【文章內(nèi)容簡介】 （ 2） 在 不變 力 F作用下， 在 磨削時間 T內(nèi) 對陶瓷用磨削 砂 輪 規(guī) 定時 間進(jìn)行 磨削 加工 ； （ 3） 準(zhǔn)確記錄并稱量 陶瓷 所磨細(xì)屑 的質(zhì)量 M； （ 4） 將 陶瓷 材料的硬度 Hv 和 彈 性模量 E 代入式 15 中 ， 求出 陶瓷材料的磨損系數(shù) α [7]： 5/2)( HvEFTM ???? ?? （ 15） 磨損系數(shù) 值 越 小 ，陶瓷 機(jī) 加工性越 差 。本方法 是一種 高效 率 、簡 單 、成本 低廉 的評估 陶瓷磨削加工性能 的方式 。 總而言之 ，不論 是 用組分設(shè)計 還是 性能優(yōu)化 ，亦或用 磨削力指數(shù) (P)或 者 可加工指數(shù) (M)來 描述 材料的 機(jī) 加工性，斷裂韌性 (KIC)、硬度 (H)、彈性模量 (E)都 是 極其重要的影響因素 [8]。 陶瓷材料機(jī)加工損傷的表征 通常 ， 在機(jī) 械 加工過程中 ， 陶瓷材料產(chǎn)生 的 裂紋 總共有 3 個 類 別 ： 與 材料加工表面平行 的 橫向裂紋、 與 材料加工表面垂直 的 徑向 或 縱向裂紋、晶內(nèi) 和 晶間微裂紋。陶瓷材料在機(jī)加工過程的損傷檢測和表征 領(lǐng)域發(fā)展了 許多無損檢測方法。 Ah 等先 采用壓痕法在 SiN和玻璃 當(dāng)中 中引入縱向和橫向裂紋， 最后 采用超聲和熱波檢測的方 式檢某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 測這些裂紋， 再對 材料的表面形貌 運 用光學(xué)顯微鏡 進(jìn)行 觀察 分析 。 陶瓷材料 機(jī) 加工性的影響因素 （ 1）工藝過程 分析相關(guān) 實驗 結(jié)果得出， 陶瓷材料的磨削能 不但與 材料本身的組 成 、微觀結(jié)構(gòu) 有關(guān) ， 而且與 磨削液種類 和 磨削工藝參數(shù) 有關(guān) [12]。 實驗 表明：在 對 陶瓷材料 進(jìn)行 研磨拋光 的 精 密 加工過程中，磨料 以及 磨削液 會同 材料表面 產(chǎn)生 化學(xué)作用，故選擇的合理 性異 常重要。 眾多 科研工作者 進(jìn)行 了大量優(yōu)化工藝 的 工作 ，努力 提高加工后陶瓷材料表層 完整性 和 加工 精密度 ， 阻礙 表面微裂紋 的產(chǎn)生 ,研究內(nèi)容主要有 :如何 選擇切削、磨削液； 探討 陶瓷材料的磨削 和 切削機(jī)理；開發(fā)新型砂輪 、 刀具 ，加快其使用進(jìn)程 ； 怎樣 合理選擇機(jī)加工 的 參數(shù) (切削、磨削速度，進(jìn)給量等 )等 [10]。 （ 2）材料的結(jié)構(gòu) 材料在 切屑 等機(jī)加 械加 工過程中 發(fā)生 的各種 磨損 形式， 包括 ：晶 體 內(nèi)部的孿晶、滑移 及 晶間 微 微裂， 一 般受 陶瓷材料 的 熱力學(xué)性能 和陶瓷 本身的物理 性能決定 ， 關(guān)鍵在于陶瓷材料的成分和顯微結(jié)構(gòu) 。云母 類 玻璃陶瓷的 機(jī) 加工性 和 顯微硬度 同陶瓷的 顯微結(jié)構(gòu) 息息相關(guān) ，評價材料特 點 的重要參數(shù) 包括 晶粒的晶粒的空間排列、結(jié)晶度、縱橫比等。 Chawai 實驗結(jié)果 表明：顯微結(jié)構(gòu) 、 α Si3N4 和 β Si3N4 的相對含量、孔尺寸及空隙率的大小對 Si3N4 陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度、抗熱震性等熱力學(xué)性能及機(jī)加工性能有顯著影響。 Si3N4 陶瓷根據(jù)相含量的不同，顯微結(jié)構(gòu)可分為 3 種類型：純顆粒狀 αSi3N4晶粒；顆粒狀 α Si3N4和柱狀 β Si3N4結(jié)晶 體；純柱狀 β Si3N4結(jié)晶體。