1 上海三思电子工程有限公司,上海 201199
2 华东理工大学材料科学与工程学院,上海 200237
作为重要微波介质材料之一,Al2O3陶瓷介电性能优良,在微波电路方面得到广泛应用。但Al2O3陶瓷的烧结温度较高,制备工序需消耗大量能源。低成本降低烧结温度对Al2O3陶瓷的进一步发展具有重要意义。本论文通过MnO2-CuO-TiO2掺杂实现了Al2O3陶瓷的低温烧结,并对其烧结行为和微波介电性能进行了研究。结果表明,MnO2、CuO、TiO2的质量分数分别为0.7%、0.5%、0.8%时,复合掺杂可以大幅降低Al2O3陶瓷的烧结温度,所获陶瓷具有良好的微波介电性能。在烧结温度为1 250 ℃时,Al2O3陶瓷的密度可达3.92 g/cm3,介电常数εr=10.02,品质因子与谐振频率的乘积Q×f值为51 239 GHz。Ti4+、Mn4+、Cu2+固溶导致Al2O3晶格扭曲活化,以及低共熔物形成是促进Al2O3陶瓷低温烧结的原因。
Al2O3陶瓷 低温烧结 微波介电性能 掺杂 Al2O3 ceramics MnO2-CuO-TiO2 MnO2-CuO-TiO2 low temperature sintering microwave dielectric property doping
1 盐城工学院机械工程学院, 盐城 224051
2 盐城工学院汽车工程学院, 盐城 224051
3 江苏悦达智能农业装备有限公司,盐城 224007
立体光固化成型技术是一种生产高精度、高性能陶瓷部件的新兴增材制造工艺。制备具有良好流动性和高固相含量的陶瓷浆料是立体光固化增材制造工艺的优势。本文讨论了固相含量、单体、分散剂、粉体级配等因素对浆料流变性能的影响规律, 总结了目前配制高固相含量和低黏度光固化Al2O3陶瓷浆料的材料选择原则, 归纳了制备高固相含量、低黏度Al2O3陶瓷浆料的指导方法, 指出了高性能光固化Al2O3陶瓷浆料开发的主要趋势和面临的挑战。
立体光固化成型技术 Al2O3陶瓷浆料 固相含量 黏度 单体 分散剂 粉体粒径 stero light-cured apparatus technology Al2O3 ceramic slurry solid phase content viscosity monomer dispersant powder particle size
1 1.中国运载火箭技术研究院 空间物理重点实验室, 北京 100076
2 2.北京理工大学 先进结构技术研究院, 北京 100081
3 3.厦门大学 航空航天学院, 厦门 361005
对于陶瓷立体光刻增材制造技术, 光敏树脂浆料的固含量发挥着重要的作用。本工作首先制备了不同固含量的Al2O3陶瓷浆料, 并采用立体光刻增材制造技术, 制备了Al2O3陶瓷, 并研究了Al2O3浆料的固含量与陶瓷性能的关联关系。其次, 探索了固含量对Al2O3浆料的流变行为、固化性能, 以及对Al2O3陶瓷的微观结构、力学性能的影响规律。结果表明, 随着固含量增加, 浆料的粘度和剪切应力均增大。在光固化增材制造过程中, 高固含量导致浆料的粘度高于其自流平的临界值, 且Al2O3浆料的固化性能与固含量高度相关。此外, 固含量明显影响光固化增材制造的Al2O3陶瓷的缺陷。这些制造缺陷对于Al2O3陶瓷的力学性能有重要影响。最后, 本工作总结了光敏Al2O3浆料的流变行为、固化性能与Al2O3陶瓷的微观结构和力学性能之间的关联关系。浆料的高粘度造成陶瓷的微观结构不均匀, 最终导致其力学强度较差。本研究结果可为陶瓷的光固化增材制造提供一定的参考。
Al2O3陶瓷 固含量 光固化 增材制造 Al2O3 solid loading stereolithography additive manufacturing
