【正文】 環(huán)境中使用的結(jié)構(gòu)材料 ，又可以作為高導(dǎo)電、高傳熱材料 在特殊場(chǎng)合發(fā)揮獨(dú)特的作用。它是一種以碳顆粒為增強(qiáng)體，以 SiC 為基體的復(fù)合材料，綜合了碳顆粒增強(qiáng)體良好的力學(xué)性能和陶瓷基體良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。具有密度低、耐磨、抗氧化性及抗熱震性好等特點(diǎn)，使用溫度可達(dá) 1000℃ 以上。 C/SiC 復(fù)合材料既可以作為耐高溫的結(jié)構(gòu)材料，又可以作為高導(dǎo)電、高傳熱材料在特殊場(chǎng)合發(fā)揮獨(dú)特的作用。由于它具有耐高溫、抗 磨損、耐腐蝕、耐輻照、硬度高、彈性模量高、熱導(dǎo)率高、高溫強(qiáng)度 優(yōu) 、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性好、臨界擊穿電場(chǎng)高、飽和電子漂移速度高、介電常數(shù)小和吸波性能好等 優(yōu)異 性能 ,可以承受金屬材料 和高分子材料難以承受的苛刻工作環(huán)境，因而成為許多新興科學(xué)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也必將成為 21 世紀(jì)一項(xiàng)重要的材料研究方向 [2]。 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 項(xiàng)目研究背景 玻璃行業(yè)夾 磨 具材料現(xiàn)狀 近年來(lái)，隨著電子工業(yè)的 迅猛 發(fā)展，工業(yè)玻璃制品生產(chǎn) 行業(yè)的發(fā)展步伐逐漸加 快，由于 成千上萬(wàn)的特種玻璃零件需要 在 高溫 條件下 熔化 使其 成型， 因而 對(duì)耐高溫 的 夾具及支架材料的需求 也 越來(lái)越 旺盛 。同時(shí)，隨著玻璃制瓶和器皿業(yè)的高速發(fā)展，玻璃瓶罐的生產(chǎn) 開始以 高速和輕量化 為 方向發(fā)展， 導(dǎo)致用于 玻璃模具 的 材 料 日益受到重視，尤其 是一些合資 或 三資企業(yè)的生產(chǎn)玻璃 瓶罐 的 廠家， 由于 引進(jìn) 了 國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)線 用于 制瓶， 因而 對(duì)玻璃模具的質(zhì)量 有了 更高的要求，對(duì)玻璃模具材 料 的要求也 逐漸嚴(yán)格 。目前，玻璃制造業(yè)使用的支撐及夾具材料為石墨材料。石墨雖然 具有 耐高溫 特性 ，但也 存在 諸 多的缺點(diǎn)：（ 1）材 料密度小 ， 易受破壞 ， 損耗大 ；（ 2）滿足 不了 急冷，急熱工作條件 要求；（ 3） 容 易 被 氧化， 且 氧化后， 由于 各個(gè)孔的定位 和其 本身幾何尺寸精度 滿足不了使用要求 ， 因而無(wú)法 繼續(xù)使用；（ 4）使用壽命短 ， 石墨夾具 最大 使用 壽命為 100 個(gè)周期； 普通 陶瓷夾具 的一些 材料 具有 揮發(fā)性 ，能附著 在金屬件 表面 上，影響夾具的 重復(fù)使用， 造成 維修困難等。而 由于 SiC 陶瓷 材料 具有 高強(qiáng)度、 高 耐磨性、 優(yōu)異的 抗氧化性，但是很容易與玻璃 發(fā)生 粘結(jié)，不 容易被 分離，而且燒結(jié)制品的加工難度大。因此需要研究開發(fā)一種既具有碳材料良好的可加工性又具有 SiC 材料良好的耐磨性、抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料來(lái)替代現(xiàn)有石墨材料，解決目前高溫玻璃夾具的難題 [3]。 作為玻璃夾具材料的條件要求 （ 1）材質(zhì)致密，易于加工，能獲得優(yōu)良的表面粗糙度。燒結(jié)成陶瓷制品后易鉆孔、易切割等特性，只有材質(zhì)致密易于加工才能加工出高精度的夾具； （ 2）化學(xué)穩(wěn)定性好。夾具材料要有一定的抗玻 璃腐蝕和在工作溫度下的抗氧化能力，否則模具在使用時(shí)將會(huì)出現(xiàn)脫皮和起鱗現(xiàn)象，嚴(yán)重影響玻璃夾具的質(zhì)量和夾具本身的壽命； （ 3）應(yīng)具有良好的耐熱性和熱穩(wěn)定性。