高技术结构陶瓷（精选7篇）
高技术结构陶瓷 篇1
0 引言
高技术陶瓷又称先进陶瓷、特种陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷等, 指采用高精度精选和合成的原料, 具有能精确控制的化学, 按照便于控制的制造技术加工的、便于进行结构设计, 并且有优异特性的陶瓷。按其特性和用途, 主要可分为两大类, 即高技术结构陶瓷和高技术功能陶瓷[1]。
高技术结构陶瓷作为高技术陶瓷的一个分支, 指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性[2]。能源是国民经济发展的动力, 节约资源和能源是21世纪人类面临的重要问题[3]。而高技术结构陶瓷由于具有的优异性能, 使得其在能源领域有着举足轻重的作用[4]。随着全球化石燃料的日益减少, 各国对高技术结构陶瓷材料的研发日益重视。
专利是新技术的载体, 是技术创新的重要信息源。对我国高技术结构陶瓷的专利信息进行系统的分析研究, 将有助于及时全面地掌握我国高技术结构陶瓷产业专利申请的运行趋势与分布情况, 对于陶瓷科技人员选择研发方向、各级知识产权和科技管理部门制定相应的政策措施, 具有积极的参考价值和重要的现实意义。
1 专利信息分析
1.1 专利申请总体趋势分析
截止2012年底, 中国国家知识产权局公开 (公告) 的结构陶瓷专利申请共10887件, 其总体发展趋势见图1。
从图1的整体走势来看, 结构陶瓷专利活动的发展经过了三个阶段:
第一阶段是1985年至1997年。从以申请年分析的实线来看, 在这13年中, 结构陶瓷的专利申请量增长缓慢, 年申请量在100件以下, 年平均专利申请量只有57件。表明1985年至1997年是结构陶瓷研发技术的起步阶段。
第二阶段是1998年至2004年。在这7年中结构陶瓷的专利年申请量有所上升, 年平均专利申请量达到了258件, 是第一阶段年平均申请量的4.53倍。表明1998年至2004年, 结构陶瓷研发进入了技术的发展期。
第三阶段是2005年至2012年。从2005年开始, 专利申请进入高速增长阶段。其中2012年的专利申请量锐减, 是因为发明专利申请有18个月的公开期, 实用新型和外观设计也需要一定的审理公告的时间, 致使近两年的部分专利申请到2012年底尚未公告, 该部分数据还未录入系统, 造成图形显示近两年的申请量比实际申请量少。实际上这两年的申请量应该是持续上升的, 这可以从虚线专利公开趋势中得到旁证, 虚线显示2012年公告的专利申请数量是大幅上升的。本阶段8年的结构陶瓷年平均专利申请量 (还不包括2011和2012年尚未公开 (公告) 的专利申请) 达到了1042件, 是第二阶段的4.04倍。表明2005年至2012年, 结构陶瓷研发进入了技术发展的高峰期。
1.2 结构陶瓷专利类型分析
图2是结构陶瓷专利类型分析图。
从图2中可直接看出, 10887件结构陶瓷专利申请中, 发明专利申请8299件, 占76%;实用新型专利2505件;外观设计专利83件, 占1%。主要以发明专利申请为主, 说明结构陶瓷产业是一个技术含量较高的产业。
1.3 专利申请区域分析
从我国结构陶瓷专利申请的国内外分布情况来看, 国内专利申请9367件, 占86%, 国外专利申请1520件, 占14%。说明, 在现阶段, 我国国家知识产权局公开 (公告) 的结构陶瓷专利申请尽管还是以国内申请为主, 但国外申请已经占据一定的比例, 随着我国经济的高速发展和全球市场一体化进程的加快, 我国结构陶瓷市场备受世界关注, 28年来有29个国家和地区在我国进行了专利布局意欲抢占我国市场, 应该引起我们的警惕。
1.3.1 国内各省市结构陶瓷专利申请分布分析
28年来, 我国有33个省、市或特别行政区申请了高技术陶瓷专利。其中申请量在300件以上的有9个省、市, 申请量1000件以上的只有江苏省和北京市。表1显示的是各省市专利申请分布统计情况。
从表1可以看出, 在高技术结构陶瓷专利申请方面, 进入我国前十强省市的是:江苏、北京、广东、上海、山东、浙江、辽宁、湖北、陕西和湖南。其中江苏拥有1154件专利, 位居第一;北京拥有1091件专利, 屈居第二;广东拥有856件专利, 位居第三;上海拥有845件专利, 位居第四;山东拥有697件专利, 位居第五。不难看出, 进入前五名的省市都是我国经济发达的地区, 说明经济发达地区都很注重高新技术的自主研发。因为在市场经济的博弈中, 经济发达地区受到了更多来自全球各方面的挑战和考验, 尤其是在知识产权方面, 我国经济发达地区的企业受了不少挫折, 让他们真实体会到在知识经济时代, 唯有技术创新和掌握更多核心技术, 才是做大做强企业的法宝。
1.3.2 国外结构陶瓷专利分布分析
在我国国家知识产权局公开 (公告) 的结构陶瓷专利申请中, 国外申请部分分布在29个国家, 其中前十个国家的申请情况见表2。
