基于能量的工程陶瓷边缘碎裂损伤规律与机理研究

为探究工程陶瓷边缘碎裂损伤规律与机理,建立工程陶瓷的单晶压痕边缘碎裂实验系统,分析了工程陶瓷边缘碎裂损伤演化过程的能量转化和释放特征,结合断口表面形貌,从能量的角度研究了工程陶瓷边缘碎裂的损伤规律与机理.结果表明:工程陶瓷的边缘碎裂过程具有显著的突变特征,在缓慢断裂期,裂纹扩展缓慢,陶瓷材料内部以穿晶断裂为主,绝大部分机械能通过晶粒变形的方式转变为弹性应变能;在瞬断期,裂纹扩展迅速,弹性应变能通过沿晶断裂、相对运动和滑移等形式转化为动能、表面能、损伤能、摩擦热能和辐射能等.幅值和释能率可较好地反映其损伤演化过程的能量释放特征.     

氮化硅陶瓷崩碎损伤的三维时空演化特征

建立了氮化硅陶瓷的准静态单晶压痕崩碎损伤实验系统,应用声发射三维定位系统实时监测其损伤演化过程,应用三维显微系统观测陶瓷崩口损伤表面形貌,并分析了崩碎损伤过程的临界行为.结果表明:声发射事件的三维实时定位直观反映了陶瓷崩碎损伤过程中材料内部微裂纹的萌生、扩展、成核和贯通的损伤演化过程,其定位结果与陶瓷崩口三维几何形貌具有较好的一致性.陶瓷崩碎曲面主要沿着二次多项式的轨迹向陶瓷表面扩展.陶瓷崩碎损伤具有明显的临界行为,声发射计数率和释能率的变化都符合幂律奇异性规律.     

完全烧结氧化锆牙科陶瓷材料的旋转超声加工实验研究

针对口腔修复领域中大量应用的预烧结氧化锆陶瓷存在二次烧结加工工艺复杂、收缩率难以控制、断裂率高等问题,提出了采用旋转超声加工完全烧结氧化锆陶瓷的方法.开展了完全烧结氧化锆陶瓷的旋转超声加工和普通金刚石磨削加工实验,重点研究了主轴转速对磨削力、最大边缘碎裂尺寸及亚表面损伤特性的影响规律.通过对比分析得到,旋转超声加工不仅能降低磨削力,有效抑制完全烧结氧化锆陶瓷材料的边缘碎裂,同时明显减少了其亚表面微裂纹,是实现完全烧结氧化锆陶瓷口腔修复体低损伤加工的新途径.     

Ti:Al2O3透明多晶陶瓷光谱特性分析

采用传统无压烧结工艺制备出透明性良好的掺Ti氧化铝陶瓷;测定了该陶瓷的吸收光谱、荧光光谱和激发光谱.结果表明,掺Ti氧化铝透明陶瓷样品在Mg与Ti掺入离子的摩尔比(NMg/NTi)较小时,表现出Ti3+离子的490nm特征吸收峰,即2T2→2E跃迁产生的宽带吸收;NMg/NTi较大时,陶瓷样品吸收光谱中不存在Ti3+离子吸收,其250nm处吸收为O2-→Ti4+的转移吸收.掺Ti氧化铝透明陶瓷样品Ti3+离子的发射谱线与单晶的相吻合,同时Ti3+在氧化铝陶瓷中分布很均匀,且Ti3+浓度较高时仍处于未畸变的八面体格位当中.氢气氛下烧结的陶瓷样品因MgO添加剂的存在而在410nm处产生Ti4+离子荧光发射;而280nm、420nm左右的荧光发射分别是由F+和F心造成的.     

