基于超声的纳米复相陶瓷弯曲断裂特性研究

为了研究超声磨削纳米复相陶瓷材料的精密高效加工本质,根据超声磨削纳米复相陶瓷断裂的实际情况以及相似原理,设计了能够实现超声下三点弯曲断裂在线观测的试验装置.通过试验,发现超声下的疲劳寿命、抗弯强度明显低于无超声下的,且随频率的增加而降低;裂纹扩展速度随着频率的增加而增加,断裂过程快而稳定;裂纹在扩展方向上发生偏转,且随频率的增加偏转角减小;超声下的断裂模式在一定程度上更倾向于沿晶-穿晶混合模式,且随频率的增加断口存在解理面更复杂、表面更平整等现象.     

超声激励ZTA陶瓷压痕裂纹扩展特性试验研究

针对超声激励对ZTA陶瓷压痕裂纹的影响进行试验研究,从力学角度探究其延性域加工表征的相关机理.通过超声激励作用下的压痕试验及SEM显微观察,对比普通与超声压痕裂纹尖端扩展情况,提出超声激励改变裂纹尖端的几何形态,使得裂纹扩展偏转分叉,而扩展路径的复杂化使得断裂表面能增加,形成能量耗散的增韧机制.经压痕法测得普通情况下的断裂韧性值低于超声振动下的断裂韧性值,约为68; ～85;.既印证了超声激励的增韧效果,也从力学理论角度解释了超声加工工程陶瓷材料延性域扩大这一现象.     

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.     

MgO/Al2O3比率对MgO-Al2O3-4mol％SiO2复相陶瓷热震行为和微观结构的影响

本文采用MgO和Al2O3作为主要原料,SiO2为掺杂剂,MgO-Al2O3-4mol％ SiO2复相陶瓷材料通过无压烧结的方式被制备.烧后试样通过相分析和热循环次数进行表征,场发射扫描电镜也被用来观察烧后试样热震前后的微观结构.研究在掺杂4mol％ SiO2的条件下,不同MgO/Al2O3比率对复相陶瓷材料的微观结构和热震稳定性能影响.结果表明:最佳的MgO/Al2O3比率为2/1,烧后试样的相组成中除了方镁石相还包括镁铝尖晶石和镁橄榄石相,试样具有更好的热震稳定性,接近20次的热震次数才可以使试样发生断裂.观察MgO/Al2O3比率为2/1烧后试样的微观结构,其细晶化和多晶化结构明显,尖晶石以网状结构相互连接,其烧后试样经热震后,微观裂纹出现偏转和分叉的现象,主裂纹的扩展被限制并且更多的断裂能被消耗,很大程度提高了复相陶瓷的热震稳定性.     

MgO/Al_2O_3比率对MgO-Al_2O_3-4mol% SiO_2复相陶瓷热震行为和微观结构的影响（英文）

本文采用MgO和Al_2O_3作为主要原料,SiO_2为掺杂剂,MgO-Al_2O_3-4mol%SiO 2复相陶瓷材料通过无压烧结的方式被制备。烧后试样通过相分析和热循环次数进行表征,场发射扫描电镜也被用来观察烧后试样热震前后的微观结构。研究在掺杂4mol%SiO 2的条件下,不同MgO/Al_2O_3比率对复相陶瓷材料的微观结构和热震稳定性能影响。结果表明:最佳的MgO/Al_2O_3比率为2/1,烧后试样的相组成中除了方镁石相还包括镁铝尖晶石和镁橄榄石相,试样具有更好的热震稳定性,接近20次的热震次数才可以使试样发生断裂。观察MgO/Al_2O_3比率为2/1烧后试样的微观结构,其细晶化和多晶化结构明显,尖晶石以网状结构相互连接,其烧后试样经热震后,微观裂纹出现偏转和分叉的现象,主裂纹的扩展被限制并且更多的断裂能被消耗,很大程度提高了复相陶瓷的热震稳定性。     

