飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理

超短脉冲激光微加工技术以其独特的优势,尤其是对硬脆难加工类宽带隙材料的精密处理,而使其成为微结构加工中的研究热点.利用飞秒激光微加工系统对宽带隙材料SiC的烧蚀特性进行理论和试验研究.应用扫描电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等检测技术对样品的烧蚀形貌进行检测,以分析烧蚀区域的形貌特征及微结构质量.依据烧蚀孔径和入射脉冲激光能量之间的函数关系,得出SiC材料的烧蚀阈值为0.31 J/cm2,并估算出光束的束腰半径为32 μm.研究脉冲数目、重复频率和入射激光功率等对加工微结构形貌的影响规律,根据试验参数加工出形状规则的微孔结构,并对微结构的烧蚀形貌及材料的去除机理进行分析,为实现微结构的精密加工提供了重要的指导.     

光斑模型对激光冲击成形性能的影响

针对激光冲击成形中成形区存在不均匀性的缺点,提出了采用环形光斑模型改善板料成形性能的方法,并将此光斑模型与均匀分布和高斯分布的光斑模型加以对比,初步论证了利用环形光斑模型的优越性。     

载荷对激光选区烧结Cf/SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

通过激光选区烧结技术和液相渗硅工艺制备了碳纤维增强碳化硅（Cf/SiC）复合材料。试样组织由C、SiC和Si三相组成,其密度和弯曲强度分别为2.89±0.01 g/cm3和237±9.8 MPa。采用UMT TriboLab多功能摩擦磨损试验机研究了Cf/SiC复合材料在不同载荷(10 N, 30 N, 50 N和70 N)条件下的摩擦学特性。研究结果表明：载荷较小(10 N)时,Cf/SiC复合材料的磨损由微凸起和SiC硬质点造成,磨损机制为磨粒磨损;载荷为30 N时,复合材料的摩擦磨损综合性能最好,其平均摩擦因数为0.564,磨损率低(5.24×10-7 cm3/（N·m）),主要磨损机制为犁削形成的磨粒磨损和黏结磨损。载荷增大到70N时,材料磨损严重,磨粒脱落形成凹坑,产生裂纹,其磨损率(8.68×10-7 cm3/（N·m）)高,磨损机制主要为脆性剥落。     

多孔预制体对SiC/Al复合材料孔隙率的影响

采用无压浸渗法制备了SiC含量较高的SiC/Al复合材料,分析了造孔剂添加量对多孔预制体孔隙率的影响,利用铝液浸渗多孔体理论分析了多孔顸制体孔隙结构对复合材料孔隙率的影响.结果表明:通过添加造孔剂可以调节多孔预制体的孔隙结构,使预制体的孔隙率增加;多孔预制体的孔隙结构的变化可以调节复合材料的孔隙率.多孔预制体的孔隙率越高、孔隙尺寸越大,则铝液浸渗畅通,复合材料的孔隙率越小.     

纳秒激光加工2.5维Cf/SiC复合材料的烧蚀孔洞特征

针对新型材料2.5维碳纤维增强陶瓷基（Cf/SiC）复合材料采用传统机械加工难以去除加工的问题,采用纳秒激光烧蚀2.5维Cf/SiC复合材料,烧蚀后采用扫描电子显微镜观察其烧蚀孔洞形貌特征,并分析其烧蚀去除机制,讨论激光加工参数对烧蚀孔径的影响。研究表明,Cf/SiC复合材料的激光烧蚀区域出现烧蚀孔洞、重凝、纤维断口、末端气胀,以及长轴与纤维方向一致的椭圆形材料性能变化区域等烧蚀现象;激光烧蚀Cf/SiC复合材料过程中存在氧化的化学变化现象;烧蚀产生的孔径随烧蚀功率的增加和烧蚀时间的延长而增大,烧蚀时间和烧蚀功率均较大时,可能存在烧蚀孔洞被重凝材料堵塞或部分堵塞的情况。计算出纳秒激光的束腰半径为223 μm,纳秒激光烧蚀Cf/SiC复合材料的烧蚀阈值为0.32 J/cm2。     