中南民族大学激光与智能制造研究院，湖北 武汉 430074
针对目前陶瓷材料功能性结构的高质量成型需求，探究了纳秒短脉冲紫外激光在Al2O3陶瓷基板上微铣削盲孔的激光加工工艺。分别采用不同焦距的场镜来进行铣削实验，研究了激光能量密度、振镜扫描速度、重复扫描次数等工艺参数对盲孔成型的锥度和底部粗糙度的影响规律。实验结果表明，在上述加工参数中，场镜的焦距对盲孔锥角的影响最为显著，其他参数则起到优化加工质量的效果。因此合理地选择场镜焦距，能够有效地改善盲孔的锥角。在场镜焦距f =160 mm，激光脉冲能量密度为25.80 J/cm2，扫描速度1000 mm/s，重复扫描次数为400次的条件下，能够获得较好的加工质量，盲孔深度为0.83 mm、锥角为5.4°，其底部粗糙度为2.48 μm。
激光加工 Al2O3陶瓷 盲孔 锥角 粗糙度 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0514005
1 中国原子能科学研究院, 北京 102413
2 华中科技大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430074
3 核设施应急安全技术与装备湖南省重点实验室, 湖南 衡阳 421001
针对乏燃料后处理首端解体的需求, 研究了采用光纤激光器对Al2O3陶瓷/不锈钢组件进行激光切割的工艺、重铸层表面微观形貌及晶体结构。采用多组单因素实验, 对比研究了激光功率、离焦量、切割速度对切割质量的影响规律, 在本研究中最佳工艺参数为激光功率2.4 kW、切割速度0.8 m/min、离焦量-9 mm、氮气辅助气压10 Bar。通过SEM观察了切割后陶瓷体重铸层表面及横截面微观形貌, 发现了重铸层内结构缺陷及其与基材之间微观组织形态与尺寸的差异, 并分析了重铸层微观组织的形成机理。本研究有助于激光解体技术在乏燃料后处理上应用的推广。
激光解体 Al2O3陶瓷 不锈钢 微观组织 laser disintegration Al2O3 ceramic stainless steel microstructure
1 淮阴工学院江苏省先进制造技术重点实验室, 江苏 淮安 223003
2 江苏大学先进制造与现代装备技术工程研究院, 江苏 镇江 212013
3 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
采用纳秒脉冲激光对Al2O3陶瓷进行激光铣削实验。使用响应面二阶回归模型建立铣削工艺参数与表面粗糙度、铣削深度之间的变化关系,通过灵敏度分析方法识别影响表面粗糙度和铣削深度的关键工艺参数;以最小化表面粗糙度和最大化铣削深度为优化目标,利用遗传算法确定理想的工艺参数组合,并进行实验验证。结果表明:基于响应面法的数学模型预测能力较强,铣削次数及搭接率对表面粗糙度和铣削深度的影响最为显著,优化参数下表面粗糙度与铣削深度的预测值分别为10.471 μm和120.526 μm,实验值分别为10.835 μm和131.277 μm,相对误差分别为3.36%和8.19%。
激光技术 激光铣削 Al2O3陶瓷 响应面法 工艺参数优化 激光与光电子学进展
2019, 56(23): 231404
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 常州信息职业技术学院机电工程学院, 江苏 常州 213164