基于裂纹扩展效应的切槽-推磨复合加工陶瓷方法的可行性研究

提出了基于裂纹扩展效应的切槽-推磨复合陶瓷加工新方法,完成了借助金刚石砂轮片切割预制缺陷和小砂轮轴向推磨加工工艺实验.通过收集推磨后的块状碎屑,测定其在总去除质量中所占比例,作为裂纹扩展效应在材料去除中所占比重的依据.通过单因素实验着重研究了凸缘厚度、凹槽深度、砂轮转速和工件转速四个加工参数对块状屑占比和推磨力的影响规律.借助激光共聚焦显微镜和金相显微镜测定,分析了该方法的加工机理,即该加工方法去除陶瓷材料是在预制缺陷、裂纹扩展和砂轮磨削的综合作用下完成的.     

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.     

Co包覆Al2O3/TiC复合材料的烧结及性能

采用Co包覆Al2O3/TiC微米级、纳米级粉料进行了不同Co含量、不同烧结温度的热压烧结实验.综合分析和对比了两种不同粒径包覆粉体的烧结结果,结果发现纳米级的粉体烧结效果优于微米级粉体的烧结效果.综合力学性能最佳的纳米级复相陶瓷材料的硬度为HRA92.7,抗弯强度σf为782 Mpa,断裂韧性KIC为7.81 Mpa·M1/2.利用SEM观察采取综合力学性能最佳的ATC纳米复合材料制备工艺制备的Al2O3、Al2O3/TiC和ATC的断口,可以看出Al2O3、Al2O3/TiC主要以沿晶断裂为主,而ATC为沿晶与穿晶混合断口,并从ATC断口,发现形成了晶内型结构,观察到了裂纹曲折的扩展路径以及裂纹的分叉、偏转、桥联这些有助于材料强度和韧性提高的现象.     

横向超声激励对金刚石线锯切割单晶SiC切割速度及切割机理影响

硬脆晶体材料如SiC、Ge和Si等,由于具有极高的硬度和脆性,普通线锯切割很难进一步提高硬脆材料晶片的切割效率和表面质量.本研究把超声振动应用到金刚石线锯切割单晶SiC.基于超声振动切削加工的特点,分析了柔性线锯横向振动切割单晶SiC的必要条件;建立了横向超声激励下柔性金刚石线锯对SiC工件的动态切割过程模型,研究分析了超声振动对线锯间歇切割弧长及切割速度的影响,得到横向超声振动线锯切割速度增量的数学表达式.基于压痕裂纹模型,讨论了横向超声振动线锯切割和普通线锯切割对切割速度、切割力和表面粗糙度的影响.以单晶SiC为切割对象,对普通线锯切割和超声振动线锯切割进行了对比实验,结果表明在相同条件下,超声振动线锯切割使晶片的表面粗糙度有明显改善,超声振动线锯的切割速度比普通线锯切割的速度提高了约45;,锯切力减少28;~53;.实验结果与理论分析具有良好的一致性.     

石英晶体板非线性高频振动的拓展伽辽金法分析

针对考虑几何和材料非线性的石英晶体板厚度剪切振动和弯曲振动的方程组,利用扩展伽辽金法对该方程组进行转化和求解,分别获得了强烈耦合的厚度剪切振动模态和弯曲振动模态的频率响应关系,绘制了不同振幅比和不同驱动电压影响下的频率响应曲线图。数值计算结果表明可以选取石英晶片的最佳长厚比尺寸来避免两种模态的强烈耦合。驱动电压的变化将引起石英晶体谐振器厚度剪切振动频率的明显改变,必须将振动频率的漂移值控制在常用压电声波器件的允许值之内。扩展伽辽金法对石英晶体板非线性振动方程组的求解为非线性有限元分析和偏场效应分析奠定了基础。     