单晶金刚石磨粒机械磨损声发射关联维特征研究

单晶金刚石磨粒的机械磨损是其磨粒加工过程中磨损的主要形式之一.利用单颗单晶金刚石磨粒划擦Ta12W,跟踪检测了磨粒划擦过程中磨损体积、磨损率和磨损形貌等机械磨损的变化特征,并监测分析了其机械磨损声发射信号特征参数和时域信号特征.利用G-P算法对金刚石磨粒机械磨损声发射信号进行相空间重构,利用自相关函数法确定了相空间的时间延迟,计算出相空间的双对数图,从而得到金刚石磨粒不同磨损阶段的关联维数.研究结果表明:单晶金刚石磨粒划擦Ta12 W的机械磨损声发射信号具有混沌变化特性,随着嵌入维数的增加,其关联维数的变化趋于平稳,关联维数变化幅值与其磨损率基本呈正效应关系.通过基于G-P算法计算分析磨粒划擦过程中声发射关联维特征,进一步揭示单晶金刚石磨粒机械磨损特性.     

工程陶瓷专用磨削液抗堵塞添加剂分子结构设计及其验证

根据有机化学基本原理以及课题组前期总结有机物分子结构与砂轮堵塞间的交互规律,讨论并确立了陶瓷专用磨削液最佳抗堵塞添加剂应具备的分子结构特征.依据该特征设计并选择了月桂酸钠和硬脂酸钾这两种优化添加剂进行试验和验证.试验结果表明:在非极性氮化硅陶瓷磨削过程中,月桂酸钠应用效果最佳,完全抑制砂轮堵塞现象的发生.在极性陶瓷氧化铝磨削过程中,两种试剂也可以起到明显的抗堵塞效果,但抗堵塞能力相对较差.在此基础上,文章讨论了有机物在陶瓷表面的吸附形式与抗堵塞特性之间的交互关系.     

基于边缘碎裂效应的切割-推挤式加工的机理分析

基于边缘碎裂效应的切割-推挤式加工技术可以采用低于被加工材料硬度的工具实现工程陶瓷等脆性材料的加工.通过高速摄像观察、微观形貌观察等方法研究,材料破碎去除是源于预制裂纹在外加三维拉应力场和自由边缘表面的作用下迅速扩展.通过实时检测车刀表面温度变化,表明新技术加工过程能以较小的能量消耗实现材料去除.通过对比背侧预制缺陷和双侧预制缺陷的挤压破碎特性,揭示了凸缘受挤压的侧表面存在的缺陷对轴向推挤力有减小的重要作用.此外,还通过能量角度揭示了材料去除的破碎规律和机理.     

牙科氧化锆陶瓷铣削出口边缘碎裂实验研究

边缘碎裂是陶瓷材料加工过程中的常见现象,很大程度上影响零件的加工质量和加工成本.为在加工过程中优化铣削参数,对牙科氧化锆材料铣削过程中易发生的出口边缘碎裂现象进行了实验研究,理论分析了导致其铣削边缘碎裂现象的影响因素,结果表明:不同铣削方式及工件材料的性能参数,如硬度、断裂韧性和微观颗粒的大小,对出口边缘碎裂宽度有较大影响.     

基于声发射的单晶SiC材料去除机理研究

根据声发射理论,采用金刚石刀具在自动划痕仪上进行SiC单晶塑脆转换的临界条件实验,建立了SiC划痕实验过程中的声发射(AE)信号模型,利用扫描电镜(SEM)观察SiC单晶的表面形貌.结果表明,SiC划痕过程中也存在着明显的声发射Kaiser效应点,表面的划痕和切屑也表明该单晶材料同其它典型硬脆材料如玻璃和硅类似,材料去除存在着塑性到脆性的转换过程,同时分析了划痕过程中的微细粉末状碎屑的产生机理和刀具角度与塑脆转换的关系.     

Y2O3吸附粉对95;氧化铝热压铸瓷坯脱蜡粘粉的控制

95;氧化铝热压铸瓷坯脱蜡粘粉严重影响着产品的合格率及生产效率,本文提出了一种基于Y2O3吸附粉对95;氧化铝热压铸瓷坯脱蜡粘粉的控制方法,并与传统的基于α-Al2O3吸附粉的脱蜡方法进行了对比分析.Y2O3吸附粉脱蜡不仅彻底消除了95;氧化铝热压铸瓷坯脱蜡工艺中的表面粘粉现象,而且获得的烧成95;氧化铝陶瓷的密度、体积电阻率、断裂强度、介电击穿强度等性能均有提升,该方法具有操作简便、工艺研发周期短、成本低等优点,生产推广价值高.此外,基于脱蜡过程中的相变分析,本文讨论了粘粉的形成机制及Y2O3吸附粉控制粘粉的原理.     

