【正文】 過打磨含碳量為 15%和 20%的陶瓷樣品發(fā)現(xiàn)，由于碳含量偏高，表面無法將其打成鏡面，導(dǎo)致陶 瓷顯微硬度和斷裂韌性無法測量。根據(jù)復(fù)合材料的強度復(fù)合法則可知，隨著陶瓷中碳含量的增加，復(fù)相陶瓷的抗彎強度會下降，但從圖中可知，在碳含量為 10%時，抗彎強度大于 100MP，能滿足玻璃夾具的使用對強度的要求。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22020406080100120140160180200Cp/SiC復(fù)相陶瓷抗彎強度/MPa圖35 碳含量對Cp/SiC復(fù)相陶瓷抗彎強度的影響碳含量（%） 從圖中可以看出，純 SiC 的抗彎強度值較高，但隨著碳含量的增加，復(fù)相陶瓷抗彎強度逐漸降低。對于可加工陶瓷而言，單純從控制陶瓷尺寸方面考慮，加入碳可能有利于燒結(jié)后陶瓷的穩(wěn)定。 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 222 .52 .62 .72 .82 .93 .03 .13 .2CP/SiC燒結(jié)體密度g/cm3碳含量（%）圖3 3 碳含量對C p / S i C 燒結(jié)體密度的影響 碳含量對 C/SiC 復(fù)相陶瓷體收縮率的影響 圖 34 為碳含量對 C/SiC 復(fù)相陶瓷體 收縮率的影響。由于碳的理論密度比 SiC 的理論密度低，所以有密度的復(fù)合法則可知，隨著碳含量的增加，復(fù)相陶瓷的混合密度必然逐漸降低。 碳含量對 C/SiC 復(fù)相陶瓷密度的影響 圖 33 為 C 含量對 C/SiC 復(fù)相陶瓷的密度的影響。 （ c） 圖中顆粒分布不均勻，相比之下，圖 （ b）和圖 （ d） 顆 粒分布較均勻，而且碳與 SiC 的結(jié)合情況較好。 (a)純 SiCSEM 照片 （ b）含碳 10%的 C/SiC SEM 照片 （ c）含碳 15%的 C/SiC SEM 照片 （ d）含碳 10%的 C/SiC SEM 照片 圖 32 含碳量對 C/SiC 復(fù)相陶瓷微觀形貌的影響 從圖 32（ a） 可以看出純 SiC 的顆粒尺寸大約為 2um，顆粒大小分布較為均為。 注：所使用的碳化硅原粉的主要晶相是 αSiC。而且在加入碳后，與純 SiC 相比，樣品的α SiC 峰變強。 10 20 30 40 50 60 70 80▲▲▲▲▲●●▲▲intensity/.2 θ /degree▲▲：SiC圖31 燒結(jié)樣品的粉末XRD圖20%15%5%0● : C 從圖 中可以看出，加入碳后，在 2θ = 處，樣品的 XRD 中出現(xiàn)了碳的特征峰。 （ 2） 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行綜合評判的方法。 機加工測試 （ 1） 用碳鋼鉆頭對陶瓷進行打孔實驗，計時 20s，手 工施力打孔，并對現(xiàn)象予以描述，評判不同含量陶瓷鉆孔加工的難以程度。 （ 2） 硬度和斷裂韌性的測定：使用多能磨拋機將試樣進行拋光，使其成鏡面狀。 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 在切割的過程中應(yīng)注意： ； ，下刀應(yīng)盡量慢； ，以免損壞儀器及試樣； ，導(dǎo)致電機過熱，為保護電機，應(yīng)適當(dāng)使其停止工作。 (2) 用劃片切割機將塊切為標準試樣，即 3mm 4mm 條狀，用以作抗彎強度。 試樣的磨切 (1) 將試樣在平面磨床上進行加工，使其表面平整。具體燒結(jié)工藝見圖 11。用氬氣作為保護氣，按下圖設(shè)定的工藝燒結(jié)，在 1000℃ 以下用熱電偶測溫人工控制升溫速率，在 1000℃ 以上用紅外進行測溫，用預(yù)設(shè)的程序進行自動控制燒結(jié)。 用塑料膜 將試樣包裹，按實驗室默認條件加壓、保壓后取出，要注意隨時編號，以免混淆。將試樣進行編號 ,用游標卡尺測量其尺寸，用電子稱測量其重量并記錄以上數(shù)據(jù)。 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。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 50 前川測量儀器制造有限公司 干壓成型坯體 冷等靜壓機 LDJ100/320300 川西機械廠 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 杭州機床廠 對陶瓷進行磨光 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上球磨 6h。 實驗所用儀器及用途 實驗中用到的儀器見 表 23。 （ 7） Darvanc：作為分散劑。 （ 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度 [18]。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。7 DBP 吸收值 (105m3/kg) 102177。本實驗采用型號為 N330 的 納米級碳黑作為原材料，各項性能指標如表 21 所示。 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 本實驗的 SiC顆粒是寧夏機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。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。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行綜合評判的方法。本實驗針對前期研究存在的問題，提出以下解決方案。 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行研究。