功能复合材料及其制备方法 技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种功能复合材料及其制备方法。
背景技术
功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学或生物性能的复合材料，如有导电、半导、超导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、摩擦、光敏、热敏等功能的复合材料；功能复合材料主要由一种或多种功能体与基体结合构成，现有的功能复合材料大部分是由具有功能作用的粉末材料所构成，将粉末材料聚集在一起制造成零件或体积材料，一般需通过较大的压应力压制使粉末颗粒结合在一起形成生坯，然后烧结生坯使粉末颗粒之间相互牢固地结合在一起，如专利申请号为01133505.X的发明专利公开的“一种制备TiB2-BN导电复合材料的方法”，将二氧化钛粉末、三氧化二硼粉末及镁粉末均匀混合之后用模具压制，然后烧结，用于陶瓷材料表面的金属化；然而，在烧结过程中，粉末材料一般会发生复杂的物理化学变化，由于烧结温度较高，具有功能作用的粉末在烧结过程中可能失去原有的性能或原有的性能被降低，从而严重影响所制备的功能复合材料的性能质量；例如，对于纳米晶粉末，在烧结过程中晶粒很容易长大，以致难于保持纳米晶的性质；而且，由于粉末烧结材料内含有大量地孔隙，从而使功能复合材料不连续；又如磁性材料，在烧结过程中会失去磁性，所以必须在烧结完成之后再将材料磁化；另外，上述烧结过程一般必须在真空环境或有保护性气体的非氧化气氛条件下进行，烧结时间长，能耗高。现有的另一种制备功能复合材料的方法是将具有功能作用的粉末混入半固态的基体材料中，如专利申请号为00119155.1的发明专利公开的“橡胶类聚合物导电复合材料的制备”，采用密炼机与开炼机将导电粉末填料加入到橡胶类聚合物中共混，制备正温度系数复合材料。上述两种方法无论是将粉末共混，还是将粉末作为填料加入到聚合物中共混，无论共混时间多长，都不可能保证各相材料真正的均匀分布，粉末的取向也是随机的，因而所制备的复合功能材料的均匀性受到较大的影响。在专利申请号为00119155.1的发明专利公开的“粉体压制装置及稀土合金磁性粉末成型体的制作方法”公开了一种在磁场中使粉末取向之后压制的方法，这种方法可使粉末分布较为均匀，但并不能保证已取向的粉末在压制过程中不发生混乱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能使粉末有规律地均匀分布在复合材料中，显微组织晶粒细小均匀，显微组织特征具有良好的重复性，粉末颗粒的性质及状态被保持在所制备的材料中的功能复合材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述方法制备的组织均匀、性能良好的功能复合材料，本发明所述功能复合材料不包括以提高硬度及耐磨性能为目的制备的复合材料。
本发明目的通过下述技术方案实现：本功能复合材料的制备方法包括下述步骤及工艺条件：先将具有功能作用的粉末放在容腔中，然后对容腔中的粉末施加场的作用，再将液体材料浸渗进入粉末之间，最后将液体材料固化即可制得所需功能复合材料；在前述操作过程中，具有功能作用的粉末始终保持为固态，并有规律地分布于液体材料凝固形成的基体材料中。
本功能复合材料的制备方法也可包括下述步骤及工艺条件：先将液体材料装入容腔中，然后将具有功能作用的粉末加入装有液体材料的容腔中，再对容腔中的粉末施加场的作用，最后将液体材料固化即可制得所需功能复合材料；在前述操作过程中，具有功能作用的粉末始终保持为固态，并有规律地分布于液体材料凝固形成的基体材料中。
所述施加的场是指力场、电场、磁场、光场、温度场、波场等物质场。
所述场为重力场时，在重力场的作用下将具有功能作用的粉末沉积在液体材料中，然后将液体材料固化，获得粉末均匀分布于基体材料中的功能复合材料。
所述场为磁场或电场时，所述磁场或电场对容腔中的粉末或容腔内液体材料中的粉末产生作用使其均匀取向，然后将液体材料固化，从而将已取向的粉末固化(粉末的取向与固化前完全一致)，获得粉末均匀分布于基体材料中的功能复合材料。
所述液体材料可以是常温下为固体，通过加热可转变成液体的材料，如金属铝、镁、锡、铜、铝镁合金、铝铜合金等；也可以是常温下为液体，通过加热转变成固体的材料，如热固性高分子材料，如热固性树脂、热固性橡胶等。
所述粉末是指尺寸小于1mm离散颗粒的集合体，如陶瓷粉末、金属粉末、非金属粉末等；亦可以采用纳米粉末，在制备过程中，纳米粉末保持为固态，其晶粒不熔化，也不发生再结晶，晶粒不会长大，当作为基体材料的液相凝固之后，纳米粉末均匀地分布在基体相中，从而制备获得纳米显微组织的功能复合材料。
为了更好地实现本发明的目的，达到较好的制造效果，可以在真空环境内进行本发明的操作过程；或将所述容腔抽成真空。
由上述方法即可制得组织均匀、性能良好的功能复合材料；如具有导电、半导、超导、磁性、压电、阻尼、吸声、吸波、摩擦、光敏、热敏等功能的复合材料。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明制得的功能复合材料的粉末可有规律地排布并以固态形式保存下来，其取向较易控制，因而通过本发明可获得具有优异性能的功能复合材料。
