ZrO2陶瓷显微结构对绿光飞秒激光加工过程的协同效应

氧化锆(ZrO₂)陶瓷因其性能优异,常被应用于医学与工业等领域.通过表面微纳加工可进一步发挥其性能优势,扩大应用范围.实验采用绿光飞秒激光对具有不同显微结构的ZrO₂陶瓷基体进行微孔加工,结合显微结构差异对材料物理性能的影响,系统研究了激光加工功率与加工时间等工艺参数对微孔形貌、直径及深度等不同维度下形貌学特征的作用效果.结果表明,同一加工参数下,晶粒更小、显微结构更均匀、热导率更低的ZrO₂具有更高的加工效率;通过对比微孔直径与深度随激光加工工艺参数的变化,发现材料显微结构的差异对微孔轴向的影响比径向更加显著.     

基于螺旋刻划方法的KDP晶体临界切削厚度研究

为了取得贴近切削加工的临界切削厚度,本文提出了一种采用金刚石刀具对KDP晶体进行螺旋刻划、基于所得刻槽微观形貌特征参数计算临界切削厚度的新方法;分析了切削速度和材料各向异性对临界切削厚度的影响;通过切削实验验证所得临界切削厚度.结果表明,晶体材料的各向异性对临界切削厚度有显著影响;在低速切削范围内,切削速度对临界切削厚度影响不显著;基于所得临界切削厚度选择切削参数,实现了KDP晶体全晶向延性域切削,取得了表面粗糙度为2.57 nm(Ra)的超光滑表面.     

离子束作用下KDP晶体表面粗糙度研究

为了避免传统加工过程对KDP( Potassium dihydrogen phosphate)晶体表面产生损伤、嵌入杂质等降低晶体抗激光损伤阈值的不利因素,文章探索采用离子束抛光技术实现KDP晶体的加工.本文主要分析了离子束抛光作用下KDP晶体表面粗糙度的演变过程,采用垂直入射和倾斜45°入射两种方式研究KDP晶体表面粗糙度,利用倾斜45°入射的加工方式提高了KDP晶体的表面质量,其表面均方根粗糙度值由初始的3.07 nm减小到了1.95 nm,实验结果验证了离子束抛光加工KDP晶体的可行性.     

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.     

Si3N4-TiC和Si3N4-TiN复相导电陶瓷的制备及电加工性能研究

以TiC和TiN粉为导电相,利用热压烧结制备了Si3N4-TiC和Si3N4-TiN复相导电陶瓷.比较了TiC和TiN对Si3N4陶瓷相组成、致密度、显微结构、力学性能、导电性能及电火花加工性能的影响.结果表明:高温下TiN与Si3N4具有良好稳定性,烧结后获得Si3N4-TiN复相导电陶瓷,然而高温下TiC却与Si3N4反应形成了TiC0.5N0.5和SiC,烧结后获得Si3 N4-TiC0.5N0.5-SiC复相导电陶瓷.虽然TiN和TiC的引入对Si3N4的硬度和断裂韧性的影响没有明显差别,然而TiC的引入可以更好的改善Si3N4的致密化、导电性能及电火花加工性能;与以TiN为导电相所制备的Si3N4基导电陶瓷相比,以TiC为导电相所制备的Si3N4基复相导电陶瓷电火花加工后表面的粗糙度值和材料去除率更低.     

熔盐环境下热障涂层新材料Mg2SiO4的高温腐蚀研究

采用高温固相反应法合成了Mg2 SiO4陶瓷粉末,冷压成型后烧结成陶瓷块材.盐涂法制备V2 O5涂覆的样品,利用马弗炉在950℃空气气氛下保温不同时间.对热腐蚀后的样品进行表面形貌、截面特征的表征,并对Mg2 SiO4的高温熔盐腐蚀机制进行分析研究.结果表明:熔融的V2 O5对Mg2 SiO4陶瓷试样产生两种形式的腐蚀降解作用,即溶解-沉淀机制形成腐蚀产物Mg2 V2 O7和SiO2以及沿晶界腐蚀为主的渗透腐蚀作用.     

KDP晶体各向异性对划痕特性影响的实验研究

对KDP晶体二倍频晶面样品进行金刚石球形压头纳米划痕实验,划痕方向为0°、45°和90°,划痕长度为420μm,恒斜率载荷变化范围为0～150 mN,并利用扫描电子显微镜对划痕形貌进行观察.通过对划痕深度-距离曲线及划痕形貌进行分析,获取各划痕方向脆塑去除比例和脆塑转换位置.实验结果表明:0°、45°和90°方向脆塑转变位置分别为209.0μm、158.5 μm和112.6 μm,从而可知沿0°方向划痕的样品脆塑转变最晚,临界载荷最大,划痕脆性去除最少,是样品的最优加工方向.磨削加工验证实验结果显示,0°方向平均切削力及加工后表面粗糙度均最小,进一步证实其为KDP晶体二倍频表面最优加工方向.     