因?yàn)閵A具在高溫環(huán)境中使用，因此要求工業(yè)玻璃部件燒制過(guò)程中的夾具材料必須耐 900℃ ～ 1100℃ 高溫； （ 4）工高溫環(huán)境下不與玻璃發(fā)生粘結(jié)、抗氧化性、導(dǎo)熱性、耐磨性良好； （ 5）夾具使用壽命達(dá) 500～ 1000 個(gè)周期； （ 6）力學(xué)性能：抗彎強(qiáng)度為 100MPa～ 180Mpa，滿足強(qiáng)度要求。 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 SiC 材料在玻璃行業(yè)的應(yīng)用前景 目前，玻璃窯中使用的支撐材料主要 為石墨材料。石墨雖然可以耐高溫，但材質(zhì)疏松，高溫下易氧化，很容易損壞，材料消耗高。 SiC 材料雖然 具有很好的耐高溫、耐磨損、抗熱震性、抗氧化性等，但該材料硬度極高，以至于燒結(jié)致密后無(wú)法機(jī)加工，并且在高溫下很容易與玻璃粘結(jié)在一起，不易分離。如果能改善 SiC 陶瓷的機(jī)加工性和其與玻璃的粘結(jié)性，將在玻璃行業(yè)中有廣闊的發(fā)展前景，并能推動(dòng)整個(gè)陶瓷行業(yè)的發(fā)展。 陶瓷的機(jī)加工方法 常見工程陶瓷加工技術(shù) 主要有：激光 /等離子加工、機(jī)械加工、超聲波加工、電火花加工、化學(xué)機(jī)械加工、高壓磨料水 射流加工以及各種復(fù)合加工工藝。陶瓷 材料的不同的加工方法 的 選擇可根據(jù)材料的種類、工件形狀、加工精度、表面粗糙度、加工效率和加工成本等因素 決定 [4]，常見的加工方法有以下幾種 。 （ 1）機(jī)械加工 機(jī)械加工是 一種 陶瓷材料的傳統(tǒng)加工 方法 ，也是應(yīng)用 最為普遍 的加工方法。機(jī)加工主要 包括 對(duì)陶瓷材料進(jìn)行 的 車削、切削、磨削、鉆孔等 加工技術(shù) 。其 具有 加工效率高 和 工藝簡(jiǎn)單 的優(yōu)勢(shì) ，但由于陶瓷材料硬 度 高、 質(zhì) 脆， 因而通過(guò) 機(jī)械加工難以 完成 尺寸精度高、表面粗糙度低、可靠性高 、 形狀復(fù)雜 的 工程陶瓷部件。 （ 2）放電加工 1947 年 Lazarenko 等 對(duì)將 放電加工 用于 硬質(zhì)金屬材料 提出 了解決 的思路。 在 80年代 后期 ，放電加工技術(shù) 逐漸 被引入陶瓷領(lǐng)域 用于 材料加工。研究 顯示 ：陶瓷材料可以 用 放電加工 進(jìn)行加工的條件是 陶瓷 /陶瓷或金屬 /陶瓷復(fù)合材料的電阻 值比 100Ωm小。放電加工 屬于 無(wú)接觸式 的 精細(xì)加工技術(shù) 。 首先 把 加工原件和型模分別做為電路的陽(yáng)、陰極，用液態(tài) 的 絕緣電介質(zhì) 把 兩級(jí) 隔離 ， 利用 懸浮 在 電介質(zhì)中的高能 量 等離子體產(chǎn)生的 刻蝕作用， 另 表層材料熔 解 、熱剝離或蒸發(fā) ，從 而 完成 材料加工。 在 加工過(guò)程中 ，由于 模具 沒(méi)有 與工件 發(fā)生 直接接觸，故 沒(méi)有 機(jī)械應(yīng)力作用 在 材料 的 表面 上 ，因此 ，放電加工 屬于一種較 理想的 用于 加工脆 性高 、 極 硬陶瓷材料 首選 方法，但放電加工 不適應(yīng)于不導(dǎo)電材料。 （ 3）高壓磨料水加工 1968 年，美國(guó)密蘇里大學(xué)的 Roman flanzi 博士 發(fā)表 了第一個(gè) 有關(guān) 水射流切割某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 技術(shù) 的 專利 （ 高壓水射流 ） ， 即利用 高壓水磨料 的 射流 進(jìn)行 加工 的 技術(shù)。 逐漸 在工程領(lǐng)域 中獲得 應(yīng)用。工程陶瓷 材料一般 為硬 度高 、強(qiáng) 度 高材料 ，單 純 利用 水射流加工 ，大約要用 700～ 1000MPa 的高壓， 這在實(shí)驗(yàn) 中 都較 難實(shí)現(xiàn)， 單 磨料水射流 卻 可 以較快提高沖擊能 量 。 通常 磨料 運(yùn) 用天然 的 石榴石。