一种流延成型梯度功能材料及制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体而言，涉及一种流延成型梯度功能材料及制备方法。

背景技术

功能梯度材料是一种的新型复合材料，与传统复合材料相比，其成分、物理性能连续变化，可避免因两种材料的宏观界面造成的残余应力和热应力，充分发挥复合材料的优势，在航空航天、材料连接、功能器件等方面有广阔的应用前景。

目前功能梯度材料的制备方法主要有粉末冶金法、气相沉积法、自蔓延反应合成、等离子喷涂、电铸法、电镀法、流延成型等。相比于其它工艺，流延成型法有工艺简单、成本低、且其单层厚度可以达到微米量级、过渡层变化较为平缓，但是通过现有的流延成型法制备的功能梯度材料仍存在不足。如专利CN103317140A公开的流延法制备W-Cu体系梯度复合材料的方法，需要通过不同成分的流延片来实现，就需要配制多种组分的料浆进行流延成型。生产时每种组分需要占用一套流延片生产线，大大增加设备成本。而若依次制备几个组分的流延片，则无法连续生产，极大降低了生产效率。多种组分流延片叠层还带来梯度变化连续性的问题。尽管理论上流延成型法可以实现一层一种组分，但综合考虑设备、时间成本后往往只采用3-5个组分来制备梯度材料，其成分可近连续变化的优点难以发挥。

为解决这一难题，专利CN101503297A(旋转磁场中梯度材料的流延成型制备方法)提出利用铁磁性物质与弱磁性物质之间磁性能的差异，使流延过程中形成成分梯度。专利CN105039830A(交变磁场中金属/陶瓷梯度材料的流延成型制备方法)提出利用交变磁场控制金属颗粒的移动来实现交变磁场中金属/陶瓷梯度材料的制备。然而上述两种方法对材料的物理性能都有所要求，CN101503297A要求所制备的复合材料一种具有铁磁性，一种为弱磁性；CN105039830A要求一种材料为金属而另一种为非金属。这就限制了这两种方法的应用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种不受材料性能限制、适于批量化生产的制备近连续变化功能梯度材料的方法。

本发明一方面提供一种流延成型梯度功能材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据梯度功能材料的体系制备多种料浆，制备好的料浆进行真空脱泡；

S2、根据所制备材料的成分梯度和流延速度，设定几个料浆随时间变化的流量周期函数，料浆通过流量控制器控制流速流入混合器混合，再由混合器进入流延机料盒；

S3、流延机工作，流延过程中，一个流量变化周期所生产的流延片对应一块样品，每过一个周期，在流延片上进行标记；

S4、根据标记将制备好的每个周期的流延片按顺序叠放，压制成型，烧结，即可得到梯度功能材料。

相对于现有技术，本发明提供了一种全新的采用流延工艺制备梯度功能复相材料的方法，通过配制多种料浆，调节各料浆的流量，即可在一条流延生产线上进行连续生产，无需停机换料，且对材料体系的电学、磁学等物理性能均无要求，大大提高了生产效率、减少了浪费，特别适合于中小批量产品的生产。

在优选或可选的实施方式中，所述步骤S2中，各料浆的流量周期函数之和为定值，由此保证周期内流延速度和流延片厚度不变，流延机正常工作。

在优选或可选的实施方式中，所述步骤S2中，各料浆的流量周期函数为一元函数，自变量为时间t。由此周期函数只有一个自变量，料浆流量可控，材料成分实现按需控制。

在优选或可选的实施方式中，所述步骤S2中，各料浆的流量周期函数为一次函数、二次函数、多次函数、指数函数、幂函数、三角函数或对数函数中的一种或多种组合。由此可以根据需要制成任意梯度的复相功能材料，且材料的成分梯度接近连续变化，无明显成分台阶。

在优选或可选的实施方式中，一个周期的时间为T＝LH/vh，其中L为目标产品边长，H为目标产品厚度，v为流延速度，h为流延片厚度。由此根据目标产品设置周期时间，保证流延机稳定工作。

在优选或可选的实施方式中，所述步骤S1中，对于有n个独立成分变量的材料，只需制备n+1种料浆，由此极大减少了料浆配制的工作量。

在优选或可选的实施方式中，所述步骤S1中，多种料浆之间互溶。由此保证混合后的料浆不发生沉淀、凝固、分层等现象，避免料浆失效。

在优选或可选的实施方式中，多种料浆所用的溶剂和辅料相同。由此保证各料浆之间互溶性好。

在优选或可选的实施方式中，所述步骤S2中，所用混合器选自以下一种或几种组合：SV型静态混合器、SK型静态混合器、SX型静态混合器、SH型静态混合器、SL型静态混合器、混合泵、超临界混合器、搅拌混合器。由此可根据料浆特性选择合适的混合器，保证混合均匀。