大尺寸单晶金刚石磨抛一体化加工研究

金刚石因其优异的物理性质被视为下一代半导体材料,然而其极高的硬度、脆性和耐腐蚀性导致其加工困难,尤其是对于大尺寸的化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)单晶金刚石(SCD)晶片而言,目前还缺乏一种高效、低成本的磨抛加工方法。本文提出一种基于工件自旋转的同心双砂轮磨抛一体化加工技术,在一次装夹中,先采用金刚石磨料的陶瓷内圈砂轮磨削单晶金刚石晶片表面,将单晶金刚石表面迅速平坦化,后采用金刚石与CuO混合磨料的外圈溶胶-凝胶(sol-gel,SG)抛光轮抛光单晶金刚石晶片表面,使其在较短时间内完成从原始生长面(Sa约46 nm)到原子级表面精度(Sa＜0.3 nm)的加工。磨削加工中,硬质金刚石磨料的陶瓷砂轮高速划擦金刚石晶片表面,在强机械作用下获得较大的材料去除以及纳米级的光滑单晶金刚石表面,同时引起进一步的表面非晶化;SG抛光加工中,硬质金刚石磨料高速划擦单晶金刚石表面形成高温高压环境,进一步诱导CuO粉末与单晶金刚石表面的非晶碳发生氧化还原反应,实现反应抛光。磨抛一体化的加工技术为晶圆级的单晶、多晶金刚石的工业化生产提供借鉴。     

Al_2O_3陶瓷坯体的激光加工性能研究

本文系统研究了凝胶注模成型的Al2O3陶瓷坯体在CO2激光作用下的加工性能。陶瓷坯体的激光加工性能受许多工艺参数影响。对固相含量、粉体粒度、水分含量等参数对陶瓷坯体的加工效率的影响进行实验研究。通过调整工艺参数,获得最佳的陶瓷坯体的激光加工工艺参数。     

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.     

铣削方式对高体分SiCp/Al复合材料薄壁件高速铣削表面质量影响研究

应用聚晶金刚石(PCD)刀具对高体分SiCp/Al复合材料薄壁件进行了高速铣削实验.在不同铣削速度下,研究了顺、逆两种铣削方式对薄壁件高速铣削的表面粗糙度及表面形貌的影响,提出了不同铣削方式下已加工表面的形成机理,揭示了铣削方式和铣削速度对试件切入部、中部和切出部处表面粗糙度的影响规律.结果表明:在相同的切削用量和刀具几何参数下,顺铣加工的表面粗糙度小于逆铣,且顺铣加工表面粗糙度的变化幅度小于逆铣;薄壁件在切出部的表面粗糙度大于中部和切入部的表面粗糙度;顺铣时已加工表面的形成以切削层金属的滑移为主,材料内部SiC颗粒的滑移、刻划造成已加工表面沿刀具进给方向的微观沟痕;逆铣时已加工表面主要由后刀面的挤压、摩擦作用形成;宏观上顺铣的已加工表面存在由残留面积高度形成的平行于刀具轴线方向的残留痕迹,而逆铣这一特征则不明显.     

基于正交实验的100 mm4°偏轴SiC衬底外延均匀性研究

采用行星热壁式SiC外延炉对100 mm 4°偏轴4H-SiC衬底外延工艺进行了研究.分析了氢气预刻蚀工艺对4°偏轴衬底外延材料表面形貌的影响.采用双指标正交实验,通过极差分析的方法研究了C/Si比、Cl/Si比、主氢流量、生长温度、三路气体比等工艺参数对SiC外延厚度和掺杂浓度均匀性指标影响的主次顺序,并给出了优化的外延参数.采用该工艺条件制得的无台阶聚集形貌的SiC外延片片内厚度均匀性和浓度均匀性分别是1.23;和3.32;.     