Al2O3对辉石质陶瓷烧结性能的影响

以钢渣尾泥为原料制备了辉石质陶瓷,并通过对陶瓷制品物理性能测试和XRF、XRD、SEM分析,研究了Al2O3组分对辉石质陶瓷烧结过程结构演变过程及陶瓷物理性能的影响规律.研究表明,随着烧结温度升高,陶瓷中铝离子首先参与形成钙长石,并随着钙长石晶相消失而进入液相;部分铝离子进一步扩散,使得透辉石相转变为固溶铝离子的普通辉石相.在本实验条件下,氧化铝含量较低的样品具有较高的烧结温度(1210℃)和较高的强度(93.74 MPa).氧化铝含量的增加使陶瓷形成较多的玻璃相和内部微裂纹,从而降低其力学性能.     

基于边缘破碎驱动裂纹推挤加工的破碎模拟实验研究

工程陶瓷基于边缘破碎驱动裂纹软推挤加工是一项创新性的非传统接触式加工技术,可采用单晶压头挤压破碎模拟实验研究新技术的加工特征.通过对挤压破碎曲线、微观形貌观察以及有限元仿真讨论了挤压驱动裂纹失稳的机理,以及预制缺陷的应力集中效应起到的重要作用.通过正交实验探讨了加载速度、凸缘宽度、压痕位置离外边缘距离、槽深对挤压破碎力的影响规律,并采用多元回归模型实现较好的拟合.     

用改进的MonteCarlo算法模拟多孔Al2O3陶瓷烧结过程中的晶粒生长

基于经典的晶粒生长机理,采用改进的蒙特卡罗( Monte Carlo)模拟方法,对在不同的烧结温度和保温时间下的晶粒生长演化过程进行计算机模拟,并使用多孔Al2 O3陶瓷烧结实验过程中的晶粒生长对模型进行了验证.结果表明,当晶粒生长指数为2.95时,模拟与实验中的晶粒生长趋势相一致,说明改进的MC方法可真实的反映晶粒长大的物理过程.     

SiC单晶刻划过程的脆塑性转变特征研究

SiC单晶化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,广泛用于大功率器件产业.但由于其材料的硬度很大,加工非常困难.脆性材料塑性域加工为提高该类材料的表面质量,降低加工时间和成本提供了有效的途径.本文采用不同刀具角度和刀尖圆弧半径的单点金刚石刀具对4H-SiC单晶进行刻划实验,利用声发射、摩擦力传感器来监测刻划过程中声发射信号强度以及摩擦力的变化,并通过Leica DCM3D以及SEM观察划痕沟槽表面形貌、切屑状态,综合分析以获得4H-SiC单晶在不同角度、刀尖圆弧半径下塑脆转变的临界切削深度.结果表明,增大刀具角度有利于塑性域加工;在相同条件下,刀尖圆弧半径越大,临界切削深度越大.     

Nd∶Y_3Al_5O_(12)透明激光陶瓷的光学性能

采用固相合成法制备了Nd:Y3Al5O12(Nd:YAG)透明激光陶瓷.用V型棱镜法测量了Nd:YAG陶瓷的折射率.用干涉仪测量了陶瓷的光学均匀性.测试了Nd:YAG透明陶瓷的透过光谱、吸收光谱和荧光光谱,在1064 nm的直线透过率达到80%以上,并计算其吸收系数、吸收截面和发射截面.根据Judd-Ofelt理论,拟合出晶体场强度参数Ωt(t=2, 4, 6)为:Ω2=0.32×10-20 cm2, Ω4=2.72×10-20 cm2, Ω6=5.39×10-20 cm2.荧光辐射寿命τrad为248.61 μs,计算的荧光分支比β为:β1=34.613%, β2=52.814%, β3=10.697%, β4=0.621%.并将Nd:YAG陶瓷的吸收光谱、荧光光谱与Nd:YAG单晶进行了对比.     