實驗表明：純柱狀 β Si3N4結(jié)晶體的可加工性能最佳 [19]。 （ 3）材料的物理 和 熱力學(xué)性能 一般， 陶瓷材料的 斷裂 韌性、彈性模量越 低 ， 陶瓷 可加工性能越 差 。硬度、強(qiáng)度值 越 低 ，切削力越 小 ，切削溫度越 低 ， 相應(yīng)的 刀具磨損 越小 ， 因此它的機(jī) 加工性 好 。 （ 4）材料分布 和 組分 當(dāng) 材料的組分 差異 、 組成相同相不同時， 由于微觀結(jié)構(gòu)的 不同 ， 導(dǎo)致 抵抗斷裂和變形的能力 不同 。 例如 β Si3N4和 α Si3N4 Hv的值 分別為 、 ， 即使力學(xué)性能也會有所不同 ,因而 組 成不同以及發(fā)生 相變 都 會影響材料的 機(jī) 加工性。 此 外，利用弱晶界相制備的可加工納米復(fù)合材料，晶界相的分布對材料的加工質(zhì)量和加工效率至關(guān)重要 [19]。 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 陶瓷機(jī)加工機(jī)理 從材料微觀力學(xué)機(jī)制來看，高強(qiáng)度要求高的裂紋擴(kuò)展阻力，而優(yōu)良的可加工性則要求裂紋易于擴(kuò)展和連接。從應(yīng)力場作用區(qū)域和應(yīng)力狀態(tài)來看，強(qiáng)度應(yīng)力場作用區(qū)域為整個構(gòu)件尺寸，一般為毫米級，處于正應(yīng)力狀態(tài)；而加工時刀具作用的應(yīng)力場僅局限在刀具尖端附近的微小區(qū)域內(nèi)，一般為微米級，處于剪切應(yīng)力狀態(tài)。因此，在可加工陶瓷中，長、短裂紋對材料性能所起的作用不同，所處的應(yīng)力狀態(tài)也不同。提 高長裂紋擴(kuò)展阻力，則強(qiáng)度高；降低短裂紋擴(kuò)展阻力，則可加工性好。按照 Griffith 微裂紋理論，材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的大小，即由最危險的裂紋尺寸 (臨界裂紋尺寸決定 C)決定 [13]。臨界裂紋尺寸的表達(dá)式表示如 （ 16） : ?????? ?? f?YKC IC (16) 其中 :KIC為斷裂韌性， σ f為斷裂強(qiáng)度； Y 為無量綱因子，取決于裂紋幾何形狀、樣品形狀及加載方 式。一般來說，可加工陶瓷的臨界裂紋尺寸約為微米級，當(dāng)陶瓷中可加工相的尺寸低于此臨界值時，對材料的強(qiáng)度影響不大，而在此前提下，可適當(dāng)增加可加工相含量，提高其可加工性能。 因此，為了獲得既高強(qiáng)韌又可加工的陶瓷材料，實現(xiàn)可加工陶瓷的性能優(yōu)化，應(yīng)充分發(fā)揮弱界面對裂紋的偏轉(zhuǎn)、分叉與橋聯(lián)作用，提高長裂紋擴(kuò)展阻力，降低短裂紋擴(kuò)展阻力。以材料的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計作為突破口，通過對弱界面在基體材料中的大小、分布、數(shù)量的設(shè)計以及新型制備工藝的研究，實現(xiàn)可加工陶瓷性能的優(yōu)化，從而制備性能優(yōu)異的可加工陶瓷。實現(xiàn)這一目標(biāo)最好的方法就是制備 具有均勻彌散結(jié)構(gòu)的納米復(fù)相可加工陶瓷。所以本實驗采用納米炭黑為增強(qiáng)體，達(dá)到改善 SiC 陶瓷機(jī)加工性能的目的 [14]。 研究的目的和意義 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。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)點的復(fù)合材料來替代現(xiàn)有石墨材料，解決目前高溫玻璃夾具的難題。 