一种新型复合材料物料混合处理装置设计研究*

王秀丽，魏永辉

(郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450000)



一种新型复合材料物料混合处理装置设计研究*

王秀丽，魏永辉

(郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450000)

随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料的性能要求越来越高，复合材料以其独特的优点成为人们研究的热点。研究设计了一种新型的复合材料物料混合装置, 可实现固料、粉料和液体材料等3种材料互相交叉自由选择比例混合。应用该装置，可有效地将物料充分混合，提高产品性能，材料制备的质量和生产效率，降低生产成本。

复合材料；物料混合；装置

复合材料是用2种或2种以上的不同性能、不同形态的组分材料，通过复合手段组合而成的一种多相材料[1]。通过复合，不仅保留了原组成材料的主要性能，又可以通过材料的设计和复合效应的利用，使各组分的性能互相补充，互相关联，获得新的性能[2]，以满足各种不同的需求。与传统材料相比，复合材料最显著的优点是具有可设计性。复合材料的热、声、光、电、防腐、力学、抗老化和机械等物理、化学性能都可按制件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等，最大限度地达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。复合材料在许多工业部门得到了实际应用与发展，是当今高科技发展中新材料开发的一个重要领域。

粉体制备技术是研制和开发复合材料的先导，是制备复合材料的第1步，也是关键的一步，其直接影响复合材料的性能；因此，选择正确物料混合装备，制备出高纯、超细、组分均匀分布和无团聚的粉体是至关重要的。

1　设计背景

目前，复合材料主要分为2类：一类是以金属为基体的复合材料；另一类是以非金属为基体的复合材料[3]。金属基复合材料常用的制备工艺包括：1)粉末冶金法，将金属或合金的基体粉末与增强相混合均匀后，装入模具，经过冷压、出气、热压烧结和二次加工等工序而获得所需形状的复合材料的工艺方法；2)铸造法，将颗粒增强相直接加入到液态合金熔体中，并使颗粒均匀分布在基体中的一种制备方法。常用的非金属基复合材料为聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。聚合物基复合材料制备工艺方法是预浸料/预混料的制造、成型和固化；陶瓷基复合材料的制备工艺为先将增强材料掺入未固结(或粉末状)的基体材料中，排列整齐或混合均匀，再运用各种加工条件在尽量不破坏增强材料和基体性能的前提下，制成复合材料制品。

在加工制备复合材料时，常常需要把基体和增强相进行机械混合，对于大颗粒的基体还应进行粉粹；因此，选择合理的粉粹、混合与搅拌的工艺与设备是非常关键的。本文设计了一种新型的复合材料物料混合处理装置，可以将不同成分的材料均匀的混合在一起，不仅能够增加物料接触的表面积，促进化学反应，还可以加快物理变化速度，比如粒状溶质加入溶剂使用本装置可以加速溶解并使之混合均匀。应用该装置，可以自由选择混合比例，工序简单，使用方便，并可节约成本。

2　结构设计

本装置可适用于固料、粉料和液体材料等3种材料互相交叉混合。首先将固体材料粉碎成粉末状或合适粒径的颗粒，在搅拌腔里充分混合，然后由出料管排出。该装置分为上料、碾压和搅拌等3个部分：1)上料，采用垂直螺旋提升，可提升各种粉状、粒状和块状物料，运行平稳，操作维修方便，易损件少，维护费用少；2)碾压，采用2个电动机分别控制捣碎柱和挤压辊轮，捣碎柱作用主要是将直径较大的物料加工至直径较小的颗粒状物料，挤压辊轮作用是将颗粒状的物料加工至需要直径的中细度粉体，以便进行后续处理或作为产品成品；3)搅拌，采用卧式单螺带搅拌，底部出料方式，混合时间短，质量高，排料迅速，残留物量少。