一方 面由于所研究含碳量設(shè)置較少，影響實驗結(jié)論的準確性和后續(xù)研究；另一方面在研究機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。目前國內(nèi)已有幾家玻璃制造公司提出了應(yīng)用需求[15]。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，促進工業(yè)生產(chǎn)的進步，降低生產(chǎn)成本。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。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。所以本實驗采用納米炭黑為增強體，達到改善 SiC 陶瓷機加工性能的目的 [14]。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。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。按照 Griffith 微裂紋理論，材料的斷裂強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]。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。 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 陶瓷機加工機理 從材料微觀力學(xué)機制來看，高強度要求高的裂紋擴展阻力，而優(yōu)良的可加工性則要求裂紋易于擴展和連接。 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 加工性。硬度、強度值 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 加工性 好 。實驗表明：純柱狀 β Si3N4結(jié)晶體的可加工性能最佳 [19]。 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 陶瓷材料的抗彎強度、抗熱震性等熱力學(xué)性能及機加工性能有顯著影響。 （ 2）材料的結(jié)構(gòu) 材料在 切屑 等機加 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) 。 實驗 表明：在 對 陶瓷材料 進行 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。 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 進行 觀察 分析 。 陶瓷材料機加工損傷的表征 通常 ， 在機 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。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 。 當(dāng) 陶瓷材料 進行 機加工 的 時 侯，其 顯著特 征 是所需 要 砂輪 和 刀具進給力大， 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 ,進而對 材料表面 的磨損 和使用 時間造成影響 。 當(dāng) 材料的 Kr1 時 ， 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 。 98458521)( ???????HEHKP IC （ 14） 在當(dāng) 前工程領(lǐng)域， 通常 是 在運用特制 刀具及鉆頭 對材料進行 拋磨、切削 、磨削等加工時，采用 測定 刀具 等的 加工 速度 以及 材料的表面 粗糙度 來 衡量 材料的 機 加工性。 P 值越 大 ，材料的 機 加工性越 差 。 )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。 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。 同類 材料可加工指數(shù) (M)值 越大，陶瓷材料的 機 加工性越 優(yōu) 。 Boccaccini 采用 用脆性指數(shù) (B)做 為評 估 材料 機 加工性的參數(shù)，如式 (11)。 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 斷裂強度、硬度、韌性等 有關(guān) ,也 于 材料加工技術(shù)的 先進程度有 關(guān) 。 準確 定量表 達 材料 機 加工的 困難 度很難。其他工程技術(shù)人員已經(jīng)嘗試了用各種不同的方法來加工陶瓷，期中一種方法就是先在爐子中加熱工件，然后再對其進行加工 [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，對于這種技術(shù)，正在和一家日本公司商談的 Patten 正在爭取實現(xiàn)這項技術(shù)的商業(yè)化，也就是投入到生產(chǎn)之中，相信有這項技術(shù)的支持的話，在某種意義上而言對二氧化硅的加工是一種進步，對陶瓷材 料的加工也是一種進步，對整個行業(yè)的發(fā)張都是一種很大的進步。加工裝置集成了一種紅外光纖 激光。一般選 用 CO2和 Nd 的 激光 作為光 源 。 于 陶瓷材料上制作微結(jié)構(gòu) ， 進行微鉆孔、微切割 ，也可 通過 激光加工 實現(xiàn) 。 （ 5）激光加工 激光加工時 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。由于 在 加工 時， 作用在元件上的力 不大 ，在 材料表面 上 產(chǎn)生 的 機械應(yīng)力 很 小， 因而 對材料的 傷害 小、表面粗糙度 較 好。 通常 磨料 有 B4C、 碳化硅 和 Al2O3等。 （ 4）超聲波加工 利用工具（模具） 引起