3D打印-激光烧结-微纳加工平台高效制备质子导体能源器件

为实现基于具有高质子传导性的质子陶瓷材料——钙钛矿的能源器件可以广泛应用,解决其高耐火性、易碎裂等特征导致的加工工艺复杂且局限的问题,开发一种集成了基于微挤压的3D打印和精确快速的激光加工(烧结、干燥、切割与抛光)的新型激光3D打印技术,并将其应用于制造质子导体能源器件,实现高能量密度集成器件的快速高效低成本的制造方法.利用3D打印将自主研发的质子陶瓷原粉浆料按照设计模型进行逐层打印;利用CO₂激光对打印层进行快速干燥以及原位反应烧结;利用皮秒激光对加工层进行微纳加工,如抛光与切割等.通过实验可知：该技术成功3D打印制造了质子导体能源器件;激光反应烧结了原粉,获得了钙钛矿晶体结构的质子陶瓷;利用皮秒激光快速精准加工了微通道能源器件;加工制备了燃料电池且制备的器件具有不输于已报道的传统工艺的性能,其电解质电导率约为6.95×10^-3 S/cm.实验结果表明：3D打印-激光烧结-微纳加工平台不仅可以高效精准制造质子陶瓷材料及其能源器件,而且可以实现传统工艺无法制备的具有复杂结构的器件,同时为基于质子导体材料的能源器件未来的实际投入使用带来可能.     

陶瓷坯体3D塑性成形及原料性能研究

适用于各类陶瓷材料的3D打印技术及装备成为研究热点.本文提出了一种适用于陶瓷洁具及陶瓷艺术品坯体成形的陶瓷3D打印新技术—挤出堆积成形技术.采用塑性陶瓷泥料进行挤出堆积试验.通过改变陶瓷泥料含水率及甲基纤维素含量,研究挤出泥料的可塑性和坯体抗弯强度,以此为基础,通过选择打印装备及打印系统,调试打印参数,利用陶瓷泥料打印测试,最终实现了复杂造型的陶瓷坯体3D塑性成形.     

陶瓷材料的凝胶注模成型技术

介绍了凝胶注模成型技术的起源、基本原理、分类、工艺流程、工艺特点以及陶瓷浆料的稳定机制。采用该技术可净尺寸生产形状复杂的大尺寸陶瓷零件，生产成本低，可靠性高，且所成型的陶瓷坯体成分和密度均匀，干燥和烧结过程中不会变形，缺陷少，坯体强度高，可进行机加工。凝胶注模成型工艺的重点和难点是浆料的可控固化，坯体与空气接触后的表面剥落以及干燥、排胶和烧结过程中升温速度的控制。     

基于能量密度的工程陶瓷特种加工去除机制

为了揭示工程陶瓷材料在加工过程中的材料去除机制,对几种典型陶瓷特种加工技术的能量密度进行了研究.以激光加工、辅助电极法电火花加工、高压磨料水射流加工、引弧微爆炸加工4种工程陶瓷加工技术为研究对象,对加工过程中的能量密度进行了定量计算.计算结果表明,激光、辅助电极法电火花加工是通过高密度热能作用于陶瓷表面时产生的高温烧蚀作用去除材料,高压磨料水射流加工是通过具有高密度冲量的磨粒对材料的冲蚀作用去除材料,而引弧微爆炸加工去除材料可以归因于高能量密度的烧蚀和冲蚀协同作用.研究结果表明:实现陶瓷材料去除最根本的原因是加工过程中产生的高能量密度.     

陶瓷添加剂聚丙烯酸钠的合成与应用

探讨了不同反应条件(不同反应时间、温度、pH值、单体浓度、引发剂用量)对合成聚丙烯酸钠相对分子质量的影响,并将反应产物作为添加剂应用于陶瓷坯体浆料中,结果证明它是一种较好的减水剂,同时对坯体的干燥强度也具有一定的增强效果.     

AlN陶瓷的凝胶注模成型及其导热性能

为了解决AlN陶瓷难于制备复杂形状、生产成本高、重复性差等问题,采用无毒的壳聚糖体系,以Y2O3+CaF2为烧结助剂,利用凝胶注模成型及无压烧结制备了AlN陶瓷.利用粘度计、X射线衍射仪、扫描电镜等对AlN陶瓷浆料性能和AlN陶瓷的显微组织与导热性能进行研究.结果表明:戊二醛浓度、pH值及壳聚糖含量对凝胶化时间有影响;醋酸含量降低、固相含量增加会使AlN陶瓷浆料粘度下降;真空处理有助于陶瓷浆料中气泡的去除;Y2O3+CaF2烧结助剂不但可以降低烧结温度,还可有效改善AlN陶瓷的导热性能;固相含量为52vol.%的AlN陶瓷坯体无压烧结后,热导率达到95.6 W/(m·K).     