表2显示, 国外结构陶瓷专利申请地域相对集中, 排名前10个国家的专利申请量达1429件, 占国外部分总量的94%, 而日本、美国和德国分别以469件、457件和206件专利申请遥居前三甲, 说明这三国对中国的高技术结构陶瓷市场有着强烈的占有欲, 应引起我们重视。
1.4 专利申请人分析
1.4.1 申请人类型分布
结构陶瓷专利申请中, 个人申请人3398个, 高校院所8905个 (大专院校7924个、科研单位981个) , 工矿企业7330个, 机关团体49个, 其他553个。企业约占36%, 大专院校与科研单位约占44%, 说明多数专利申请还是掌握在高校与科研院所手中, 企业尚未真正成为技术创新的主体, 见图3。
1.4.2 前十位申请人分析
表3为结构陶瓷专利申请前10位申请人综合比较情况表。
从表3可以看出, 结构陶瓷申请人前十强依次为:中国科学院上海硅酸盐研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、苏州市新诚氏电子有限公司、西安交通大学、中国科学院金属研究所、北京科技大学、天津大学、山东大学和康宁股份有限公司, 其专利申请总量为1338件, 只占结构陶瓷专利申请总量10887件的12.3%, 其中排在首位的中国科学院上海硅酸盐研究所也只有242件结构陶瓷专利申请, 说明我国结构陶瓷专利申请集中度还不够高。活动年期在2年到24年间, 平均专利年龄只有1-8年, 说明核心专利很少, 专利的质量还有待提高。值得一提的是苏州市新诚氏电子有限公司后来居上, 近两年以少量的人力投入申请了126件专利 (其中发明126件, 实用新型33件) , 可见该公司专利意识很强, 创新能力较高。
1.5 IPC分析
IPC即国际专利分类号 (International Patent Classification) , 用于对发明专利与实用新型专利进行分类。
对结构陶瓷材料专利涉及的IPC进行分析, 可以掌握其技术构成, 了解其研发重点领域。以下对10887件结构陶瓷专利申请的前10个小类与10个大组构成进行分析。
1.5.1 前10个小类构成分析
图4为结构陶瓷专利申请IPC分析-前10个小类分布图, 表4为前10个小类IPC与技术领域对照表。
从图4和表4可知, 从小类的角度来看, 这些年来结构陶瓷研发重点领域主要在结构陶瓷产品、陶瓷原料的分离与材料的镀覆、催化、陶瓷合金和水处理等方面。
1.5.2 前10个大组构成分析
图5为结构陶瓷专利申请IPC分析-前10个大组分布图, 表5为前10个大组IPC与技术领域对照表。
从图5和表5可知, 从大组的角度来看, 结构陶瓷研发重点领域主要在以成分为特征的结构陶瓷成型制品、多孔陶瓷、结构陶瓷的后处理、陶瓷催化剂和放电灯等方面。
2 存在的主要问题
2.1 专利总量偏少, 专利质量不高, 专利意识还有待进一步提高
我国结构陶瓷专利申请起步较早, 但作为先进陶瓷的两个组成部分之一, 在1985年至2012年的27年间专利申请总量只有10887件, 而且发明专利申请只占总量的76%, 对作为技术含量较高的高技术结构陶瓷领域来说, 其发明比例还需要进一步提高。可见, 专利意识还有待进一步提高。
2.2 高等院校与科研机构的专利比例偏高, 企业专利的比重偏低, 专利的实施率较低
在结构陶瓷专利申请的申请人结构中, 企业申请约占36%, 大专院校与科研单位申请约占44%;在前10位的专利申请人中, 8个是高校与科研院所, 只有2家企业, 而且其中1家为国外企业。说明在高技术结构陶瓷领域, 大多数专利申请还掌握在高校与科研院所手中, 我国企业尚未真正成为技术创新的主体。
2.3 在我国高技术陶瓷领域省市和地区之间发展不平衡
由于我国各省市地区的发展差异, 高技术结构陶瓷专利的申请数量也存在明显的地区差异, 从上述结构陶瓷专利的地域分析得知, 国内专利申请主要集中在江苏、北京、广东、上海和山东等一些发达省市和沿海地区, 其中前四位申请量在800件以上, 1000件以上的则只有江苏和北京, 排在后面的海南和西藏拥有的专利量微乎其微。
2.4 专利信息利用不够
根据世界知识产权组织的统计, 专利文献中包含了世界上90%~95%的研发成果, 充分利用专利文献可以缩短60%的科研周期, 节约40%的科研经费[5]。随着知识经济的发展, 陶瓷工业也由原来的资金与劳动力密集型产业逐渐向技术密集型产业过渡, 尤其是高技术陶瓷领域, 这种特征尤其明显。但由于专利管理制度还不算完善, 专利信息平台的建设相对滞后, 我国在高技术陶瓷专利信息的分析研究的热情还未充分激发, 而陶瓷企业由于专利信息资源的限制和专利与技术复合型人才的缺乏, 无力直接从事专利信息的分析研究工作, 使国内外专利信息未得到充分有效利用, 从而在一定程度上也影响了我国高技术陶瓷产业技术的创新与专利的申请。
3 促进措施与建议
3.1 加强宣传与培训, 促进专利信息应用