石墨对SiC/Cu复合材料抗弯强度的影响

采用粉末冶金方法制备了SiC和石墨(Gr)颗粒混杂增强Cu基复合材料,应用弯曲试验研究了复合材料的的抗弯强度。结果表明:SiC/Cu复合材料的抗弯强度随着SiC含量的增大而增大;Gr/Cu复合材料的抗弯强度随着Gr含量的增大而减小;(10%SiC+10%Gr)/Cu复合材料的抗弯强度比10%Gr/Cu复合材料大,比10%SiC/Cu复合材料小。     

非圆光斑对金属激光快速成形的影响及对策

当不同方向扫描成形时,采用相同的扫描间距而忽视非圆光斑各向异性的影响,是造成金属快速成形件内部缺陷的一个重要原因.在不更换或调整原有硬件设备的情况下,采用变扫描间距法(即在不同方向上采用不同的扫描间距)与层间正交变向往复扫描相结合,实验结果表明试件的表面质量、成形精度和内部质量都有显著提高.     

初始缺陷对平纹编织C/SiC复合材料热膨胀系数的影响

基于有限元细观计算力学(FECM)提出了一种获得平纹编织C/Si C复合材料的初始缺陷对其热膨胀系数影响关系的方法。首先通过扫描电镜(SEM)观察将初始缺陷进行分类并利用SEM图对各类初始缺陷的分布特征进行测量和统计,然后依据测量和统计结果建立含初始缺陷的宏观材料代表体积单元(RVE)和纤维束RVE有限元模型,最后采用FECM方法预测含各类初始缺陷宏观材料RVE的热膨胀系数。基于以上方法得到了各类初始缺陷与宏观材料热膨胀系数之间的定量映射关系。     

纤维方向对C/SiC复合材料摩擦学特性的影响

以不同纤维方向C/SiC复合材料分别与氧化铝增韧的氧化锆陶瓷(Al_2O_3-ZrO_2)及调质处理的45~#钢组成摩擦副进行销-盘摩擦实验,研究对摩副材料及纤维方向对摩擦副摩擦磨损性能及磨损机制的影响。结果表明,C/SiC复合材料与Al_2O_3-ZrO_2和45~#钢摩擦时,其垂直纤维叠层方向的摩擦磨损性能均优于平行纤维叠层方向,且垂直纤维叠层方向C/SiC复合材料与Al_2O_3-ZrO_2摩擦副具有最小的摩擦因数和磨损率,摩擦过程更稳定;纤维C/SiC复合材料与Al_2O_3-ZrO_2陶瓷和45~#钢摩擦副的磨损形式主要均为磨粒磨损,与45~#钢摩擦时还伴随着化学磨损。     

C/SiC复合材料组织对磨削力与加工表面质量的影响

采用树脂结合剂金刚石砂轮对C/SiC复合材料与SiC陶瓷进行了平面磨削加工试验,通过对比两种材料的磨削力及磨削加工表面质量,分析了C/SiC复合材料组织与其磨削加工特性的 关系。研究结果表明,C/SiC复合材料中碳纤维及SiC基体皆以脆性断裂方式实现材料去除;与SiC陶瓷的加工表面(其表面粗糙度值Ra为0.2~0.3μm)相比,C/SiC复合材料磨削时由于碳纤维层状断裂、拔出及其与SiC非同步去除现象导致其加工表面粗糙度值较高, Ra为0.8~1.0μm;C/SiC复合材料磨削力较小,是相同工艺参数下SiC陶瓷材料磨削力的35%~76%。     

三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤演化

利用声发射技术,对三维编织C/SiC复合材料在拉伸过程中损伤发展、演化进行了实验研究。实验采集了三维编织C/SiC复合材料拉伸过程的声发射信号。运用多参数分析法,分析了三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤的声发射特性,宏观上揭示了材料拉伸损伤的发展、演化过程和规律。研究结果表明三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤演化可被分为两个主要阶段,损伤初始阶段和损伤严重阶段。     

包埋工艺参数对碳/碳复合材料表面SiC涂层致密性的影响

采用包埋法在碳/碳(C/C)复合材料表面制备出不同致密度的SiC涂层,用正交试验法系统研究了包埋温度(A)、包埋时间(B)、烧结助剂Ⅰ含量(C)、烧结助剂Ⅱ含量(D)、硅含量(E)等工艺参数对SiC涂层抗氧化性能(用抗氧化性能表征涂层的致密性)的影响.结果表明:研究的包埋工艺参数对SiC涂层抗氧化性能(致密性)影响的显著性从大到小依次为A,C,E,D,B;在A1B1C1DE1工艺条件下所得的SiC涂层最疏松;通过改进参数,在A3B2C4D2E4工艺条件下所得的SiC涂层最致密,该涂层可在1 500℃空气中提供10 h以上的抗氧化保护.     

