一种微型复合材料制备和成形的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种微型复合材料制备和成形的方法及装置，其装置由Ｎｄ：ＹＡＧ激光器、反射镜、透镜、约束层、一维移动平台、微型模具、三维移动工作台、三维移动平台控制器、Ｌ型底座、计算机组成。材料复合和微成形同步实现的方法是利用脉冲激光驱动金属箔板高速运动，金属箔板运动一段距离后与微模具上的基体箔板发生高速碰撞，在撞击界面上产生的高温高压能够实现金属箔板与基体箔板之间的复合连接，连接后的金属箔板和基体箔板具有一定冲量向模具方向压缩，由于模具的限制能够复制出微模具形状，实现复合材料生产和微成形的同步。本发明专利技术具有设计合理，工艺简单，一致性好的优点，而且适于批量化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料制造和微成形领域，特指一种微型复合材料制备和成形的方法及装 置，其能够同步实现复合材料的生产和微成形，适合复合材料的批量生产及成形。
技术介绍
复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种 材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度 高、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，广泛应用于航空航天、电子电气等领域。爆炸焊接是一种制造复合材料的工艺，具有传统焊接技术无法比拟的优势，能够在常温 下将各种金属材料连接起来，甚至可以将非金属材料和金属材料连接起来，也是生产复合材 料的新方法，这项技术广泛应用在化工、机械、矿业、建筑、造船、原子能、空间技术等领 域。国内外有很多学者对爆炸焊接进行了较深入的研究，例如K.Raghukandan从间距、加 载强度、厚度等焊接参数的角度用试验考察了铜和低碳钢爆炸焊接的强度，证实了爆炸焊接 的焊缝强度要大于母材；Behcet Gulenc通过试验的方法实现了铝和铜的焊接，并研究了爆 炸能量对焊缝的影响；P.Manikandana等人则实现了i太和不锈钢的焊接；赵慧英等人实现了最 小厚度分别为2毫米的铜和1毫米的铝之间的相互焊接。虽然爆炸焊接已经取得较大发展， 但是爆炸焊接仍然有其局限性，由于炸药作为焊接能源往往难以得到精确控制，导致爆炸焊 接难以实现微器件的焊接以及微型复合材料的制备；另外，炸药对环境和人体也有一定的伤 害。随着电子产品、生物、医疗器械以及微机电系统的迅速发展，具有轻、薄、短、小、多 功能特点的微型产品需求量不断增加，与之相关的微型金属零部件的加工也显得越来越重 要，带动了金属微成形技术的发展。通过微成形制造的微型金属产品广泛应用在自动化、医 疗卫生、航空航天、电信电子、精密仪器和国防等多个领域，微型化使得微机电系统(MEMS) 在精度、热变形、振动和速度等方面具备更优异的性能和功能，微型化成了当代科技发展的 一个重要方向。微型化产业所要求的大批量、高效率、高精度、高模机、短周期、低成本、无污染、净 成形等固有特点制约了传统微光刻、化学刻蚀以及LIGA等加工技术的广泛应用。研究人员 发现塑性加工适合批量化生产低成本的微器件，使得基于塑性加工的微成形技术得到了迅速 发展，由于薄板微成形件在电子通信产业中得到广泛应用，使得薄板微成形技术成为塑性微成形研究的热点。但是微塑性成形相比较于传统的塑性成形最大的区别在于工件的尺寸达到 亚毫米或微米尺度时，工件自身的物理特性和内部结构发生了变化,表现出尺度效应，使得变 形材料表现出脆性，容易发生塑性失效；尺度效应也使得材料表面积和体积之比增大，摩擦 力对成形的影响比宏观尺寸下要大得多，影响材料塑性成形的能力，因此如何提高塑性微成 形能力是薄板微成形技术的关键。根据以上可以得出，塑性微成形能够实现批量化低成本生产，但是成形能力低；爆炸焊 接能够实现复合材料的生产，但是存在加工精度低、污染大、无法实现小型化的缺点，因此 寻找一种能够同步实现复合材料的生产和微成形的方法，必将能广泛地应用于工业生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种微型复合材料制备和成形的方法及装置。所述的微型复合材料制备和成形的方法，其特征在于利用脉冲激光驱动金属箔板高速运 动，金属箔板运动一段距离后与微模具上的基体箔板发生高速碰撞，在撞击界面上产生的高 温高压能够实现金属箔板与基体箔板之间的复合连接，连接后的金属箔板和基体箔板具有一 定冲量向模具方向压縮，由于模具的限制能够复制出微模具形状，实现复合材料生产和微成形的同步。