各级知识产权主管部门与知识产权信息服务机构应加强对高技术结构陶瓷企业的专利宣传和专利信息应用培训, 企业自身也应加强内部培训, 以提高企业的专利信息意识, 促进专利信息应用, 提高创新能力。
3.2 加强产学研合作, 促进高技术结构陶瓷专利技术的转化实施
从前面的分析可知, 我国高校与科研机构是当前高技术结构陶瓷技术创新的主要力量, 但这些源于高校与研究机构的高技术结构陶瓷专利的产业化、商品化还须通过向企业许可、转让专利才能最终完成。因此, 政府及有关组织应当积极主导建设高技术结构陶企业与高等院校、科研院所合作平台, 加强产学研合作, 促进高技术结构陶瓷专利技术的转化实施, 建立高校、科研单位、政府部门与高技术结构陶瓷企业的沟通渠道, 帮助企业承接他们的专利科研成果, 使高技术结构陶瓷专利成果向现实的生产力和竞争优势转化。
3.3 做好高技术结构陶瓷专利与标准的结合工作, 提高企业竞争优势
将部分领先的高技术结构陶瓷专利内容写入相关标准, 是高技术结构陶瓷企业提高竞争优势的手段之一。通过将高技术结构陶瓷专利与标准的捆绑, 一方面构成技术规范与技术壁垒, 另一方面又受到专利权的保护, 形成强有力的市场开拓优势。专利与标准的捆绑已成为一致对外的有效武器, 我国要对此高度重视并制订相应的对策。
3.4 指导企业制定和实施高技术结构陶瓷专利战略
一方面, 知识产权主管部门应联合中国陶瓷工业协会及其他服务机构, 根据高技术结构陶瓷企业的实际情况, 指导企业尤其是结构陶瓷行业的重点企业制定专利规划, 协助建立专利管理规章制度, 实施专利战略。如, 以选择技术创新的重点方向和目标为根本, 通过对专利信息的收集和研究, 确定企业应采取的专利战略;指导高技术结构陶瓷企业利用专利信息, 开展技术分析、规避专利风险、确定研发方向, 跟踪竞争对手, 为企业决策提供技术情报和参考依据等。
另一方面, 高技术结构陶瓷企业应当将专利创新、保护、管理、运用工作贯穿于企业研发、生产、经营、技术贸易、市场营销和资本运作等各个环节中, 并建立全方位的专利产权管理制度和工作体系;设置知识产权管理部门, 组建由专利律师和专利工程师组成的专职知识产权队伍, 负责实施本企业的专利战略。
摘要：本文从总体发展趋势、专利类型、区域分布、专利申请人与IPC技术分类构成等方面分析了我国国家知识产权局专利局1985年至2012年公开 (公告) 的高技术结构陶瓷专利信息, 指出了目前存在的主要问题, 提出了相关的促进措施和政策建议。
关键词：高技术结构陶瓷,专利信息分析,技术创新
参考文献
[1]刘维良, 喻佑华.先进陶瓷工艺学[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2004:2.
[2]李晓贺, 丰平.纳米复相陶瓷材料的烧结技术[J].中国陶瓷, 2007, 43 (7) :43-46.
[3]蔡祖光.精细陶瓷的生产与应用[J].陶瓷, 2006 (10) :54-55.
[4]周健儿.高技术陶瓷产业发展前景与热点技术[J].中国陶瓷工业, 2010, 17 (4) :50-54.
[5]李建蓉主编.专利信息与利用[M].北京:知识产权出版社, 2006:11.
高技术结构陶瓷 篇2
关键词：陶瓷,太阳能房顶,储能水箱,热水
1 陶瓷太阳板
太阳能收集器的核心部件是太阳能集热体。陶瓷太阳板采用全新的材料、结构、制造工艺,是在瓷质通孔扁盒结构[4]基体上覆盖以提钒尾渣为主要原料的钒钛黑瓷泥浆层,经1 200℃一次烧结成为基体是普通陶瓷,表面是立体网状黑瓷阳光吸收层的复合陶瓷制品,立体网状黑瓷层有无数小孔,阳光进入小孔后难以逃逸,具有很高的集热效率。
经国家有关部门、国家太阳能热水器质量监督检验中心检验,表面阳光吸收率0.95,陶瓷太阳板具有瓷质材料通性,强度大、硬度高、热稳定性好、不腐蚀、不老化、不退色、无毒、无害、无放射性、吸水率<0.5%、阳光吸收率不随时间衰减、可具有与建筑物相同的使用寿命。已经证明陶瓷太阳板是一种成本很低、寿命很长、效率很高的太阳能集热体。
陶瓷太阳板获中国、日本发明专利,在韩国上市,已规模化生产,正在开发建筑太阳能市场。
2 锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶——与建筑一体化、与建筑同寿命
太阳能热水系统与建筑结合,就是把太阳能热水系统产品作为建筑构件安装,使其与建筑有机结合。安装在建筑上的太阳能集热器正常使用寿命一般都不超过15年,而建筑的寿命是50年以上。因此,现有太阳能热水(器)系统要与建筑一体化、与建筑同寿命,需要实现重大技术进步。锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶成本低、寿命长、效率高,与普通房顶共用结构层、保温层、防水层,可以符合上述要求。