本发明另一方面提供一种流延成型梯度功能材料，由上述的制备方法制得。本发明梯度功能材料的成分梯度接近连续变化，无明显成分台阶，材料性能优异。

附图说明

图1为本发明实施例流延成型梯度功能材料的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例1中各料浆的流量周期变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。

需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明的实施例公开一种流延成型梯度功能材料及其制备方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、根据梯度功能材料的体系制备多种料浆，制备好的料浆进行真空脱泡。对于有n个独立成分变量的材料，制备n+1种料浆，其中一种料浆不包含成分变量，其余每种料浆包含一个成分变量的最大值，例如一种两组分材料AB，有1个独立成分变量B，则可制备两种料浆100％A、100％B，若B含量较少，也可制备AB混合的料浆代替100％B，如80％A20％B，以B含量满足所需要最大含量为准。本方法所需要配制的料浆数量少，极大减少了料浆配制的工作量。

进一步地，多种料浆之间可以互溶，保证混合后的料浆不发生沉淀、凝固、分层等现象，避免料浆失效。优选方案中，多种料浆所用的溶剂和辅料相同，保证各料浆之间互溶性好。

S2、根据所制备材料的成分梯度和流延速度，设定几个料浆的随时间变化的流量周期函数，料浆通过流量控制器控制流量流入混合器混合，再由混合器进入流延机料盒。

进一步地，各料浆的流量周期函数为一元函数f

本步骤中所用的混合器无特别限定，可根据料浆特性选择合适的混合器，如SV型静态混合器、SK型静态混合器、SX型静态混合器、SH型静态混合器、SL型静态混合器、混合泵、超临界混合器、搅拌混合器等，也可以将上述混合器进行组合使用，保证料浆混合均匀。

S3、流延机工作，流延过程中，一个流量变化周期所生产的流延片对应一块样品，每过一个周期，在流延片上进行标记，便于后续将流延片叠放，压制成型。一个周期的时间为T＝LH/vh，其中L为目标产品边长，H为目标产品厚度，v为流延速度，h为流延片厚度。

S4、根据标记将制备好的每个周期的流延片按顺序叠放，压制成型，根据样品的特性确定烧结工艺，进行相应的烧结后即可得到梯度功能材料。

本发明实施例采用上述方法制备功能梯度材料具有以下优点：

a)通过调节料浆进入搅拌器的流速，可以使料浆成分实现根据所需求进行渐变，成品的成分梯度接近连续变化，无明显成分台阶，材料性能优异；

b)对于有n个独立成分变量的材料，只需制备n+1种料浆，极大减少了料浆配制的工作量；

c)可以使用一台流延设备实现连续流延生产，无需停机换料，大大提高了生产效率、减少了浪费，特别适合于中小批量产品的生产。

以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本实施例制备氧化铝/氧化锆梯度功能材料，材料厚度为10…mm，边长为100mm，成分以质量分数计，由一面的100％氧化铝过渡到另一面的80％氧化铝20％氧化锆。

制备方法包括以下步骤：

S1、原料粉选用氧化铝粉与氧化锆粉，配制两种料浆，其中料浆1中含氧化铝粉100份，料浆2中含氧化铝粉80份、氧化锆粉20份；两种料浆的其余助剂均相同，具体是：粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛10份，塑化剂为聚乙二醇4份，分散剂为鲱鱼油2份，溶剂为无水乙醇100份、丁酮100份。将上述原料混合球磨48h，得到料浆1和料浆2；制备好的料浆1和料浆2分别置于各自的脱泡桶内真空脱泡。

S2、所用流延机出料宽度为200mm，流延速度为1m/min，流延片厚度为0.1mm，总流量为100mL/min，流量变化周期T为10min。料浆通过流量控制器控制流速流入搅拌混合器混合，再由混合器进入流延机料盒。一个周期内两种料浆流量线性变化，料浆1的流量周期函数为f

