【正文】 ... 16 碳含量對 C/SiC 復(fù)相陶瓷體收縮率的影響 ..................... 17 碳含量對陶瓷抗彎強度的影響 ............................... 18 碳含量對陶瓷顯微硬度和斷裂韌性的影響 .................... 18 數(shù)學(xué)建模分析 ................................................. 20 模糊評價 模型的建立 ...................................... 20 模型求解 ................................................ 21 解決方法 ................................................ 23 第四章 結(jié)論 .................................................. 24 致 謝 ....................................................... 25 參考文獻 ..................................................... 26 附錄 外語文獻原文 ............................................ 28 譯文 ........................................................ 39 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 SiC 陶瓷材料概述 SiC 材料的性質(zhì)極其應(yīng)用 SiC 是 擁有 極強共價鍵的化合物，共價鍵 成分 大約 占 88%； SiC 鍵強度極高，鍵長 大約 為 。③隨著碳含量的增加， C/SiC 燒結(jié)體的密度、體收縮率和抗彎強度都逐漸較小。結(jié)果表明：①燒結(jié)后的 C/SiC 復(fù)相陶瓷中的 SiC 發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)變，并且 αSiC 比 βSiC 的結(jié)晶度更好。同時運用模糊數(shù)學(xué)理論，建立了模糊綜合評價 模型。某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 某某某某 大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 論文題目 ： SiC 基陶瓷作為高溫 玻璃夾具材料的研究 院 (部 )名 稱 : 材料科學(xué)與工程 學(xué) 生 姓 名 : 專 業(yè) : 學(xué) 號 : 指導(dǎo)教師姓名 : 論文提交時間 : 論文答辯時間 : 學(xué)位授予時間 : 北方民族大學(xué)教務(wù)處某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 摘 要 本文主要對 SiC 基陶瓷作為高溫玻璃夾具材料的可行性進行研究。采用機械化學(xué)結(jié)合無壓燒結(jié)制備碳顆粒改性 SiC 陶瓷基復(fù)合材料（ Cp/SiC），對其進行了 XRD、 SEM表征，分析了不同碳含量對 C/SiC 陶瓷燒結(jié)樣品的體收縮率、密度、抗彎強度、顯微硬度、斷裂韌性和機加工性的影響。我們試圖通過陶瓷的斷裂韌性、硬度和抗彎強度等物理力學(xué)性能，對陶瓷的可加工性進行進行預(yù)測。②在含碳量為 0～ 20%的研究范圍內(nèi)，碳含量為10%的 C/SiC 復(fù)相陶瓷的顯微組織最致密，而且碳與 SiC 的結(jié)合情況較好。④隨著碳含量的增加，碳 碳化硅 復(fù)相陶瓷機加工性逐漸增強。 SiC 由于其 結(jié)構(gòu) 而 具有 許多 優(yōu)良性能 ，例如 抗氧化性強、高溫強度大、耐磨損、熱穩(wěn)定性 優(yōu) 、熱導(dǎo)率大、熱膨脹系數(shù)小、硬度高以及 高 抗熱震和耐化學(xué)腐蝕。 由 為 SiC 陶瓷材料的 眾 多性能，己被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。 碳 SiC 復(fù)合陶瓷材料 C/SiC 復(fù)合材料作為一種新材料，正在逐漸引起人們的關(guān)注。它是一種以碳顆粒為增強體，以 SiC 為基體的復(fù)合材料，綜合了碳顆粒增強體良好的力學(xué)性能和陶瓷基體良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。 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合發(fā)揮獨特的作用。 某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 項目研究背景 玻璃行業(yè)夾 磨 具材料現(xiàn)狀 近年來，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 成千上萬的特種玻璃零件需要 在 高溫 條件下 熔化 使其 成型， 因而 對耐高溫 的 夾具及支架材料的需求 也 越來越 旺盛 。目前，玻璃制造業(yè)使用的支撐及夾具材料為石墨材料。而 由于 SiC 陶瓷 材料 具有 高強度、 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。 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。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，否則模具在使用時將會出現(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。 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。 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)致密后無法機加工，并且在高溫下很容易與玻璃粘結(jié)在一起，不易分離。 陶瓷的機加工方法 常見工程陶瓷加工技術(shù) 主要有：激光 /等離子加工、機械加工、超聲波加工、電火花加工、化學(xué)機械加工、高壓磨料水 射流加工以及各種復(fù)合加工工藝。 （ 1）機械加工 機械加工是 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。