普通房顶基本组成是结构层、保温层、水泥层、防水层。一般房顶是实心房顶,采用湿法施工,一般斜房顶采用各种瓦片作为防水层。这些结构都比较复杂,施工工期长,消耗材料多,人工工时长,成本比较高。通常太阳能房顶结构更加复杂,材料昂贵,建造成本更高。
传统斜屋面是在房顶基础层上依次用20 mm厚水泥砂浆找平,100 mm～200 mm轻质材料与水泥砂浆的混合物作为保温层,20 mm厚水泥砂浆找平,防水卷材,35 mm厚细石混凝土找平,内配钢筋防裂网,40 mm厚水泥砂浆粘贴黏土瓦或者琉璃瓦,黏土瓦70元/m2～100元/m2,琉璃瓦100元/m2～300元/m2,四、五道湿法施工,用瓦片达到可靠防水对施工水平有较高技术要求,人工费比较贵。通常房顶的功能是隔热、保温、防风、防雨、防晒等,要求本身有一定的重量,与房顶基础层有一定的结合力(湿法施工),防止刮大风破坏屋面,造价是240元/m2～700元/m2。
锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶取消找平层,取消湿法施工,以3.2 mm钢化玻璃代替瓦片,可以简化普通房顶的结构,简化空气太阳能房顶的结构,减少材料消耗,提高施工效率,减轻劳动强度,降低房顶成本。
锚桩结构陶瓷太阳能房顶由低值防水层、保温层(70 mm苯板、20 mm聚氨酯板、8 mm纤维水泥板)、陶瓷太阳板、3.2 mm超透钢化玻璃板、锚桩件、连接配件、管路、控制器、水泵、保温水箱组成。陶瓷太阳能房顶采用保温水箱放在房顶下面的单水泵控制系统,解决了防冻问题,减少了热能损失,经过几年冬天使用,证明安全可靠。
在建筑物房顶基层的周围设置边框,在边框的顶部和底部设置可以开关的闸门,锚桩结构陶瓷太阳能房顶中的陶瓷太阳板支撑结构和透明盖板支撑结构采用锚桩结构,以锚桩结构支撑陶瓷太阳板和透明盖板,防止陶瓷太阳板下滑并且承担透明盖板的重量及防止透明盖板下滑。在建筑物房顶基层上分布、固定螺栓和短棒,螺栓和短棒的下端预先埋设在房顶基层里或者房顶基层完成后将螺栓和短棒的下端与基层固定,在房顶基层上铺设保温材料。螺栓用于调节玻璃板的高度、定位、固定、拉住玻璃板,短棒用于支撑玻璃板,螺栓和短棒的分布密度足以支撑玻璃板和在玻璃板上操作人员的重量。玻璃板放置在边框、螺栓、短棒的上面,与螺栓位置对应的玻璃板上有孔,调节下面螺帽的高度,拧紧螺帽或者拧紧固定螺栓,以调节玻璃板的高度、定位、固定、拉住玻璃板,螺栓与短棒的共同作用使玻璃板实现了能够抵抗各种外力的稳定状态。玻璃板之间采用互相搭接的方式以防水,上下玻璃板之间有不锈钢S钩,防止上面玻璃板下滑,最下面的玻璃板顶在下面边框的侧面上,以防止玻璃板下滑,玻璃板之间及玻璃板与边框之间的接触部位用硅酮胶结合和密封。
玻璃板分为上层有孔玻璃板和下层无孔玻璃板,上层有孔玻璃板的两侧部分压在下层无孔玻璃板上面,即上层有孔玻璃板与下层无孔玻璃板形成上下搭接,所有玻璃板下面都有短棒支撑,上层有孔玻璃板被螺栓定位、固定,所有玻璃板都处于固定状态,防止人为或者自然力量如刮大风时掀起玻璃板造成破坏,提高了可靠性和安全性。
玻璃板是3.2 mm厚度的超透钢化或半钢化玻璃板,也称作3.2 mm超白钢化或半钢化玻璃板或者是3.2 mm厚度的超透钢化或半钢化的压痕玻璃板,也称作压花玻璃板,压痕玻璃板表面不反光。下面边框的高度高于其他部位边框的高度,高出部分用于顶住最下面的玻璃板。
保温材料上面放置硅酸钙板或者纤维水泥板,以保护保温材料,防止其在阳光长期照射下老化,延长使用寿命。
短棒的上表面与玻璃板之间用导热系数比较低的材料隔离,以减少热损失。
任何陶瓷太阳能热水系统在不加热的时候,都应该将热水排入保温水箱,这既是保存能量也是北方冬天防止陶瓷太阳板冻裂的主要手段。陶瓷太阳能房顶应该采用集热器的底部高于水箱顶部的动力(水泵)循环系统,与建筑同寿命的陶瓷太阳板可以具有几十年以上的使用寿命,所以需要更高的排水可靠性,由于产品质量、人为失误、机电故障产生的截止阀错误状态的机率会抵消陶瓷太阳能房顶的长寿命,最好不要在循环系统主管道中安装任何截止阀,系统只有两种状态:水泵不工作,水流回水箱,瓷板中没有水;水泵工作,陶瓷太阳板中的水经过保温水箱流动不会结冰。即便供电、电路、管理、水泵等出现问题,也不会损坏陶瓷太阳能房顶。
陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层,与建筑一体化、与建筑同寿命,造价低廉。陶瓷太阳能房顶具有长期稳定的热效率(每日供热量8.6 mJ,高于国家标准的7.0 mJ),结构简单、保温隔热效果好于传统房顶。
3 结语
我国现有建筑房顶、南墙面各100亿m2,每年各新增5亿m2,黑瓷复合陶瓷太阳板可开发建筑太阳能市场,联合建筑部门,建造陶瓷太阳能建筑,根据黑瓷复合陶瓷太阳板成本低、寿命长的特点,推广全面积陶瓷太阳能房顶、全面积陶瓷太阳能墙面,提供高温热水,提供采暖、调节室内湿度,为实现太阳能的高品质利用做出贡献。
参考文献
[1]复合陶瓷太阳板[P].中国专利:200910007128.X,2010.