ZrB_2-SiC-AlN超高温陶瓷材料力学性能及抗热震性能研究

采用热压烧结工艺制备了两种不同AlN含量(5 vol%,10 vol%)的ZrB2-SiC基超高温陶瓷材料,并对其微观组织与力学性能进行了考察。结果表明:当AlN含量为5 vol%时材料的致密度较高,弯曲强度和断裂韧性也较高,分别为815 MPa和6.16 MPa.m1/2,过量的AlN加入显著降低了材料的力学性能;材料的断裂方式以沿晶断裂为主,增韧机制主要是裂纹偏转。同时采用水淬法对ZrB2-15 vol%SiC-5 vol%AlN陶瓷材料的抗热震性能进行了考察,结果显示临界热震温差为300℃。     

横向超声辅助线锯振动切割单晶SiC法向锯切力研究

锯切力是线锯切割加工中极其重要的参数,它不仅影响切割效率和晶片的表面质量,而且还严重影响晶片的亚表面损伤程度和线锯的寿命.本文将横向超声振动应用于金刚石线锯切割单晶SiC过程中并对受迫振动线锯的法向锯切力进行理论分析和研究.基于轴向运动弦线受迫振动模型,求解出在两种不同位置超声激励下线锯中间切割点横向振动位移的函数表达式;依据冲量定理和磨削理论,建立了横向超声辅助金刚石线锯的法向锯切力模型并推导出横向受迫振动线锯锯切单晶SiC法向锯切力的预测公式.对单晶SiC进行横向超声辅助线锯振动切割和普通线锯切割对比实验并分析横向超声振动和加工参数对线锯法向锯切力的影响,结果表明相同实验条件下,横向超声振动切割比普通线锯切割法向锯切力减小25; ～35;.理论预测与实验结果具有较好一致性.     

热压烧结制备羟基磷灰石/透辉石陶瓷复合材料

采用热压烧结方法制备了羟基磷灰石/透辉石复相陶瓷材料,分析了羟基磷灰石基体与透辉石之间的界面结合、扩展及渗透过程,测试了复合材料的断裂韧性、硬度、抗弯强度与添加剂含量的对应关系,并对复相陶瓷材料的微观结构与力学性能进行了研究.结果表明:在1320℃,28MPa条件下热压烧结制备的复相陶瓷材料,其抗弯强度、断裂韧性均有明显提高,抗弯强度达到90MPa,断裂韧性达到1.07MPa·m1/2.     

CePO4含量对可加工 Ce-ZrO2/CePO4陶瓷材料性能的影响

研究了CePO4含量对Ce-ZrO2/CePO4陶瓷材料性能的影响.结果表明,当CePO4含量较少时,材料的力学性能变化不大,可加工指数增大,当CePO4含量大于25;,二者匀下降.可见CePO4的含量为25;时,材料的加工性与其力学性能结合的最好;同时研究了不同的CePO4含量引起材料的断口、表面形貌的变化及对材料断裂性能的影响.     

KDP晶体单点金刚石飞切过程裂纹扩展影响因素研究

针对KDP晶体在单点金刚石飞切过程中承受周期性的断续冲击,易于产生裂纹,而常规有限元方法无法准确模拟裂纹尖端扩展路径等问题.以扩展有限元理论为基础,在ABAQUS中建立KDP晶体数值模型,研究刀具参数和工作参数对裂纹尖端扩展的综合影响作用.结果表明:主轴转速与切深对飞切过程中裂纹尖端扩展在0.1水平下呈显著性影响,而工作台进给量对裂纹尖端扩展的影响作用最小;裂纹尖端最大主应力值和扩展趋势随着主轴转速的提升而逐渐增大,其中在600 r/min至800 r/min区间内增长速度最快;裂纹尖端最大主应力值和扩展趋势随着切深的增加而增大,且切深小于25 μm时的增长速度要高于切深大于25 μm时的增长速度.     