装置结构示意图[4]如图1所示，其包括提升腔，提升腔左侧上部连接有供料腔，供料腔下部连接有多个供料管，供料腔下部设置有粉碎腔，粉碎腔下部设置有过滤板，过滤板下部设置有下料腔，下料腔下部连接有搅拌腔，搅拌腔下部中间位置连接有出料管；提升腔上部设置有第一电动机，第一电动机下部连接有第一电动机轴，第一电动机轴侧面设置有螺旋叶片，粉碎腔右侧上下部分别设置有第二电动机和第三电动机，第二电动机和第三电动机左侧分别连接有第二电动机轴和第三电动机轴，第二电动机轴上下部均连接有多个捣碎柱，第三电动机轴中间位置设置有挤压辊轮，搅拌腔左侧设置有第四电动机，第四电动机右侧连接有第四电动机轴，第四电动机轴侧面设置有搅拌叶片。提升腔下部与搅拌腔上部右侧相连接，提升腔下部设置有过滤膜。粉碎腔左侧上部设置有第一轴承，第二电动机轴穿过第一轴承设置。搅拌腔右侧设置有第二轴承，第四电动机轴穿过第二轴承设置。搅拌腔下部左右两侧均设置有移动轮。

图1　物料混合装置结构示意图

该装置具有如下特点：1)提升腔下部与搅拌腔上部右侧相连接，提升腔下部设置有过滤膜，这种设计可以实现混合物料为液体时的混合，扩大了该装置的适用范围；2)粉碎腔左侧上部设置有第一轴承，第二电动机轴穿过第一轴承，起动第二电动机带动第二电动机轴和第一轴承，实现对固料进行碾压；3)搅拌腔右侧设置有第二轴承，第四电动机轴穿过第二轴承，起动第四电动机，带动第四电动机轴和第二轴承，完成对物料的混合；4)搅拌腔下部左右两侧均设置有移动轮，方便装置的移动。

3　工作原理

该装置是一台多功能的物料混合装置，不仅适用于固体、粉体之间的混合，还适用于固体、粉体和液体之间的混合。混合比例易于控制，物料的颗粒大小也可以控制，并增加了物料之间的接触面，使物料能更好地溶解。具体实施过程如下。

1)将不同的物料依次从进料腔倒入提升腔，液体物料经过过滤膜的过滤后直接进入搅拌腔，固体物料则留在提升腔内。起动第一电动机，第一电动机轴带动螺旋叶片转动，对固体物料进行提升。

2)当固体物料到达提升腔的上部时，固体物料进入供料腔，再从供料管落入粉碎腔内。起动第二电动机和第三电动机，第二电动机轴和第三电动机轴分别带动捣碎柱和挤压辊轮转动，利用捣碎柱和挤压辊轮的相互配合将固体物料粉碎。

3)粉碎后的固体物料落在过滤板上，利用过滤板对固体物料进行过滤，使符合粒径要求的颗粒物料进入下料腔，不符合要求的物料则留在粉碎腔内继续进行粉碎。下料腔内的颗粒物料进入搅拌腔，起动第四电动机，使第四电动机轴带动搅拌叶片转动，利用搅拌叶片对颗粒物料和液体物料进行搅拌，使复合材料的物料相互混合。

4　结语

该装置是一个多功能的物料混合装置，适用范围广、易于操作和节省人力。应用该装置，可有效地将物料充分混合，提高产品的性能，并提高生产效率，其可用于大规模复合材料的生产。

[1] 于春田. 金属基复合材料[M].北京：冶金工业出版社，1994.

[2] 王建文，王丽.复合材料共混性的增韧机理研究[J].塑料制造，2012(5):51-53.

[3] 孙丽转，张体磊.复合材料制造的传统工艺研究[J].黑龙江科学，2015(6)：118.

[4] 王秀丽.复合材料物料混合处理装置：中国，ZL201520921643.X[P].2016-04-06.

*国家自然科学基金项目(51401182, 51275485)

航空科学基金项目(2014ZC55003)

河南省科技攻关项目(162102210086，162102210243)

河南省教育厅重点项目(15A460011 )

责任编辑马彤

Research on a New Type of Composite Material Mixing Processing Equipment

WANG Xiuli， WEI Yonghui

(Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450000， China)

With the rapid development of modern science and technology, people have increased their demand in the composite material, and the composite material with its unique advantage has become the research hot spot of people.Design a new type of composite material mixing device, which can mix solid material, powder, and liquid material to cross the freedom to choose three kinds of material mixing ratio. With this device, We can improve the quality of the material preparation and production efficiency, reduce the production cost, and improve the quality of the material preparation and production efficiency.

composite materials， material mix， device

TB 33

A

王秀丽(1983-), 女，硕士，助教/技师，主要从事耐磨材料和干摩擦等方面的研究。

魏永辉

2016-05-27