[2]民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S],GB50364-2005.
[3]黑瓷复合陶瓷中空太阳能集热板[S].山东天虹弧板有限公司企业标准,Q/3700THB,2010.
高性能结构陶瓷的应用 篇3
材质性能比较
聚晶 (PCD) 是70年代发展起来的一种新型耐磨材料, 它是由金刚石微晶体掺粘接金属, 经过高温高压制成, 用聚晶制的拉丝模机械强度良好, 同时因为金刚石微晶体在成型过程中的随机取向克服了单晶体各向异性引起的偏磨性, 所以聚晶模的使用效果甚至优于钻石模, 但是聚晶生产成本高, 设备复杂, 投资大。
硬质合金是由WC和Co经高温烧结而成。Co含量一般为3—18左右。拉丝过程中, 金属钴易于与被拉线材在某些区域发生“微观热焊合”产生粘着磨损或者发生塑性形变, 而使“网状碳化钨”或“孤岛状碳化钨”断裂损坏, 导致模具磨损失效。
陶瓷模则采用陶瓷微粉经高温烧结而成, 耐磨晶体通过固相结合方式紧密结合。选择适当的烧结助剂, 可以使陶瓷晶界接合强度大大增加, 致密程度大为提高, 线材与模具的磨擦磨损, 除了润滑和变形角度等因素影响之外, 模具本身硬度, 晶相与粘接相的比例晶界结合强度是关键因素。由于陶瓷固相烧结, 避免了金属粘接相的存在。使单位行程耐磨晶相比硬质合金明显增多, 提高了体硬度。采取适当的工艺, 可使陶瓷晶界强度和韧性能抵抗住拉丝压应力和剪切的破坏, 改变拉丝模的磨损机制, 从而有效地提高模具使用寿命。
陶瓷模与硬质合金模相比具有较低的磨擦系数, 同时陶瓷与金属没有亲合性, 在拉丝过程也不存在类似硬质合金一样的“微观热焊合”从而减少了拉丝阻力。对提高拉丝速度有利, 一定程度上适应了拉丝机械发展的要求, 陶瓷的微晶化技术使陶瓷制品具有更理想的表面光洁度, 这对改善线材表面质量有利。
聚晶模耐磨性极好, 是硬质合金模的20—200倍, 但是聚晶模硬度高给修模带来了很大困难, 修模时间及费用大大高于硬质合金模。一般聚晶模的修理费用约为其价格的三分之一。陶瓷模的硬度虽略高于硬质合金, 但大大低于聚晶模。试验证实, 利用原硬质合金修模手段修模, 质量完全符合要求, 而使用陶瓷模无需添置设备和增加修模成本, 这也是使用单位乐于接受陶瓷模的一个有利因素。
成果特点
本成果是以三相复合陶瓷材料ZTA为原料, 研制生产的陶瓷拉制模具和陶瓷塔轮及其工业应用产品。实验证明, ZTA材料所制成的陶瓷拉制模具和陶瓷塔轮, 完全可以替代工业上常用的硬质合金拉制模具和金属塔轮在生产线上使用。
陶瓷材料在应用于制造拉丝模方面比硬质合金具有很多优良的特点, 并且, 原料成本远低于硬质合金、聚晶和天然钻石。目前国内企业至今没有普遍使用的原因就在于虽然制作陶瓷拉丝模的原料成本较低, 延用硬质合金模的制作工艺 (即烧成后进行打孔、研磨等工序) 来制作陶瓷拉丝模的成本却很高。对陶瓷材料来讲, 烧成后材料硬度很高, 研磨很困难。因此, 传统的制作方法样品加工成本太高, 难以推广使用。本项目采用成型时就将陶瓷拉丝模的模孔和各部工作区一次成型出来的办法, 烧结完毕后只需将表面抛光即可使用, 避免了烧结后的研磨加工工序, 从而大大降低了陶瓷拉丝模的制作成本, 另外, 采用先进的微波烧结方法, 提高了材料的性能指标和使用寿命, 进一步降低了成本。
我们研制的陶瓷拉制模具和陶瓷塔轮是以超细的氧化铝、3Y-TZP微粉为原料, 其显微组织为均匀的细晶粒3Y-TZP-Al2O3, 即亚稳四方相氧化锆 (t-ZrO2) 粒子弥散于氧化铝基体中。具有强度高、耐磨性好, 抛光性较好, 对被加工金属的粘附性小, 磨擦系数小, 耐腐蚀性高, 具有良好的自润滑性能等特点, 使用寿命为硬质合金模具的4倍~6倍, 而生产成本仅为它的3/4。
生产条件
投资规模:400万元左右;投资设备:混料设备、成型设备和模具、烧结设备、研磨及抛光设备;水电要求:50千瓦~100千瓦;设备厂房:1000平方米~1200平方米;人才需求:40~60人;生产能:5000万元以上;年产值:4000万元左右, 利润可达2000万元以上。建设周期:6个月-12个月。
市场预测
使用陶瓷拉制模具和陶瓷塔轮可降低成本, 提高生产效率, 大大减少合金的消耗, 充分利用资源, 具有较好的经济收益和社会效益。目前, 国内从事金属拉伸生产的企业有上万家, 市场需求量巨大。
转化方式
技术转让或合作开发。
联系人:徐公世黄佳荣
单位:青岛大学
地址:山东青岛宁夏路308号
邮编:266071
陶瓷钴蓝色料的结构、性能及发展 篇4
关键词：钴蓝色料,尖晶石型,耐酸性,钴毒害