本专利技术所述的微型复合材料制备和成形装置，由Nd:YAG激光器、反射镜、聚焦透镜、约 束层、 一维移动平台、微型模具、三维移动工作台、三维移动平台控制器、L型底座、计算 机组成；计算机控制Nd:YAG激光器发出的激光通过光纤依次传递到反射镜和聚焦透镜，聚 焦透镜下方是约束层，约束层固定在一维移动平台上， 一维移动平台安装在L型底座的竖直 面；约束层的下方是三维移动平台，三维移动平台安装在L型底座底面，并与三维移动平台 控制器相连。上述所说的微型模具微型复合材料制备和成形装置，还包括安装在三维移动平台上的微 型模具。所说的微型模具可根据微成形形状具体设计。使用本专利技术的装置进行复合材料制备和成形时，将金属箔板紧贴在约束层下表面，基体 箔板放置在微型模具上。根据设计的功能需要，计算机能够控制Nd:YAG激光器发出脉冲激光，激光的脉宽在ns 级，并且脉冲激光的能量可调；脉冲激光通过透镜聚焦后功率密度达到GW/cm2级，透过约束 层后作用在金属箔板上，激光使得金属箔板表面一部分物质汽化产生膨胀等离子体驱动剩余 金属箔板高速运动。根据设计的功能需要，高功率密度的脉冲激光驱动金属箔板高速运动一段距离后与基体4箔板发生碰撞，高速碰撞能够在碰撞界面产生高温高压，实现金属箔板和基体箔板的复合连 接，由于激光能量由计算机控制，相比于爆炸焊接能够获得更好的连接效果，也不会对环境 造成污染。根据设计的功能需要，高速碰撞后的金属箔板和基体箔板连接为一体后仍然具有一定的 冲量，金属箔板和基体箔板一起向微型模具方向压縮，由于受到微型模具形状限制，金属箔 板和基体箔板的连接体能够复制出微型模具的形状，实现精确微成形。根据设计的功能需要，金属箔板的厚度可以变化，金属箔板的飞行速度可以根据激光驱 动飞片运动的Gurney模型进行预测，调节激光参数能够满足不同连接和成形工艺的要求。根据设计的功能需要，金属箔板与工件连接为一体后快速成形的过程具有很高的应变 率，成形中的惯性效应提高了材料的极限拉应力，细化了材料的晶粒，相比于普通的微塑性 成形表现出更高的成形能力。根据设计的功能需要，约束层的上下位置可以通过一维移动平台精确控制，以获得不同 大小的光斑，实现激光驱动不同面积金属箔板和基体箔板的复合及成形。根据设计的功能需要，微型模具具有较高的硬度，保证在微成形的过程中不发生失效， 微型模具安装在三维移动平台上，通过三维移动平台的精确动作控制微型模具上基体箔板微 成形的位置。本专利技术所涉及的微型复合材料制备和成形的方法及装置，根据爆炸焊接原理，利用激光 驱动飞片技术实现不同材料的超快复合及成形，能够同步实现高硬度高熔点材料的连接和成 形，由于加工速度超快，材料成形过程中应变率很高，具有普通微塑性成形无法比拟的成形 能力，也能够实现复合材料微器件的低成本生产。本专利技术的系统设计合理，工艺简单， 一致 性好，而且适于批量化生产。附图说明图1是根据本专利技术提出的一种复合材料生产和微成形装置示意图。 图2是材料复合及微成形后的示意图。1: L型底座，2:三维移动平台，3:微型模具，4:基体箔板，5: —维移动平台，6: 金属箔板，7:约束层，8:聚焦透镜，9:第二反射镜，10:三维移动平台控制器，11:计算机，12: Nd:YAG激光器，13:第一反射镜具体实施方式本专利技术提出的微型复合材料制备和成形装置如图1所示，整个装置由11个部分组成。计算机11控制Nd:YAG激光器12发出的激光通过光纤依次传递到通过第一反射镜13、第5二反射镜9、和聚焦透镜8，聚焦透镜8下方是约束层7，约束层7固定在其左侧的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型复合材料制备和成形的方法，其特征在于，利用脉冲激光驱动约束层上的金属箔板高速运动，金属箔板运动一段距离后与微模具上的基体箔板发生高速碰撞，在撞击界面上产生的高温高压能够实现金属箔板与基体箔板之间的复合连接，连接后的金属箔板和基体箔板具有一定冲量向模具方向压缩，由于模具的限制能够复制出微模具形状，实现复合材料生产和微成形的同步。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王霄，杨昆，陈成，沈宗宝，邢安，李保春，刘会霞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]