高壓磨料水射流加工 是一種 高能 量 束 的機(jī) 加工技術(shù)， 它的 原理是陶瓷 外表 面在 2~3 倍音速的 粉 料 沖擊下，材料 在高強(qiáng) 的沖擊力 作用下，會(huì)使 表面產(chǎn)生 較多 的裂紋， 伴 隨著 高壓 流沖擊 波 的增 加 ，裂紋 會(huì) 不斷 延伸 ，陶瓷表面 會(huì)有 碎屑 掉 落。 用 高壓磨料水射流加工 材料 ， 陶瓷事實(shí)上 是一 種 材料的動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展 過(guò)程，即 利用 裂紋的 延伸 實(shí)現(xiàn)材料的磨削、鉆孔加工、切屑， 當(dāng) 前已 經(jīng) 在復(fù)合材料、工程陶瓷等材料 領(lǐng)域 加工中 獲得了 應(yīng)用。 （ 4）超聲波加工 利用工具（模具） 引起 超聲波， 進(jìn)而使 陶瓷元件和工具間的磨料懸浮液 震動(dòng) ， 對(duì)元件 進(jìn)行 沖擊和拋磨 的加工技術(shù)叫 超聲波（ 即 振動(dòng) 的 頻率 大于 16000 次 /s 的振動(dòng)波）加工。隨著工 件 在三維方 位 上的進(jìn)給，工 件 端部的形狀 被 漸漸 復(fù)制 到 陶瓷 部 件上。 通常 磨料 有 B4C、 碳化硅 和 Al2O3等。 通常 選 擇 的工作液 是 水，為 了增加陶瓷 表面的加工質(zhì)量，也可 利 用機(jī)油或 者 煤油作為液 態(tài) 介質(zhì)。由于 在 加工 時(shí)， 作用在元件上的力 不大 ，在 材料表面 上 產(chǎn)生 的 機(jī)械應(yīng)力 很 小， 因而 對(duì)材料的 傷害 小、表面粗糙度 較 好。超聲波加工適 用 于形狀復(fù)雜、 導(dǎo)電性差的 硬脆材料 的 加工。 （ 5）激光加工 激光加工時(shí) 把 高能量密度的激光束 當(dāng)做 熱源，在加工 的 陶瓷材料表面產(chǎn)生瞬 間 高溫， 造成 局部熔 解 或汽化 ，從 而除去材料。激光加工 是 一種 沒(méi)有 接觸、 沒(méi)有 摩擦 的 加工 工藝 ，加工 時(shí)， 不需要模具， 只要 聚焦激光束在陶 瓷表面 上 的位置， 就可達(dá)到 對(duì)三維形狀復(fù)雜材料 進(jìn)行 加工 的目的 。 于 陶瓷材料上制作微結(jié)構(gòu) ， 進(jìn)行微鉆孔、微切割 ，也可 通過(guò) 激光加工 實(shí)現(xiàn) 。 當(dāng)前 已能加工 半徑 2～ 、徑深比 大于 10 以上的微孔。一般選 用 CO2和 Nd 的 激光 作為光 源 。 （ 6）其他加工技術(shù) 由西迷歇根大學(xué)的制造工程教授 John Patten 博士開發(fā)了一種稱為“ LAM?? ”的微激光輔導(dǎo)加工技術(shù)，該方法將激光與金剛石道具結(jié)合起來(lái)，對(duì)陶瓷材料進(jìn)行加熱軟化和切削加工。加工裝置集成了一種紅外光纖 激光。激光通過(guò)一個(gè)具有很高觀雪清晰度的單點(diǎn)金剛石刀具照射到工件上，將工件材料加熱到 600 攝氏度以上。其他工程技術(shù)人員已經(jīng)嘗試了用各種不同的方法來(lái)加工陶瓷，期中一種方法就是先在爐子中加熱工件，然后再對(duì)其進(jìn)行加工 [5]；另一種方法是分別采用激光加熱和金剛石刀具切削，某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 而 Patten 發(fā)明的方法將激光和金剛石具集成到一起，因此具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于這種技術(shù)，正在和一家日本公司商談的 Patten 正在爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化，也就是投入到生產(chǎn)之中，相信有這項(xiàng)技術(shù)的支持的話，在某種意義上而言對(duì)二氧化硅的加工是一種進(jìn)步，對(duì)陶瓷材 料的加工也是一種進(jìn)步，對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)張都是一種很大的進(jìn)步。 陶瓷材料可加工性的表征與影響因素 陶瓷材料 機(jī) 加工性的表征 和 評(píng)估 材料的 機(jī) 加工性 一般采用 用鉆削、切削、磨削、車削等機(jī) 械 加工的 困難 度來(lái) 進(jìn)行定性 描述 。 