其 具有 加工效率高 和 工藝簡單 的優(yōu)勢 ，但由于陶瓷材料硬 度 高、 質(zhì) 脆， 因而通過 機械加工難以 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。 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。m小。 首先 把 加工原件和型模分別做為電路的陽、陰極，用液態(tài) 的 絕緣電介質(zhì) 把 兩級 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。 （ 3）高壓磨料水加工 1968 年，美國密蘇里大學(xué)的 Roman 逐漸 在工程領(lǐng)域 中獲得 應(yīng)用。 通常 磨料 運 用天然 的 石榴石。 用 高壓磨料水射流加工 材料 ， 陶瓷事實上 是一 種 材料的動態(tài)裂紋擴展 過程，即 利用 裂紋的 延伸 實現(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。隨著工 件 在三維方 位 上的進給，工 件 端部的形狀 被 漸漸 復(fù)制 到 陶瓷 部 件上。 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 用機油或 者 煤油作為液 態(tài) 介質(zhì)。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。激光加工 是 一種 沒有 接觸、 沒有 摩擦 的 加工 工藝 ，加工 時， 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 對三維形狀復(fù)雜材料 進行 加工 的目的 。 當(dāng)前 已能加工 半徑 2～ 、徑深比 大于 10 以上的微孔。 （ 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，對陶瓷材料進行加熱軟化和切削加工。激光通過一個具有很高觀雪清晰度的單點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。 陶瓷材料可加工性的表征與影響因素 陶瓷材料 機 加工性的表征 和 評估 材料的 機 加工性 一般采用 用鉆削、切削、磨削、車削等機 械 加工的 困難 度來 進行定性 描述 。根據(jù) 采 用的不 一樣 的測試 方法 ,用來評 價 材料的 機 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。 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 加工 性 越 優(yōu) 。 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)，來評 價 陶瓷材料的 機加工性。可加工指數(shù) (M)公式見公式 （ 12） 。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。 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 描述 材料的 機加工性，見式 (14)，其中材料從表面沿鉆頭移動一個單位體積時所需的能量 成為 切削能。 BAIK 等 采用 刀具測力器測量切削力 ，較準(zhǔn)確某某某某 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 的評 測 了玻璃陶瓷的 機 加工性 [6]。對于陶瓷、 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 用相對切削加工性系數(shù) Kr 表 征 材料的相對切削加工性 ，即 Kr=v60/(v60)， 其 中 (v60)為 當(dāng) 刀具 的使用時間 定為 60min，切削 最大應(yīng)力為 的 45鋼 (把 該材料 作 為基準(zhǔn) )時所 采用的切削速度； v60 為在刀具 使用壽命規(guī)定 為 60min， 對 某種材料 進行 切削 時 所 能采用的切削速度。 通常 認(rèn)為 Kr 時，屬 不易加工 材料。 陶瓷 材料 磨削加工 方法 ： （ 1） 將陶瓷 試樣安置 ； （ 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 加工性越 差 。 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 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]。陶瓷材料在機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。 陶瓷材料 機 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]。 眾多 科研工作者 進行 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 切削機理；開發(fā)新型砂輪 、 刀具 ，加快其使用進程 ； 怎樣 合理選擇機加工 的 參數(shù) (切削、磨削速度，進給量等 )等 [10]。云母 類 玻璃陶瓷的 機 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。 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。 （ 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 。 （ 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 。 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]。從應(yīng)力場作用區(qū)域和應(yīng)力狀態(tài)來看，強度應(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)。提 高長裂紋擴展阻力，則強度高；降低短裂紋擴展阻力，則可加工性好。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。 因此，為了獲得既高強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