色料可分为无机色料和有机色料两大类。目前,应用较多的无机类蓝色料有铁蓝、群青蓝和钴蓝,有机蓝色料主要是酞菁蓝。铁蓝和群青蓝正逐渐被酞菁蓝所取代,但酞菁蓝耐高温及耐候性差。能承受较高温度的无机钴蓝色料作为一种不可替代的高温产品而广泛应用于日用、建筑及卫生陶瓷,可用作釉上、釉中、釉下彩色料及颜色釉和坯用色料。根据国际干法色料制造者协会[1]关于复合氧化物无机色料的分类及化学表述,所有陶瓷蓝色料除锆钒蓝(14-42-2 DCMA)外均为掺钴结构,发色离子是钴离子,主要有:橄榄石型Co2SiO4(5-08-2 DCMA)、硅锌矿型(Co,Zn)2SiO4 (7-10-2 DCMA)和蓝或蓝绿尖晶石型如CoAl2O4 (13-26-2 DCMA)、Co2SnO4 (13-27-2 DCMA)、(Co,Zn)Al2O4(13-28-2 DCMA) 和Co(Al,Cr)2O4 (13-29-2 DCMA)等,其中尖晶石型铝酸钴(CoAl2O4)是陶瓷蓝色料的主体。本文就钴蓝色料的尖晶石型结构和呈色机理展开了叙述,着重指出了钴对人体健康及环境的毒害性,分析了钴蓝色料耐酸性差的原因并提出了解决思路,对其发展趋势进行了展望。
1 铝酸钴结构及Co2+着色机理
1.1 结构简介
通常所指的钴蓝色料即铝酸钴(CoAl2O4),为双氧化物尖晶石结构,属面心结构立方晶系,空间群为Fd3m。单位晶胞内有64个四面体空间(A位)和32个八面体空间(B位),仅有8个四面体空间和16个八面体空间被金属阳离子X2+和Y3+占据。其中阳离子分布分两种极端情况:X2+占据四面体空间,Y3+占据八面体空间称为正尖晶石,X[Y2]O4;Y3+占据所有的四面体空间,X2+和Y3+分别占据相等的八面体空间,称为反尖晶石,Y[XY]O4。介于这两种极端情况之间,X2+和Y3+可随机分布于四面体空间和八面体空间,形成中间过渡类型部分反尖晶石结构[2,3]。
1.2 不同配位场d轨道能级分裂与Co2+着色机理
晶体场理论认为,当过渡金属离子作为“自由离子”存在,即没有配体而远离其它离子的影响时,5个d轨道(dxy、dyz、dxz、dz2、dx2-y2)具有相同的能值,这种情况叫能级简并。处于简并状态,离子的d电子可占据任何一个d轨道。d电子从一个d轨道转移至另一个d轨道无需吸收能量,因此没有光吸收,也没有着色作用。但在实际中(例如在固体和溶液中),阳离子常常处在阴离子包围之中,与阴离子形成配位多面体。在配位场的作用下,原本简并的5个d轨道会发生分裂,即能级不再相同,此过程称为简并的解除。解除五重简并的方式和程度取决于周围氧离子多面体的类型和对称性。四面体配位和八面体配位d轨道能级分裂情况见图1[4]。
尖晶石型钴蓝色料着色离子是Co2+,电子构型为3d7,色调和着色强度取决于Co2+的含量和在不同配位场中的d轨道的电子状态。其在不同的配位场中呈现不同的颜色,四配位Co2+呈蓝色,而六配位Co2+呈红紫色[5]。晶体场理论可以解释为什么出现这种差别:当Co2+处于四面体配位场中时,被4个氧包围,其与氧配体相互作用,使轨道产生能级分裂,因此3d轨道不再具有同等的能量即轨道不再是简并状态,Co2+的dz2和dx2-y2轨道处于低能态,而dxy、dyz、dxz轨道处于高能态(八面体配位场中能级分裂情况刚好相反)。电子在不同的d轨道之间跃迁,跃迁时所需的配位场分裂能在可见光的能量范围内。可见,钴蓝色料呈色性能取决于配位场分裂能,分裂能不同所吸收可见光波长不同,色料就会呈现一系列颜色。据此,可在A位或B位掺杂离子半径相近的金属离子,改变配位场状态,从而制备具有理想呈色效果的置换型固溶体色料。
2 制备方法比较及研究进展
铝酸钴(CoAl2O4)的合成方法主要包括固相法[6,7]、湿化学法[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]和化学气相沉积(CVD)法[18]3大类。近年来,也有一些铝酸钴其它合成方法的报道,如自蔓延高温合成法[19]、离子置换法[20]、微乳液法[21]、喷雾热解法[22]等。因篇幅所限,本文重点介绍5种当前常用的合成方法。
2.1 固相法
固相法是将金属盐、金属氧化物或氢氧化物按一定比例混合、研磨,高温煅烧研磨后的混合粉料,再粉碎得到色料成品。固相法具有工艺流程简单、易于控制等优点,但焙烧温度高、时间长、耗能高,容易导致晶粒长大而使色料颗粒粗大,并且高的煅烧温度会导致某些组分挥发,从而造成化学计量比的偏离。随着陶瓷颜料细度要求愈来愈高,靠机械力粉碎的方法已不能满足要求,且混料及烧后长时间粉碎过程容易引入球磨介质及内衬材料等污染。M. Llusar等[6]用固相法于1300~1400℃合成了橄榄石型、钴掺杂硅锌矿型和镁掺杂尖晶石型钴蓝色料。研究表明,高温使得所合成的3种钴蓝色料均与釉熔体发生了不同程度的反应,橄榄石型和硅锌矿型比尖晶石型反应程度大,使Co2+从色料晶格中溶出,在玻璃基质中倾向于形成四配位结构,因此,色料在釉中的呈色是色料晶体以及溶于玻璃基质中的Co2+共同着色的结果。