準(zhǔn)確 定量表 達(dá) 材料 機(jī) 加工的 困難 度很難。根據(jù) 采 用的不 一樣 的測(cè)試 方法 ,用來(lái)評(píng) 價(jià) 材料的 機(jī) 加工性 的 參數(shù) 種類很多 ,例如 :鉆孔率、材料表面粗糙度、壽命、去除率、切削能、刀具磨損率或切削力材料等。 眾多 參數(shù)主要 決定 于材料的力學(xué)性能 以及 顯微結(jié)構(gòu) ,主要 與 斷裂強(qiáng)度、硬度、韌性等 有關(guān) ,也 于 材料加工技術(shù)的 先進(jìn)程度有 關(guān) 。 塑性指數(shù) （ P=Hv/E） 一般 被用 于 表征材料 抵 抗形變和斷裂的能力， 它的 值越小，材料的 機(jī) 加工 性 越 優(yōu) 。 Boccaccini 采用 用脆性指數(shù) (B)做 為評(píng) 估 材料 機(jī) 加工性的參數(shù)，如式 (11)。 ICVKHB ?? 斷裂韌性 硬度）脆性指數(shù)（ (11) 因此 ，可以 采用 用可加工指數(shù) (M)，即脆性指數(shù) (B)的倒數(shù)，來(lái)評(píng) 價(jià) 陶瓷材料的 機(jī)加工性。 同類 材料可加工指數(shù) (M)值 越大，陶瓷材料的 機(jī) 加工性越 優(yōu) ?？杉庸ぶ笖?shù) (M)公式見公式 （ 12） 。 VICHKM ?? 硬度斷裂韌性）可加工指數(shù)（ （ 12） 12 中， KIC表示 陶瓷 抵抗斷裂的能力；硬度 Hv 表示 陶瓷反 抗變形的能力。由于KIC(見下式 13)與 塑性變形功、 Vp 材料的表面能 v 以及 彈性模量 E 有關(guān) ，故 同 塑性指數(shù) 相比， 能 較 好 體現(xiàn) 不同材料的本性。 )2( PIC VVEK ??? （ 13） 其 中 E′ =E/(1υ 2)，平面應(yīng)變狀態(tài) ； E′ =E，平面應(yīng)力狀態(tài) ； υ 為泊松比。 Evans 指 出在材料去除率相同 的情況 下， 依 據(jù)磨削力 (P)、切削能來(lái) 描述 材料的 機(jī)加工性，見式 (14)，其中材料從表面沿鉆頭移動(dòng)一個(gè)單位體積時(shí)所需的能量 成為 切削能。 P 值越 大 ，材料的 機(jī) 加工性越 差 。 BAIK 等 采用 刀具測(cè)力器測(cè)量切削力 ，較準(zhǔn)確某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 的評(píng) 測(cè) 了玻璃陶瓷的 機(jī) 加工性 [6]。 98458521)( ???????HEHKP IC （ 14） 在當(dāng) 前工程領(lǐng)域， 通常 是 在運(yùn)用特制 刀具及鉆頭 對(duì)材料進(jìn)行 拋磨、切削 、磨削等加工時(shí)，采用 測(cè)定 刀具 等的 加工 速度 以及 材料的表面 粗糙度 來(lái) 衡量 材料的 機(jī) 加工性。對(duì)于陶瓷、 合金 、 玻璃質(zhì)材料 等新型超硬 且加工困難的 材料， 一般 也 運(yùn) 用相對(duì)切削加工性系數(shù) Kr 表 征 材料的相對(duì)切削加工性 ，即 Kr=v60/(v60)， 其 中 (v60)為 當(dāng) 刀具 的使用時(shí)間 定為 60min，切削 最大應(yīng)力為 的 45鋼 (把 該材料 作 為基準(zhǔn) )時(shí)所 采用的切削速度； v60 為在刀具 使用壽命規(guī)定 為 60min， 對(duì) 某種材料 進(jìn)行 切削 時(shí) 所 能采用的切削速度。 當(dāng) 材料的 Kr1 時(shí) ， 材料的 切削加工性比 45鋼好； 當(dāng) 材料的 Kr1,材料的 切削加工性比 45鋼 低 。 通常 認(rèn)為 Kr 時(shí)，屬 不易加工 材料。 當(dāng) 陶瓷材料 進(jìn)行 機(jī)加工 的 時(shí) 侯，其 顯著特 征 是所需 要 砂輪 和 刀具進(jìn)給力大， 導(dǎo)致 試件表 層 粗 光滑 度差、表 層 溫度高， 而且 刀具 和 砂輪壽命低 ,容易出現(xiàn) 表面裂 痕 ,切削、磨削比低 ,進(jìn)而對(duì) 材料表面 的磨損 和使用 時(shí)間造成影響 。 陶瓷 材料 磨削加工 方法 ： （ 1） 將陶瓷 試樣安置 ；