Cp/SiC 材料，即耐高溫，又有一定某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 的強(qiáng)度，可以多次反復(fù)使用。尤其可貴的是可以鉆孔，車削，適合復(fù)雜形狀模板的后加工，這種新型材料由于符合工業(yè)生產(chǎn)的需求，很容易推廣開來，促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步，降低生產(chǎn)成本。因此， Cp/SiC 新材料由于其優(yōu)良的耐高溫性和易加工性 ,在玻璃夾具行業(yè)具有極大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。目前國?nèi)已有幾家玻璃制造公司提出了應(yīng)用需求[15]。 前期課題已對碳含量分別為 10%、 15%、 25%時對 Cp/SiC 的力學(xué)性能、機(jī)加工性、抗氧化性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。一方 面由于所研究含碳量設(shè)置較少，影響實驗結(jié)論的準(zhǔn)確性和后續(xù)研究；另一方面在研究機(jī)加工性時單純的通過打孔時間來衡量，而打孔是采用人工操作，施力大小不易控制。因此有必要對上述部分存在的問題繼續(xù)深入研究，采用其它的方法對機(jī)加工結(jié)果予以輔助，進(jìn)而提高實驗結(jié)論的可靠性和科學(xué)性。 本實驗主要結(jié)合玻璃工業(yè)中對材料的特殊需求：要求工業(yè)玻璃部件燒制過程中的支座材料必須耐 980℃ 高溫，同時與玻璃部件不能粘結(jié)，還希望有一定強(qiáng)度，可以反復(fù)使用，可以很容易地加工成復(fù)雜的形狀等特殊要求進(jìn)行研究。經(jīng)過前期實驗發(fā)現(xiàn)C/SiC 材料可以滿足以上要 求，有希望成為一種應(yīng)用廣泛的新材料。本實驗針對前期研究存在的問題，提出以下解決方案。研究碳含量分別為 0、 10%、 15%、 20%時 Cp/SiC復(fù)合材料密度、機(jī)加工性、力學(xué)性能以及與玻璃的粘結(jié)性。同時運用模糊數(shù)學(xué)理論，以材料的物理、力學(xué)性能為依據(jù)，提出了一種對可加工陶瓷材料可加工性進(jìn)行綜合評判的方法。通過引入隸屬函數(shù)和特征加權(quán)，使可加工性邊界模糊化，能夠很大程度上體現(xiàn)領(lǐng)域?qū)＜业闹R及思維結(jié)構(gòu)，所得出的綜合評判結(jié)果能較為準(zhǔn)確反映各種可加工陶瓷材料的可加工性，進(jìn)而得出機(jī)加工性最佳時所對應(yīng)的碳含量。同時，模型理論推導(dǎo) 與實際加工檢測相結(jié)合，提高實驗結(jié)論的可靠性。制備出符合工業(yè)生產(chǎn)需要的新材料，即可以帶動生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又給材料研究和新材料開發(fā)帶來新的商機(jī)和發(fā)展。 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 第二章 實驗 實驗所用原料及儀器 原料及其性能指標(biāo) 本實驗的 SiC顆粒是寧夏機(jī)械研究院提供的沒經(jīng)過造粒的亞微米級α SiC粉體，純度 ≥ 97%， D50= 級配合理。 （ 2）納米碳黑粘度較大，分散性較差，導(dǎo)電性較好，是一種補(bǔ)強(qiáng)性能良好的碳黑，在作為膠料的補(bǔ)強(qiáng)劑時，能賦予膠料較好的抗撕裂性、耐磨性和彈性。本實驗采用型號為 N330 的 納米級碳黑作為原材料，各項性能指標(biāo)如表 21 所示。 表 21 N330 納米炭黑的各項性能指標(biāo)表 [16] 產(chǎn)品指標(biāo) 參數(shù) 吸碘值 (g/kg) 82177。7 DBP 吸收值 (105m3/kg) 102177。 