氧化铝纤维纱线形成氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材，结构简单，使用便捷；避免了传统的将氧化铝纤维放置在金属液中进行直接牵伸的制备方法造成的纤维断裂的问题，通过在漏嘴内设置有导纱管，纱线从导纱管的下端引出，铝水(金属液)从漏嘴的内壁与导纱管的外壁之间的间隙引出，能够将铝水均匀包覆在纱线的外周，得到细度均匀的氧化铝纤维增强金属基复合线材，性能优异。

(5)本发明结合腔内通入氮气，防止铝水凝固前的氧化；所述熔炉内也通入氮气，防止铝的氧化。

(6)本发明保温管道上设置有阀门和压力表，通过设置的阀门和压力表能够随时观测和调节保温管道内铝水的容量和流速。

附图说明

图1为本发明连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置的结构示意图；

图2为本发明所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材的截面示意图。

其中：1、放卷机；2、纱线；3、牵引机；4、导纱管；5、漏嘴；6、结合腔；7、氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材；8、收卷机；9、压力表；10、阀门；11、保温管道；12、熔炉；13、铝层；14、氧化铝纤维纱线层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

测试方法：

拉伸强度测试：在Instron3385H型万能试验机上进行，拉伸速度设置为2mm/min；

弹性模量测试：在三点弯曲试验机上进行，通过应力应变的关系来测试其弹性模量；

热膨胀系数测试：在静态热机械分析TMA仪器上进行，通过温度-形变曲线来测试其热膨胀系数。

实施例1

如图1和2所示，本实施例提供一种连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置，包括放卷机1、保温管道11、牵引机3和收卷机8，所述保温管道11的一端连通有熔炉12，另一端设置有漏嘴5，所述漏嘴5的下方设置有结合腔6，所述漏嘴5插入至所述结合腔6内，所述漏嘴5内设置有导纱管4，所述放卷机1上卷绕有纱线2，所述纱线2经过所述牵引机3的牵引穿入至所述导纱管4内，并从导纱管4的底部穿出卷绕至收卷机8上。

可选地，所述放卷机1、牵引机3和收卷机8均为辊筒。

进一步地，所述漏嘴5的截面为倒三角形，开口朝下，漏嘴5通过保温管道11与熔炉12连通，所述漏嘴5的内壁与所述导纱管4的外壁之间具有间隙。

进一步地，所述纱线1为氧化铝纤维纱线。可选地，所述氧化铝纤维纱线为赤羽氧化铝连续纤维，细度的范围在55-400Tex，进一步优选为125Tex。可选地，所述氧化铝纤维纱线是5-10根氧化铝纤维通过加捻得到的纤维纱线，捻度为40-80捻/米。

进一步地，所述熔炉12内设置有铝水，铝水经过保温管道11从所述漏嘴5的内壁与所述导纱管4的外壁之间的间隙流入至结合腔6内，并包裹从所述导纱管4底部穿出的氧化铝纤维纱线形成氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材7，所述氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材7的内芯为氧化铝纤维纱线层14，所述氧化铝纤维纱线层14外包覆有铝层13。

进一步地，所述结合腔6内通入氮气，防止铝水凝固前的氧化；所述熔炉12内也通入氮气，防止铝的氧化。

进一步地，所述结合腔6还外接有冷风机构，通过所述冷风机构向结合腔6内通入冷风，以加速铝水凝固，使其牢固包覆在氧化铝纤维纱线外部。

进一步地，所述熔炉12内还设置有过滤装置，通过过滤装置过滤熔炉12内氧化铝的残渣，防止其流入到保温管道11中，可选地，所述过滤装置为过滤网。

进一步地，所述保温管道11上设置有阀门10和压力表9，通过设置的阀门10和压力表9能够随时观测和调节保温管道11内铝水的容量和流速；可选地，所述阀门10为电磁阀或电动阀。

本实施例的工作原理：熔炉12中充入氮气，然后将铝块放入熔炉12熔化成铝水，使铝水经过过滤装置的过滤后经过保温管道11从所述漏嘴5的内壁与所述导纱管4的外壁之间的间隙流入至结合腔6内，并实时通过阀门10调节保温管道11的压力。

纱线2经过所述牵引机3的牵引穿入至所述导纱管4内，并从导纱管4以及漏嘴5的底部穿出至结合腔6内；结合腔6内部提前充入氮气和冷风，待铝液和纱线2同时到达结合腔6内，铝液将氧化铝纤维纱线包裹在内部后通过收卷机8卷绕成型，最终得到内芯为氧化铝纤维纱线层14，氧化铝纤维纱线层14外包覆有铝层13的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材7(如图2所示)。