2、本发明制得的功能复合材料的功能相粉末在基体材料中分布相对于粉末和半固态胶合材料共混法更加均匀，因而所制得的功能复合材料均匀性更好，性能更加稳定可靠。
3、本发明制得的功能复合材料与粉末烧结材料相比，其功能相粉末在材料制备过程中一直保持为固态，粉末颗粒不会长大，粉末颗粒的性质及状态被保持在所制备的材料中。
4、本发明方法制备的功能复合材料显微组织特征具有良好的重复性。
5、本发明方法操作简单、方便，制造效率高，适合大批量生产加工。
6、利用本发明可以制造出多种类型的功能复合材料，包括半导体功能复合材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、吸波材料、力的传感器、温度传感器等，应用范围极其广泛，市场前景非常好。
附图说明
图1是本发明功能复合材料的制备过程中所使用的模具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明方法采用图1所示的模具来制备具有磁性的功能复合材料，由图1可见，所述模具包括阴模1、上阳模5、下阳模10、电热丝8、线圈9，下阳模10插入阴模1内形成模腔11，上阳模5与模腔11相对设置，可插入模腔11内使模腔11成一封闭空间，在阴模1内设置有电热丝8和冷却通道2，在阴模1外环绕有用于形成磁场的线圈9，在阴模1内还开有通孔，通孔分别连接抽真空管3和液体输入管7，连接抽真空管3的通孔内设置有抽真空控制阀4，连接液体输入管7的通孔内设置有液体输入控制阀6，抽真空管3与液体输入管7分别用于对模腔抽真空及输入液体材料。
实现本发明方法的具体步骤如下：首先给电热丝8通电将模具预热到180℃，然后把平均粒径为80μm的三氧化二铁磁性粉末输送入模腔11中，给线圈9通直流电，在线圈9内的空间中形成磁场，三氧化二铁磁性粉末在磁场的作用下实现磁极取向，并堆积在模腔11中，然后上阳模5下行，使上阳模5下表面与阴模1内壁及下阳模10上表面形成一封闭空间，接着打开阴模1上抽真空控制阀4，通过抽真空管3对模腔11抽真空，使模腔11内的真空度达到5Pa，然后打开阴模1上液体输入控制阀6，通过液体输入管7将过热温度达300℃呈熔化状态的金属锡液输入模腔11中的三氧化二铁磁性粉末之上，然后上阳模5下行将金属锡液挤压渗入三氧化二铁粉末之中，上阳模5在接近粉末时停止下行；由于上阳模5及下阳模10与阴模1配合良好，锡液不会从上阳模5及下阳模10与阴模1滑动配合的接触面溢出；最后往冷却通道2内通入冷却水，使锡液冷却凝固之后，下阳模10将已成形的磁性粉末有取向地分布于锡基的磁性功能复合材料卸出阴模1即完成本发明。
实施例2
本实施例仍采用实施例1所述的模具来实现，所要制备的是高分子半导体功能复合材料，这种功能复合材料在应力作用时，材料的电阻率可发生变化。实现本发明方法的具体步骤如下：打开阴模1上液体输入控制阀6，通过液体输入管7往模腔11内输入N-200型树脂液体，再将平均粒径为100nm的铜粉输送入模腔11中，铜粉位于N-200型树脂液体上面，然后上阳模5下行，使上阳模5下表面与阴模1内壁及下阳模10上表面形成一封闭空间，接着打开阴模1上抽真空控制阀4，通过抽真空管3对模腔11抽真空，使模腔11内的真空度达到5Pa，接着下阳模10上行，挤压模腔11中的N-200型树脂液体，在压应力的作用下使N-200型树脂液体浸渗进入上面的铜粉中，当下阳模10达到设定的位置之后，保持压力的同时，模具上的电热丝8通电将模腔11中的材料加热至90℃，并保温15分钟，使渗入铜粉中的N-200型树脂浸渗液体凝固，最后上阳模5上行脱出阴模1，下阳模10将模腔11中已固化的铜粉相互接触并均匀分布于N-200型树脂(绝缘基体材料)的半导体功能复合材料卸出阴模，从而获得弹性良好的高分子半导体功能复合材料。
实施例3
本实施例所要制备的是半导体功能复合材料。实现本发明方法的具体步骤如下：把硫粉装在玻璃试管中，放在加热炉内加热至130℃，使硫液化，然后把预热到100℃、平均粒径为80μm的铁粉加入装有液体硫的试管中，由于铁的比重大于硫的比重，铁粉在重力场作用下沉积在试管里的液体硫中，用玻璃试棒慢速搅拌液态硫中的铁粉，使铁粉吸附的气体排出，气体释放完了之后停止搅拌，沉积的时间根据需要确定，然后将试管拿出炉外冷却，试管中的硫凝固之后，则获得铁粉相互接触并均匀分布于基体硫中的半导体功能复合材料。
实施例4
本实施例所要制备的是纳米半导体功能复合材料。实现本发明方法的具体步骤如下：首先通过电弧放电的方法使平均粒径为80nm的铁粉带上负电荷，铁粉显电负性；然后将N-200型树脂液体装在玻璃试管中，再将铁粉加入装有N-200型树脂液体的试管中，将试管置于通有直流电的上下平行的电极板之间，上下平行电极板的下侧电极板接直流电源的正极，带负电的铁粉在电场和重力场的作用下沉积到试管底部，均匀地分布在N-200型树脂液体中，然后将试管放入90C的水中，试管中的N-200型树脂液体加热后凝固，则获得纳米铁粉相互接触并均匀分布于基体N-200型树脂中的纳米半导体功能复合材料。