2.2 共沉淀法
共沉淀法是将沉淀剂加入金属盐溶液中,控制适当条件(如pH等)使金属离子与沉淀剂发生反应生成沉淀,分离、干燥和热处理沉淀物得到成品。Guido Busca等[8]以Co-(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O为前驱体、(NH4)2CO3为沉淀剂,分别在673K和1073K制备出尖晶石型粉体。XRD、IR以及DTA-TG-DTG分析表明,经390K热处理后的混合物为层状类水滑石(Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O)型结构复合氢氧化物,层间距离7.6Å,并推断其化学式为Co2Al4(OH)14CO3。
2.3 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是以金属醇盐或无机盐为前驱体,经水解、缩聚反应,形成金属氧化物或氢氧化物的溶胶,溶胶逐渐胶凝化成透明凝胶,凝胶经干燥、热处理后得到粉体。与固相法相比,高度均匀的凝胶中,原子具有高度的分散性,因此,焙烧过程生成新晶相,原子不需要长程迁移,从而降低了焙烧温度和缩短了保温时间;由于不需要球磨过程,避免了杂质污染,可制备纯度高的粉体。M. Zayat等[9]以仲丁醇铝、钴盐和柠檬酸为前驱体,用溶胶-凝胶和柠檬酸-凝胶法制备出亮蓝色CoAl2O4粉体。研究发现,粉体结构、呈色、颗粒大小及尖晶石相的形成温度取决于前驱体类型、不同制备方法和焙烧温度。用柠檬酸-凝胶法,于最低温度700℃制备出蓝色铝酸钴,极大地降低了色料焙烧温度。同时,钴铝比对色料呈色也有很大影响,比值为1∶3时得到亮蓝色调。M.S. Niasari 等[10]以硝酸钴、硝酸铝、二乙二醇单乙醚和柠檬酸为前驱体,用溶胶-凝胶法,于最低温度400℃制得蓝色铝酸钴粉体。XRD、SEM和TEM分析表明,柠檬酸作为有机配体加入,附着于纳米晶表面,起到抑制晶体生长的作用,800℃下制得的样品粒径仅有8.5~16nm,样品衍射峰宽度增大,峰强降低。
2.4 水热法
水热法具有合成温度低、产品粒度小且分布窄、生产过程基本对环境无污染、耗能低、可直接合成色料产品而无需高温焙烧等优点,但其反应时间较长、对水热设备要求高、产能小不适宜陶瓷色料规模化生产。Zhizhan Chen等[11]以CoCl2· 6H2O、AlCl3·6H2O和NaOH为反应原料,用水热法于245℃保压24h合成了八面体形、粒径为65~75nm的尖晶石型纳米色料。研究发现,水热培育温度在210℃以下,晶相为Co1-xAlx层状双氢氧化物,215℃时开始形成γ-AlO-(OH),245℃时呈现纯尖晶石相。Fangli Yu等[12]以用仲丁醇铝、钴盐和硝酸为前驱体,用溶胶凝胶-水热法在250℃培育24h以上合成了粒度分布范围在50~60nm之间的纯CoAl2O4相。
2.5 Pechini 法
分子轨道理论(MOT)认为,过渡金属离子与配体成键时,配体孤电子对进入成键轨道形成共价键,体系的总能量降低,从而形成稳定的配合物。根据配位化学原理,Pechini 法以可溶性金属盐为前驱体,有机酸(如EDTA等)、醇(如乙二醇等) 为螯合剂,螯合不同的金属离子,形成凝胶溶液,加热除去凝胶中多余的水分和有机物就可得到化学计量比好、分子级均匀混合、化学活性高的纳米级粉体[13]。该方法避免了化学共沉淀法由于金属离子的溶解性差异较大、各组分因溶度积不同、沉淀不能同时析出而引起的组分分布不均匀等问题。溶胶-凝胶法较难控制金属醇盐的水解程度,所以与溶胶-凝胶法相比,Pechini法原料来源广、价格便宜,一些不能水解的金属离子也可通过该方法制得相应的纳米氧化物。
Cuiyan Wang等[14]以EDTA为螯合剂,与金属硝酸盐在水溶液中进行螯合反应,形成阳离子均匀分布的三维网络结构干凝胶,于250~1000℃焙烧,分别制备出6种不同化学组成的尖晶石型样品。研究发现,随着钴含量的增加,粉末的结晶度提高,同时晶胞参数略微减小。Co∶Al为0.5的前驱体,随着热处理温度的升高,800~1000℃时得到颜色由黑色(800℃以下)变为亮蓝、组成为CoⅡAl2O4的尖晶石型陶瓷色料,而其它5种组成的前驱体在温度升高的过程中一直呈黑色;随着钴含量的增加,颗粒由不规则的团聚状变为粒径为0.5~1.5μm均一的球状颗粒。Luiz K.C. de Souza等[15]以C4H6CoO4·4H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、柠檬酸和乙二醇为原料,用Pechini法于800℃制得呈色良好的固溶体型陶瓷钴蓝色料。