实施例2

一种连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备方法，应用了实施例1提供的一种连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材制备装置，包括如下步骤：

(1)首先调节熔炉温度为750℃，调节保温管道温度为670℃，并往熔炉中充入氮气，然后将铝块放入熔炉熔化成铝水，使铝水经过滤后通过保温管道进入结合腔内，并实时通过阀门调节保温管道的压力；

(2)使连续氧化铝纤维纱线通过放卷进入结合腔内；其中氧化铝纤维的细度为125Tex；氧化铝纤维纱线由7根氧化铝纤维加捻而成，捻度为60捻/米；

(3)结合腔内部提前充入氮气和冷风，待铝液和纱线同时到达结合腔内，铝液将纱线包裹在内部后通过收卷机卷绕成型，最终得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，实施例2所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面完好，粗细均匀，测得其纵向拉伸强度为1.8GPa，纵向弹性模量为250GPa，纵向热膨胀系数为6.0ppm/℃。

对比例1

取消实施例2步骤(1)的氮气充入，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例1所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面完好，粗细均匀，测得其纵向拉伸强度为1.2GPa，纵向弹性模量为199GPa，纵向热膨胀系数为5.7ppm/℃，这是因为铝被氧化生成氧化铝增加了材料的脆性。

对比例2

调节实施例2步骤(1)熔炉温度为660℃，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例2所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面稍显粗糙，粗细均匀，测得其纵向拉伸强度为1.6GPa，纵向弹性模量为237GPa，纵向热膨胀系数为6.6ppm/℃，这是因为660℃下铝块不能完全熔化成流动性好的铝水，导致铝水不能很好的包覆在氧化铝纤维纱线表面。

对比例3

取消实施例2步骤(1)中的铝水的过滤，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例3所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面粗糙，粗细不够均匀，测得其纵向拉伸强度为1.6GPa，纵向弹性模量为242GPa，纵向热膨胀系数为6.2ppm/℃，这是因为没有经过过滤的铝水可能存在颗粒杂质。

对比例4

取消实施例2步骤(1)中的调节阀门，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例4所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面完好，但粗细不均匀，测得其平均纵向拉伸强度为1.6GPa，平均纵向弹性模量为239GPa，平均纵向热膨胀系数为6.6ppm/℃，这是因为无法通过阀门实时调节保温管道内铝水的容量和流速，使得后续铝水不能均匀包裹在氧化铝纱线外部。

对比例5

取消实施例2步骤(2)中的加捻，直接将7根纤维并列放入结合腔内，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例5所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面完好，粗细均匀，测得其纵向拉伸强度为1.1GPa，纵向弹性模量为216GPa，纵向热膨胀系数为6.2ppm/℃，这是纤维没有加捻成纱线，单根纤维之间结合松散，铝水直接浸入每根纤维之间形成了强界面结合。

对比例6

调节实施例2步骤(2)中氧化铝纤维数为5根，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例6所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面完好，粗细均匀，测得其纵向拉伸强度为1.5GPa，纵向弹性模量为226GPa，纵向热膨胀系数为6.1ppm/℃，这是由于纤维数减少之后，不能为复合皮芯线材提供足够的增强强度。

对比例7

调节实施例2步骤(2)中的捻度为90捻/米，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例7所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面完好，粗细均匀，测得其纵向拉伸强度为1.3GPa，纵向弹性模量为224GPa，纵向热膨胀系数为6.1ppm/℃，这是由于捻度太大导致纤维处于紧绷的状态。

对比例8

取消实施例2步骤(3)中的氮气充入，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例8所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面完好，粗细均匀，测得其纵向拉伸强度为1.2GPa，纵向弹性模量为226GPa，纵向热膨胀系数为5.6ppm/℃，这是因为铝被氧化生成氧化铝增加了材料的脆性。

对比例9

取消实施例2步骤(3)中的冷风充入，其他和实施例2保持一致，得到连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材。

测试发现，对比例9所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材表面完好，粗细均匀，测得其纵向拉伸强度为1.3GPa，纵向弹性模量为228GPa，纵向热膨胀系数为6.4ppm/℃，这是因为在没有冷风降温的条件下铝水不能及时完全在氧化铝纤维纱线表面凝固。

将实施例2和对照例1-9得到的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材进行性能测试，测试结果汇总如表1：

表1实施例2和对照例1-9得到的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材性能测试结果

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从表1可以看出：采用实施例2所制备的连续氧化铝纤维增强金属基复合皮芯线材的综合力学性能和物理性能最佳。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。