高精度切割新技术的研究现状

电火花切割、等离子切割、激光切割和超高压水切割是工业上广泛应用的高精度切割方法：电火花切割具有很高的材料利用率和接近于磨削水平的加工精度和加工表面粗糙度,但加工效率过低;等离子切割速度快,但切割过程中噪声大、烟尘多、辐射大,而且作为等离子切割机关键部件的喷嘴、电极和割炬在目前技术条件下都是易损件,无形中增加了切割成本;激光切割切割速度快、切缝小、切割材料表面质量好,但是切割材料厚度偏低,目前仅用于薄板切割;超高压水切割是一种冷态切割方式,切割材料无热变形,表面质量极佳,但切割成本过高。结合实践经验,提出了三条选用切割工艺的原则：特殊的场合选用特定的切割方法;利用热切割方法满足加工工艺要求时,则无需采用超高压水切割;在等离子切割和激光切割都能满足加工要求的情况下,最好选用等离子切割.     

N-羟甲基丙烯酰胺体系凝胶注模成型氧化铝陶瓷

采用低毒的N 羟甲基丙烯酰胺体系凝胶注模成型氧化铝陶瓷,研究了该体系下浓悬浮体的制备及固化过程。凝胶注模成型要求为:pH≈9,分散剂加入量为占浆料质量分数的0.5%、球磨时间为2h。得到氧化铝固相体积分数为56%,粘度为345.3mPa·s的浆料,单体溶液质量浓度为0.1～0.14g/mL、引发剂加入量占单体质量的2%～3%较适合,既保证成型后的素坯具有一定的强度,又不至于在注模前凝固。成型的坯体强度达到32MPa,可以进行机加工。SEM分析表明所获得的坯体结构均匀,依靠聚合物相互连接使强度较高。     

N-羟甲基丙烯酰胺体系凝胶注模成型氧化铝陶瓷

采用低毒的N 羟甲基丙烯酰胺体系凝胶注模成型氧化铝陶瓷,研究了该体系下浓悬浮体的制备及固化过程。凝胶注模成型要求为:pH≈9,分散剂加入量为占浆料质量分数的0.5%、球磨时间为2h。得到氧化铝固相体积分数为56%,粘度为345.3mPa·s的浆料,单体溶液质量浓度为0.1～0.14g/mL、引发剂加入量占单体质量的2%～3%较适合,既保证成型后的素坯具有一定的强度,又不至于在注模前凝固。成型的坯体强度达到32MPa,可以进行机加工。SEM分析表明所获得的坯体结构均匀,依靠聚合物相互连接使强度较高。     

凝胶注模成型莫来石质陶瓷材料

探讨了几种影响凝胶注模成型莫来石质陶瓷的因素.首先,测定了pH值对莫来石浆料Zeta电位的影响,当pH为11时,Zeta电位达到最大值-29 mV,此时浆料最稳定.测试粘度为70 mPa·s.研究了催化剂、引发剂的加入量对浆料凝固时间的影响,结果表明,随着催化剂和引发剂加入量的增大,浆料的凝固时间缩短.利用DSC/TG分析了有机物的排出过程,结果表明,有机物的排出过程是分阶段的,当温度达到650 ℃时,有机物可以完全排出坯体.     

SA对Al_2O_3粉体改性作用机制及注射成型工艺研究

研究了硬脂酸（SA）的加入方式对注射成型工艺的影响,探讨了SA对氧化铝粉末改性作用机制、对喂料性能和注射性能的影响,并对注射成型工艺过程中容易引起的缺陷进行了分析.结果表明：用球磨法对陶瓷粉末进行表面改性处理,可改善陶瓷颗粒表面、有机黏结剂的相容性及分散性、喂料的均匀性和注射性能,有利于提高注射坯体质量、烧结体的密度和强度.     

高致密氧化镁陶瓷的凝胶注模成型

探讨了高致密氧化镁陶瓷水基凝胶注模成型工艺,研究了预烧处理温度对原料的水化活性、粒度及比表面积的影响;同时研究了预烧处理温度、分散剂及固含量等对MgO陶瓷浆料流变学性能的影响。通过DSC-60A热分析仪对MgO陶瓷素坯进行热分析,制定了合适的烧结制度;用SSX-550观察了烧结体的微观形貌。结果表明,MgO粉体随着预烧处理温度的升高,水化活性降低,粒度增大,比表面积降低。在1 350℃处理后的MgO粉活性最低,当分散剂的加入量为3%时,可制备出固含量为54%、黏度低于200mPa.s的流动性良好的稳定浆料。MgO烧结体的密度可达到理论密度的98.32%,且烧结体宏观无缺陷,微观结构均匀致密。     

基于多线电极的电解线切割试验研究

为提高电解线切割的加工稳定性和加工效率,设计了一种电解线切割的多线切割装置。该装置可以装夹多根线电极,实现多线电极电解加工;采用了一种新的多线电极张紧装置,可以减小加工过程中线电极的抖动。利用多线电极电解线切割加工系统,进行了多线切割加工试验,探究主要工艺参数对加工质量的影响规律,试验结果表明:多线电极张紧装置有效地降低了加工过程中线电极的抖动,使加工稳定性大幅提高,避免了加工过程中出现短路现象;采用多线电极同时切割加工可以提高加工效率,同时采用复合电解液也可以提高加工效率。     