为提高金属材料表面涂层的耐磨性,采用激光熔覆工艺制备了Al2O3增强Fe901金属陶瓷复合涂层,研究了Al2O3陶瓷增强相对Fe基熔覆层组织与性能的影响。利用扫描电镜和X射线衍射仪检测了复合涂层的微观组织和物相;采用显微硬度仪和摩擦磨损试验机分析了复合涂层的显微硬度与耐磨性。结果表明: Fe901涂层的组织以柱状枝晶和等轴枝晶为主,添加的Al2O3可促使涂层组织转变为均匀的白色网状晶间组织及其包裹的细小黑色晶粒;复合涂层中的Al2O3陶瓷颗粒表面发生微熔,与Fe、Cr结合生成Fe3Al及(Al, Fe)4Cr金属间化合物,起到增加Al2O3陶瓷颗粒与金属黏结相结合强度的作用;当Al2O3陶瓷颗粒的质量分数为10%时,复合涂层的显微硬度较Fe901涂层增加了16.4%,复合涂层的摩擦磨损质量损失较Fe901涂层降低了50%;添加适量的Al2O3陶瓷有助于提高涂层的显微硬度及耐磨性。
激光技术 激光熔覆 复合涂层 Al2O3陶瓷 微观结构 耐磨性
华中科技大学 武汉光电国家实验室,武汉 430074
为了解决传统加工过程中重铸层无法消除的问题,采用超快皮秒激光创新性地在水介质中对Al2O3陶瓷进行皮秒激光钻孔实验,并与空气中钻孔结果进行对比,研究了皮秒激光主要参量如单脉冲能量、扫描次数等对陶瓷微孔的孔径、锥度和重铸层厚度的影响规律,并分析讨论不同介质中皮秒激光与Al2O3陶瓷相互作用机理及材料去除机制。结果表明,在水介质中激光钻孔直径增加约35μm、微孔锥度降低至1.04°并可获得无重铸层钻孔效果; 激光作用过程中水的存在会引起空泡作用、吸收作用和运输作用,有效防止了去蚀材料二次黏附,消除了重铸层和降低了微孔锥度,提升了微孔质量。该研究阐述了水辅助激光钻孔的具体影响状况并加深了对水辅助的影响机理理解。
激光技术 水辅助加工 激光钻孔 Al2O3陶瓷 laser technique water-assisted machining laser drilling Al2O3 ceramics
为了改善激光直接刻蚀过程中形貌普遍较差的问题, 采用水射流激光复合刻蚀的方法,以SiC复相陶瓷和Al2O3陶瓷为研究材料, 分析了有无水射流条件下的形貌差异以及不同成分陶瓷的形貌差异, 并在此基础上研究了水射流流速对刻蚀深度和蚀除量的影响。结果表明,直接刻蚀时, 大量熔渣附于刻蚀表面, 刻蚀形貌较差, SiC复相陶瓷60%以上直接气化分解, 熔渣较少, 形貌稍好于Al2O3陶瓷; 复合刻蚀时, 刻蚀形貌有所变好, 且水射流流速在24m/s时的形貌要好于16m/s时的; 水射流流速越大, 材料的刻蚀深度和蚀除量越小, 流速每增大2m/s时, 材料的蚀除量平均减少0.066mm3左右, 相同流速下, SiC复相陶瓷的蚀除量比Al2O3陶瓷大0.4mm3左右。此研究对提高刻蚀形貌和分析不同陶瓷的刻蚀机理是有帮助的。
激光技术 复合刻蚀 SiC复相陶瓷 Al2O3陶瓷 水射流 laser technique complex etching SiC composite ceramics Al2O3 ceramics water jet
1 淮阴工学院机械工程学院， 江苏 淮安 223003
2 淮阴工学院外国语学院， 江苏 淮安 223003
基于ANSYS有限元分析软件建立了温度场的三维有限元模型，分析了激光铣削加工参数，如激光功率，扫描速度，光斑直径和重叠率对温度场和陶瓷表面质量的影响规律。分析结果表明，激光功率和扫描速度对材料的去除率具有重要的影响，铣削深度随着激光功率的增加而增加，随着扫描速度的增加而降低。但是，激光扫描速度和重叠率对铣削质量的影响更大，降低扫描速度及加大重叠率可以提高铣削层的质量。利用NdYAG脉冲激光器对Al2O3陶瓷样品进行了激光铣削实验，并将实验获得的深度和宽度值与模拟后获得的数值进行了对比。结果表明,数值模拟获得的宽度值和深度值与实验获得数值非常接近。数值模拟可以用来预测激光铣削深度和宽度，为陶瓷材料的激光铣削提供了一种有效的控制方法。
激光技术 激光铣削 Al2O3陶瓷 有限元模拟 铣削宽度 铣削深度 光学学报
2014, 34(s2): s214009