生物贝壳在静态/动态三点弯曲载荷下的性能表征

在贝壳的基本力学性能研究中,疲劳性能的研究较能模仿外界环境对生物贝壳带来的累积损伤,从而揭示贝壳独有的结构在疲劳变形与损伤过程中的作用。本文选取产自大连海域的紫石房蛤(Saxidomus purpuratus)贝壳作为研究材料,对其进行静态和动态三点弯曲测试,并对断口表面进行了表征。结果表明,这种贝壳材料可以成功进行弯曲疲劳测试,并且动态弯曲载荷下的疲劳强度比相应的静态载荷下的强度略小。     

响应曲面法优化超声振动辅助ELID复合内圆磨削ZTA陶瓷的边界损伤长度

本文基于响应曲面法的Box-Behnken设计方法,开展超声振动辅助在线电解修整(ELID)复合内圆(UAEI)磨削氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷试验,建立响应面模型;结合显著性检验、试验得到的响应曲面和等高线图,研究ELID电源电压、磨削深度、轴向进给量和砂轮转速四个工艺参数及其交互作用对边界损伤长度的影响规律;以最小边界损伤长度为优化目标,得到UAEI磨削ZTA陶瓷的最优参数组合为:EILD电源电压86.39 V,磨削深度为1.55 μm,轴向进给量为81.24 mm/min,砂轮转速为2 741.41 r/min,得到最优边界损伤长度理论预测值Ltv为6.537 μm。经过试验检验,相对误差在合理范围内,所建立的响应面模型具有较高精度,为UAEI磨削加工工艺参数的合理选择提供一定的参考。     

静态溶液中KDP籽晶长大的浮力对流模拟研究

采用有限容积法,对KDP籽晶在静态溶液中的生长过程进行了数值模拟,研究了籽晶长大过程中的形状变化,考察了体过饱和度和籽晶特征尺寸对籽晶表面过饱和度及剪切力的影响,重点分析了籽晶长大过程中的尺寸效应.结果表明,当籽晶的特征长度小于临界尺寸时,籽晶的生长速率随着晶体尺寸的增大而加快;而当籽晶的特征长度大于临界尺寸时,籽晶的生长速率随着晶体尺寸的增大而减慢.     

工程陶瓷三维周向包封预应力磨削技术研究

采用金属三维周向包封待磨削陶瓷工件,推导了周向包封技术预加压应力、阻止裂纹系统向材料纵深与边缘扩展的作用机理,建立了三维周向包封磨削加工应力与应变叠加模型,认为周向包封对工件的压应力超过磨削产生的拉应力时,磨削工件表层形成残余压应力.开展了三种陶瓷材料的三维周向包封磨削实验,发现周向包封磨削工件未出现表面损伤和边缘缺陷,改变磨削用量和砂轮参数,测量工件断裂强度以及平行磨削方向与垂直磨削方向的残余应力.结果表明,周向包封技术使Si3N4陶瓷磨削强度提高13.2～48.9 MPa,大切深加工提升幅度可达262.7 MPa;两个测量方向上周向包封工件表面残余应力为压应力,说明提出的应力叠加模型是正确的.     

超声拉伸陶瓷材料断裂机理研究

基于非局部理论对超声振动拉伸下ZrO2增韧Al2O3(ZTA)陶瓷材料的力学特性进行了研究,建立了超声振动拉伸下的非局部本构模型.通过数值模拟,研究了晶粒间距、超声振幅、频率等内外部特征变量对非局部核函数的影响规律,振幅、频率对核函数的影响均呈现下开口抛物线性形状,对核函数的影响存在一个临界值.通过超声单轴拉伸试验,对理论推导的核函数影响规律进行验证.在超声单轴拉伸实验下通过观察陶瓷断口SEM形貌,分析了裂纹扩展规律及断口微观结构的变化特征,获得了超声振幅和频率对陶瓷材料微观结构的影响规律.结果表明超声振动改变了材料的断裂方式和微观组织结构,断裂应力随着振幅和频率的增大而减小而后增大,试验得出了与非局部理论一致的结论.证实了超声振动对裂纹扩展起到了促进作用.