7 著色強(qiáng)度 （ %） 96110 加熱減量 （ %≤） 灰份 （ %≤） 45um 篩余物 （ %≤） 500um 篩余物 （ %≤） （ 3）本實驗所用的油酸為分析純，為中國萊陽市雙雙化工有限公司制備，具體性能參數(shù)如表 22 所示。 表 22 油酸各項性能指標(biāo) [17] 產(chǎn) 品 指 標(biāo) 參 數(shù) 分 子 式 C18H34O2 分 子 量 密 度 （ 20℃） g/m3 酸 值 195200 乙醇溶解實驗 合 格 灼燒殘渣（以硫酸鹽計 %） ≤ 酸 度 合 格 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 本實驗所用乙醇為分析純，為天津市瑞金特化學(xué)品有限公司制備。 （ 5）碳化硼：作為燒結(jié)助劑，改善材料燒結(jié)性能，提高材料斷裂韌性及強(qiáng)度 [18]。 （ 6）蒸餾水：作為溶劑。 （ 7） Darvanc：作為分散劑。 （ 8）磨介。 實驗所用儀器及用途 實驗中用到的儀器見 表 23。 表 23 實驗中用到的主要儀器 儀器名稱 型號 產(chǎn)地 用途 電子天平 JJ300 常熟雙杰測試儀器廠 配料 噴霧造粒機(jī) MOBILE MINOR Niro 公司 噴霧造粒 圖像處理維氏 硬度計 432SVD 沃伯特測量儀器（上海） 有限公司 對樣品進(jìn)行顯微硬度的測定 劃片切割機(jī) EC400 VISTA CALIFORNIA MADE IN USA 切割標(biāo)準(zhǔn)試樣 電子萬能試驗機(jī) CMT5305 深圳新三思計量技術(shù)有限公司 測試三點抗彎。斷裂韌性 攪拌磨 混合粉料 干燥箱 101A1 中國實驗儀器總廠 烘干粉料 干壓機(jī) 50 前川測量儀器制造有限公司 干壓成型坯體 冷等靜壓機(jī) LDJ100/320300 川西機(jī)械廠 對坯體冷等靜壓 真空燒結(jié)爐 SYL600 株洲諾伯特高溫設(shè)備有限公司 常壓燒結(jié) SiC 電子分析天平 AR2140 Ohaus Gorp. Pine Brook, USA 測量陶瓷的密度 臥軸矩臺平面磨床 HZY150 杭州機(jī)床廠 對陶瓷進(jìn)行磨光 實驗過程 混料 按表 24 配方稱量，將稱好的 SiC、 C、 B4C 裝入樹脂罐中，加入 600g 磨介，球某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 料比 2:1，將添加劑（油酸、 Darvanc、乙醇、水）在燒杯中混合均勻，再加入樹脂罐中，用玻璃棒攪拌使其混合均勻，把配好的粉料裝在三維混料機(jī)上球磨 6h。 干燥 磨好后把混合漿料置于干燥箱中烘干， 10h 后取出，用研缽研磨，過 80 目篩以備用。 表 24 實驗配方 序號 C% SiC/g C/g 乙醇 /mL 水 /mL B4C/g Darvanc/g 油酸 /ml 磨介 1 0 300 0 195 105 3 3 600 2 10 270 30 195 105 3 3 600 3 15 255 45 195 105 3 3 600 4 20 240 60 195 105 3 3 600 成型 本實驗采用干壓法制備 C/SiC 復(fù)合陶瓷的坯體。具體步驟為：將稱量好的粉料倒入金屬壓模中，震動壓平后，把金屬模放在干壓機(jī)壓頭下，然后以 16 噸的壓力通過壓機(jī)壓頭進(jìn)行單向加壓，保壓 30 秒后進(jìn)行脫模。將試樣進(jìn)行編號 ,用游標(biāo)卡尺測量其尺寸，用電子稱測量其重量并記錄以上數(shù)據(jù)。 壓制 50mm 50mm的方塊，每份料壓制 4 塊，重量為 30g/塊 （ 加粉 30g）。 用塑料膜 將試樣包裹，按實驗室默認(rèn)條件加壓、保壓后取出，要注意隨時編號，以免混淆。 樣品燒結(jié) 將 C/SiC 復(fù)合陶瓷的坯體置于石墨坩堝，素坯之間依次用石墨紙隔開以防止燒結(jié)過程樣品之間相互粘結(jié)。用氬氣作為保護(hù)氣，按下圖設(shè)定的工藝燒結(jié)，在