酸碱性对雾化施液CMP氧化锆陶瓷的影响

采用精细雾化施液CMP这一抛光工艺对氧化锆陶瓷进行抛光,实验研究了抛光液中具有代表性的酸碱调节剂对抛光氧化锆陶瓷材料去除率、表面形貌和表面粗糙度的影响及酸碱性对精细雾化施液分散稳定性的影响.结果表明:针对精细雾化液抛光工艺配制的二氧化硅抛光液在碱性环境中分散稳定性更好,虽然酸性抛光液对材料去除率更高,但酸对氧化锆陶瓷表面腐蚀性过大,不宜抛光氧化锆陶瓷;有机碱作为调节剂抛光后的表面质量明显优于无机碱及无机酸、有机酸;乙二胺配置的碱性抛光液精细雾化后抛光氧化锆陶瓷可获得优质超光滑低损伤表面及较高加工效率,表面粗糙度Rq为1.67 nm,材料去除率达182.23 nm/min.     

工程陶瓷材料的加工技术及应用进展研究

具备高强度和硬度,耐腐蚀、磨损和烧蚀及抗氧化等优点的工程陶瓷无论在科研领域还是工业领域都被广泛研究.然而工程陶瓷的高脆性和高熔点特性会导致其在加工过程中容易产生微裂纹、相变区、残余应力等缺陷,因此,工业上对工程陶瓷的加工技术提出了更高的要求以便获得高精度和高质量的工程陶瓷.从工程陶瓷的传统机械加工和特种加工技术两个方面详述了各种加工技术在实际生产中的运用,并结合国内外最新发展技术,提出了复合加工技术将是工程陶瓷加工技术研究重点的观点,在工程陶瓷精密加工领域具有一定的实际指导作用.     

基于动态纹理分析的蓝宝石熔体状态识别方法

应用泡生法生产蓝宝石晶体时,引晶必须在熔体温度梯度变化相对较小的条件下进行.针对化料后熔体界面随温度变化波动较大、难以寻找理想的引晶状态这一问题,提出了一种基于熔体界面动态纹理分析的状态识别方法.通过对经典Canny算子边缘检测技术的优化,来增强对晶体生长熔体纹理提取的鲁棒性;利用反映熔体状态的重要特征参数,实现对熔体状态的自动识别.仿真实验验证了该方法的有效性,为实现蓝宝石晶体的智能化制造提供了新途径.     

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.     

基于灰色-尖点突变理论的氧化铝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,以氧化铝陶瓷的单晶压痕边缘碎裂为平台,应用微机控制电子万能试验机施加载荷,应用声发射设备监测其损伤过程中的声发射信号,建立基于声发射信号参数的灰色-尖点突变理论模型,通过分析损伤过程中的加载特征和声发射信号特征,从损伤演化过程的角度揭示氧化铝陶瓷边缘碎裂的损伤规律.结果表明:氧化铝陶瓷的边缘碎裂是由一系列不连续的突变过程组成,在临界载荷之前,这些突变强度不大,不会对材料性能产生宏观影响;但当外加载荷达到某一临界载荷时,氧化铝陶瓷边缘会瞬间碎裂.应用基于声发射累积计数和累积能量的灰色-尖点突变模型可较好的描述氧化铝陶瓷边缘碎裂损伤演化过程的突变特性.     

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.     

玻璃陶瓷车削表面形成机制及实验研究

以玻璃陶瓷为加工对象,通过单因素车削实验研究了硬脆性材料车削机理,分析了车削深度、车削速度和进给速度对表面粗糙度的影响规律.已加工表面质量观测结果表明,随着切削深度的增加,刀具与工件挤压作用增强,表面损伤加重;随着切削速度的增加,刀具与工件作用时间减小,裂纹扩展缩短,表面破坏减弱;将切削过程分为挤压与切削两个阶段,随着进给速度的增加,在挤压阶段刀尖和工件的接触区域产生更深层裂纹,切削阶段材料崩碎加剧.测量已加工表面粗糙度,结果表明:粗糙度随切削深度和进给速度增加而增加,随切削速度增加而减小.     

基于M IC的Cz单晶硅放肩阶段关键特征参数辨识

直拉单晶硅生长过程中放肩阶段常由于断棱的出现导致无法顺利进入等径生长.为研究影响断棱的关键特征参数,提出采用最大互信息系数法(MIC)辨识直拉单晶硅放肩阶段关键特征参数.分别采用最大互信息系数法(MIC)、层次分析法(AHP)计算特征参数与放肩断棱的相关系数,按照降序依次提取前k项直至全部特征参数作为输入参数,在逻辑斯蒂回归模型进行放肩断棱预测评估.结果表明,采用MIC提取特征参数的前13项特征作为输入参数时,模型的准确度最高;且采用MIC法在预测精度上优于AHP法.