Cf/SiC复合材料铣削加工过程仿真分析及试验研究

针对C_f/SiC复合材料铣削加工过程中刀具磨损快、加工效率低、加工工艺优化试验成本高等问题,开展C_f/SiC复合材料三维铣削仿真分析及试验研究。基于ABAQUS软件建立C_f/SiC复合材料三维铣削加工仿真有限元模型,预测加工过程中的铣削力,通过试验验证该模型的正确性。对比仿真预测的理论值和试验测得的实际值发现二者的平均误差仅为15%,所获取的一组较优的加工参数为C_f/SiC复合材料铣削加工参数优化提供了理论依据。     

科学家利用飞秒激光刻蚀技术实现了金属表面特性的精确控制

美国纽约罗彻斯特大学光学研究所的郭春雷教授联合穆罕默德·埃尔卡巴什教授,在等离激元杂交模型的指导下,利用飞秒激光加工技术控制表面纳米结构的形态,从而实现对光谱吸收的更多控制,并首次证明了可以将飞秒激光诱导的金属表面用于高温选择性太阳能吸收器(SSA)。     

热压烧结工艺以及碳纤维含量对C/SiC复合材料性能的影响

以SiC粉、碳纤维为原料,采用热压烧结工艺制备了C/SiC复合材料,结合正交试验和单因素试验研究了烧结压力、烧结温度和碳纤维含量对复合材料体积密度与抗弯强度的影响。结果表明：碳纤维含量对C/SiC复合材料体积密度的影响最大,烧结温度次之,烧结压力最小;烧结温度对抗弯强度的影响最大,碳纤维含量次之,烧结压力最小;当烧结压力为25 MPa、碳纤维体积分数为30%、烧结温度为2 100℃时,复合材料的综合性能最优,其体积密度为2.30 g·cm^-3,抗弯强度为80.50 MPa。烧结工艺与碳纤维含量的变化通过影响SiC的烧结程度及碳纤维与SiC基体的界面结合强度来影响复合材料的性能。     

PCD刀具几何参数对Cf/SiC复合材料铣削质量的影响

陶瓷基复合材料因其独特的耐磨性和耐高温性能,广泛应用于航空航天、能源和汽车等领域。但由于其基体材料的脆硬性和增强相的各向异性,给机械加工过程带来了很大挑战。针对二维编织的碳纤维增强陶瓷基复合材料,设计了不同几何参数的PCD刀具进行槽铣试验。纤维拔出、纤维剥落和纤维断口回弹显著降低槽底表面质量,微崩边和毛刺是直槽边的主要加工缺陷。试验结果表明,PCD刀具前角为3°、后角为20°、钝圆半径为10μm时,直槽加工质量较好。     

等离子体吸收对飞秒激光烧蚀绝缘材料的影响

以自由电子运动的速率方程模型为基础,研究了飞秒脉冲激光对绝缘材料的烧蚀机理,考虑了等离子体对激光能量的吸收效应,建立了激光强度与电子数密度及等离子体吸收系数三者相互耦合的数学模型,计算出飞秒激光烧蚀绝缘材料时的烧蚀阈值,分析了考虑等离子体吸收效应对烧蚀阈值的影响,通过与不考虑等离子体吸收所得结果相比较说明该效应是影响烧蚀阈值的一个重要因素.     

小规格C/SiC复合材料紧固件加工及力学性能研究

本文针对小规格(直径规格M3~M6)C/SiC复合材料紧固件,开展了螺纹加工和预制体结构优化研究,表征了紧固件的室温及高温力学性能,针对典型防隔热一体化结构,进行了连接受力仿真和螺钉选型,研究表明:磨削和硬质合金攻丝分别是C/SiC紧固件外螺纹和内螺纹的较优加工方式;螺钉、螺母分别建议选择以Type-3、Type-1为预制体的C/SiC材料加工;经测试,采用Type-3预制体的M6沉头螺钉在室温(25℃)、1100℃和1200℃条件下的抗拉强度分别为250MPa、230MPa和223MPa,抗拉强度随温度升高的衰减较小。