S3、流量变化周期T为10min，流延机工作，流延过程中，一个周期的流延片对应一块样品，每过一个周期，在流延片上进行标记。

S4、将每个周期内的流延片依次裁好，叠层，在30MPa压力下压制成型；在空气气氛下加热至1600℃烧结，保温2小时后即可得到氧化铝/氧化锆梯度功能陶瓷块体。

实施例2

本实施例制备钨铜梯度功能材料，材料厚度为20mm，边长为50mm，成分以质量分数计，由一面的100％钨过渡到另一面的50％钨50％铜。

制备方法包括以下步骤：

S1、原料粉选用钨粉与铜粉，配制两种料浆，其中料浆1中含钨粉100份，料浆2中含铜粉100份；两种料浆的其余助剂均相同，具体是：粘结剂为羟乙基纤维素10份，塑化剂为邻苯二甲酸二丁酯4份，分散剂为辛基酚聚氧乙烯醚2份，溶剂为甲乙酮100份、三氯乙烯100份。将上述原料混合球磨48h，得到料浆1和料浆2；制备好的料浆1和料浆2分别置于各自的脱泡桶内真空脱泡。

S2、所用流延机出料宽度为100mm，流延速度为1m/min，流延片厚度为0.2mm，总流量为100mL/min，流量变化周期T为5min。料浆通过流量控制器控制流速流入静态混合器混合，再由混合器进入流延机料盒。一个周期内两种料浆的流量和不变，料浆1和料浆2的流量周期函数为二次函数。

S3、流量变化周期T为5min，流延机工作，流延过程中，一个周期的流延片对应一块样品，每过一个周期，在流延片上进行标记。

S4、将每个周期内的流延片依次裁好，叠层，在100MPa压力下压制成型；在氢气气氛下加热至1200℃烧结，保温3小时后即可得到钨铜梯度功能材料。

实施例3

本实施例制备铝/碳化硅梯度功能材料，材料厚度为50mm，边长为50mm，成分以质量分数计，由一面的100％金属铝过渡到另一面的70％碳化硅30％铝。

制备方法包括以下步骤：

S1、原料粉选用铝粉与碳化硅粉，配制两种料浆，其中料浆1中含铝粉100份，料浆2中含碳化硅粉80份、铝粉20份；两种料浆的其余助剂均相同，具体是：粘结剂为聚乙烯醇10份，塑化剂为二乙基草酸酯4份，分散剂为三油酸甘油酯2份，溶剂为甲苯100份、二甲苯100份。将上述原料混合球磨48h，得到料浆1和料浆2；制备好的料浆1和料浆2分别置于各自的脱泡桶内真空脱泡。

S2、所用流延机出料宽度为100mm，流延速度为1m/min，流延片厚度为0.5mm，总流量为200mL/min，流量变化周期T为5min。料浆通过流量控制器控制流速流入静态混合器混合，再由混合器进入流延机料盒。一个周期内两种料浆的流量和不变，料浆1和料浆2的流量周期函数为正弦函数。

S3、流量变化周期T为5min，流延机工作，流延过程中，一个周期的流延片对应一块样品，每过一个周期，在流延片上进行标记。

S4、将每个周期内的流延片依次裁好，叠层，在250MPa压力下压制成型；热压烧结，烧结温度为600℃，烧结压力为45MPa，保温1小时后即可得到铝/碳化硅梯度功能材料。

实施例4

本实施例制备碳化硅/氮化硼梯度功能材料，材料厚度为10mm，边长为60mm，成分以质量分数计，由一面的100％碳化硅过渡到另一面的60％碳化硅40％氮化硼。

制备方法包括以下步骤：

S1、原料粉选用碳化硅粉与氮化硼粉，配制两种料浆，其中料浆1中含碳化硅粉100份，料浆2中含碳化硅粉60份、氮化硼粉40份；两种料浆的其余助剂均相同，具体是：烧结助剂为氧化铝和氧化钇各4份，粘结剂为聚乙烯醇10份，塑化剂为聚乙二醇4份，分散剂为Darvan…821A…2份，溶剂为去离子水。将上述原料混合球磨48h，得到料浆1和料浆2；制备好的料浆1和料浆2分别置于各自的脱泡桶内真空脱泡。

S2、所用流延机出料宽度为100mm，流延速度为1m/min，流延片厚度为0.2mm，总流量为100mL/min，流量变化周期T为3min。料浆通过流量控制器控制流速流入静态混合器混合，再由混合器进入流延机料盒。一个周期内两种料浆的流量和不变，料浆1和料浆2的流量周期函数为一次函数。

S3、流量变化周期T为3min，流延机工作，流延过程中，一个周期的流延片对应一块样品，每过一个周期，在流延片上进行标记。

S4、将每个周期内的流延片依次裁好，叠层，在50MPa压力下压制成型；热压烧结，烧结温度为1800℃，烧结压力为50MPa，烧结气氛为氩气，保温2小时后即可得到碳化硅/氮化硼梯度功能材料。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。