SiC纳米纤维增强碳化硅陶瓷的性能

以SiC纳米纤维作为增强体,采用凝胶注模成型工艺制备碳化硅陶瓷坯体,通过反应烧结制备SiC纳米纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料;采用两种不同粒径的碳化硅粉体为原料,加入不同质量分数的SiC纳米纤维,通过丙烯酰胺聚合体系制备素坯,坯体经干燥、脱胶后渗硅烧结得到复合陶瓷。利用万能试验机和扫描电镜分析碳化硅陶瓷力学性能及显微结构。结果表明:SiC纳米纤维的加入有助于复合陶瓷力学性能的提高;SiC纳米纤维含量为12 wt%,复合陶瓷抗弯强度为267 MPa,与未加SiC纳米纤维相比提高28%。     

凝胶浇注制备高性能氧化锆陶瓷的研究

主要研究了氧化锆陶瓷的凝胶浇注成型工艺，以及坯体的微观结构和烧成后陶瓷的力学性能，并讨论获得高性能的原因。结果表明选择适当的原材料，采用适当的成型工艺条件，可制备出加工性能优良的坯体。SEM照片显示其结构分布均匀，气孔率低。烧结后的氧化锆陶瓷密度高达6．08g／cm^3，强度达到1020MPa。     

基于快速成型和凝胶注模的压电陶瓷成型工艺

采用快速成型和快速模具技术制备了具有复杂结构的模具.采用凝胶注模成型工艺成功制备出固相体积百分数含量为55,粘度小于1 Pa.s的PMN-PZT压电陶瓷悬浮体.考察了分散剂加入量、球磨时间、pH值与注模浆料流变性之间的关系,从而获得最佳浆料配制条件为:分散剂用量的质量百分数约在0.8~1.2左右,pH值为10~11,球磨时间为8 h.将PMN-PZT浆料注入模具,经过热处理和后处理便得到了具有复杂结构的压电陶瓷部件.对比了快速成型和凝胶注模与传统模压成型工艺制备的样品,扫描电镜(SEM)显微形貌分析和电学性能测定表明:快速成型和凝胶注模工艺制备的样品与模压工艺制备的样品相比较,其显微结构均匀致密、晶粒大小与晶界分布均匀,气孔率更小,电学性能更均匀.     

透波性Si3N4陶瓷铣削过程刀具-工件摩擦特性

透波性Si_3N_4陶瓷是制造天线窗的主要材料之一,铣削过程中刀具-工件摩擦特性与加工表面形貌紧密相关.本文以透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工为研究对象,通过分析加工过程中刀具-工件接触关系得到摩擦接触区域主要集中于切削刃后刀面与工件表面;探究了不同加工机理下接触区域摩擦机理,塑性域加工摩擦机理为粘着摩擦、刀具表面粗糙度波峰犁沟摩擦和陶瓷粉末滚动摩擦,脆性域加工还包含碎裂型陶瓷颗粒犁沟摩擦;在此基础上应用已有的微观表面形态与表面接触的摩擦力及摩擦系数理论给出了Si_3N_4陶瓷与铣刀材料的摩擦系数计算公式;通过实验对分析结果进行了验证.结果表明:透波性Si_3N_4陶瓷加工机理转变的临界切深值大于0.3 mm且小于0.4 mm;摩擦系数计算公式最大误差率为20.46%,能在一定程度上反映加工过程中摩擦特性演化规律;加工机理初始转变阶段,摩擦系数值降低,且摩擦系数对表面粗糙度影响呈现三阶多项式分布规律.该研究为提高透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工表面质量提供了参考.     

简单多边形的最小外接矩形算法

针对钢板在数控切割过程中存在热变形,导致加工工件变形不可用的问题,采用对工件进行矩形切割,从而使热变形达到最小的方法,给出了一种求解简单多边形的最小外接矩形算法.并在此基础上分析了其具有的复杂度O(k2)(其中k是简单多边形的顶点个数).     

钣金数控加工工艺的优化及应用

钣金加工技术是钣金制品成型的重要工序,主要包括激光切割、重型加工、弯压成形、精密焊接等等工艺方法,数控冲床是钣金加工过程中非常常见的基本设备,本文主要就钣金加工技术中数控冲床的实践应用问题进行简单的讨论分析.     

高性能陶瓷零件的磨削加工

采用压痕损伤理论研究和分析高性能陶瓷材料的磨削加工过程及其对加工表面和零件性能的影响。提出了陶瓷零件的两种磨削加工机理：１类似于过域值压痕的脆性断裂机理，２类似于亚域值压痕的塑性变形机理，分析了高性能陶瓷无零件磨削加工过程中，工件材料，加工机床性能，金刚石砂轮等方面参数对零件加工质量的影响。