直流等离子体法中脱膜开裂的金刚石膜组织结构分析

为了解决用直流等离子体喷射法制备金刚石膜在脱膜过程中膜体开裂的问题,本文对3组脱膜开裂的金刚石膜组织结构进行了分析,发现由热应力作用产生的裂纹形貌随沉积温度的不同而呈现网状、河流状和环状,裂纹尖端的膜体具有最小的Raman 谱峰半高宽值.在所研究的温度范围内,膜体断口都是穿晶断裂和沿晶断裂的混合断口,而且断口面中的占优晶面都是{111}晶面.X射线和Raman谱结果还表明沉积温度愈高,膜体中的残余应力愈大.     

非等厚电极对石英晶体板高频振动影响分析

利用Mindlin一阶板理论分析了覆盖非等厚电极层的AT切石英晶体板的高频振动,获得了包含厚度剪切振动模态、弯曲振动模态、面剪切振动模态、拉伸振动模态和厚度扭转振动模态的色散关系和频谱关系。研究结果表明由于上下电极层的非等厚性,过去认为不耦合的两组振动模态变得相互耦合,必须进行联合求解。计算结果表明由于非等厚电极层的质量效应,各振动模态的频率均有所降低。根据石英晶体板高频振动的频谱关系图,可以选取石英晶体板的最佳长厚比作为谐振器的制造尺寸。获得的电极层厚度与频率变化关系可以用来指导谐振器电极层厚度设计。     

细晶粒BaTiO3陶瓷电阻率和漏电流的尺寸效应研究

BaTiO3陶瓷材料作为一种重要的介电材料被广泛应用于诸多领域,其尺寸效应也被广泛的研究.试验发现不同频率下BaTiO3陶瓷材料的电阻率的随晶粒尺寸变化而变化,由此提出一个BaTiO3陶瓷等效电路模型,从理论上验证不同频率下影响电阻率的主导贡献因素.同时试验中发现直流与瞬态测试下的电阻率的尺寸效应变化相差较大,理论分析是由漏电流中极化电流与电导电流造成的.结果表明,瞬态测量与直流测量的差异确实由漏电流的尺寸效应引起的.     

MF/纳米ZrO_2增韧氧化铝陶瓷复合材料的力学性能

选用莫来石纤维(MF)和纳米ZrO2为增强体制备了MZTA复合增韧氧化铝陶瓷复合材料。通过设计正交试验讨论了MF含量、nano-ZrO2含量、烧结温度、保温时间等因素对材料力学性能的影响,利用扫描电镜、能谱分析仪研究了陶瓷复合材料的微观结构与性能的关系。结果表明:当莫来石纤维和纳米ZrO2的质量分数分别为10%,烧结温度为1550℃,保温时间为30 min,陶瓷复合材料的抗弯强度、断裂韧性分别达到712 MPa、10.05 MPa.m1/2,与纯Al2O3陶瓷相比晶粒细化、力学性能显著提高;纤维的拔出、桥联、裂纹扩展路径偏转、沿晶断裂等消耗了大量的断裂能、缓和了裂纹尖端的应力是材料断裂韧性提高的主要原因。     

层状C/ZrB2-SiC复合材料素坯成型工艺的研究

采用两种不同素坯成型工艺制备层状C/ZrB2-SiC复合材料,并对其微观结构和力学性能进行研究.结果表明:高温下预压成型制备的层状ZrB2-SiC复合材料层厚均匀,界面平直,弯曲强度和断裂韧性较高,分别达到427MPa和11.3 MPa·m1/2.而室温下预压成型各层厚度不均,界面弯曲,出现界面交叉现象,弯曲强度和断裂韧性较低,分别为277 MPa和9.4 MPa·m1/2.采用素坯高温预压成型制备的层状C/ZrB2-SiC复合材料力学性能较高,主要归因于界面平直,裂纹交替通过基体层和界面层,裂纹的扩展路径变长,断裂功增加.