3 钴的毒害性及钴蓝色料的耐酸性
3.1 钴对人体及环境的毒害性
钴是人体及大型动物必需的微量元素,是维生素B12必不可少的组成元素[23]。但是,过量暴露于含钴粉尘的工作场所或饮用水中钴含量过高会导致心、肺及皮肤损伤。关于钴在饮用水中的毒性,已有实验表明,仅0.2mg/L就对实验鼠产生了毒性[24,25]。另外,钴还被认为是与职业相关的致癌物质。因此,钴及其盐类作为有毒或危险物质被列入相关法令名单(如钴出现在94/904/EEC欧盟决议和91/689/EEC欧盟指令限定的名单里)。根据相关粉尘限定法规,空气中的钴含量,德国的技术限定值为0.5mg/m3;美国政府工业卫生专家协会(ACGIH)[26]制定的标准是对于钴,限定值为0.05mg/m3,对钴无机盐,限定值为0.10mg/m3。国外有多篇文献涉及钴的毒害性[6,23,24,25,27,28,29,30],而国内部分学者认为钴蓝属无毒颜料[31,32],甚至绝对无毒性[33]。
3.2 钴蓝色料的耐酸性
一般资料都认为,钴蓝颜料具有优良的耐候性和耐酸碱性[27,28,29]。但陶瓷钴蓝色料不耐酸,特别是作为釉上彩色料使用时耐酸性差是业内不争的事实,釉上彩装饰的陶瓷制品在耐酸性或铅溶出量检测中,蓝色基本都会褪色,有的甚至完全脱落。究其原因可能是钴蓝色料在高温玻璃熔体强烈的熔融作用下,玻璃网络形成体或中间体化学成分相同的色料载色母体(硅、铝)与玻璃熔体发生反应,溶入到玻璃网络结构中参与形成玻璃网络结构,成为化学键强、结合紧密的非晶态玻璃网络形成体或中间体的一部分。这样,原有的化学键断裂,而剩下的Co2+处于网络之外,形成游离的金属离子从网络结构中析出。以上两个相伴而生的过程致使色料晶体结构被破坏,由晶体着色转为离子着色。再者,大多数熔剂(特别是无铅熔剂)碱性成分高,本身不耐酸,釉上钴蓝在酸的作用下致使Co2+溶出,褪色严重,从而导致颜料耐酸性及光泽度差。更为严重的是,钴离子的溶出会导致对人体健康及环境的危害。解决思路可从以下两个方面来考虑:一是研究开发结构稳定的高耐酸型熔剂,二是选择在各种不同熔剂(尤其是无铅熔剂)中相对稳定的载色母体。
4 发展趋势
高技术结构陶瓷 篇5
墨西哥研究和发展研究中心 (CIN-VESTAV) 电气工程专业理学硕士学位的Alvarez Ruiz宣布可以利用温差来发电。
制备出具有经济效益与杰出化学条件的陶瓷是研究的焦点, 可以用于引擎车辆的外壳或防止管泄漏。这将确保热量的再利用, 极大地节省燃料。
一直以来, 都有超过三分之二的能量由于化石燃料的燃烧而释放到环境中。Alvarez Ruiz指出, 除了机器、车辆, 甚至人体生成的能源都不能得以利用。
寻找廉价的陶瓷
含有氧化锌的纳米陶瓷作为关键组件, 一直用于半导体工业。本质上, 这种材料十分充裕, 环保且经济。
CINVESTAV的科学硕士Alvarez Ruiz说:“我所做的研究就是利用材料的化学成分和生产工艺来改善材料的性能, 因为当前的高效陶瓷昂贵且有毒。商业材料的效率是4, 我研制的材料效率为0.6。这其中差异很大, 但优点很明显, 我们的目标是降低生产成本, 这在未来对社会是有益的。”
曼彻斯特大学研制的陶瓷可以利用热电材料转换热量, 并产生足够的电力。
高技术结构陶瓷 篇6
陶瓷涂层由于具有良好的热绝缘、抗氧化及耐腐蚀等优异性能, 在机械工程、化工、生物医疗、电子、航天航海等众多领域都有广泛应用。如航空发动机的叶片由于工作温度高达1000℃以上, 金属基底上往往要沉积或涂覆上一层几百微米厚的耐高温的陶瓷涂层以保护内部部件, 而涂层与基底之间的界面粘结性能则关系到相关结构和部件的可靠性与服役寿命。
一旦涂层与基底之间界面开裂, 涂层剥落, 暴露在高温下的金属基底将很快失效。因此研究涂层与基底之间的界面粘结性能、提高二者之间的界面结合强度一直是工业应用的迫切需求。而纳米结构涂层作为一种新型的结构材料, 由于微结构 (晶粒) 从传统的微米尺度减小到百纳米甚至几十纳米, 比界面积急剧增大, 展现出很多不同于传统涂层及块体材料的力学性能, 如模量增加、导热性降低等, 那么它与基底间的界面结合强度怎样呢?对这一问题的理解不仅对指导实际应用, 而且对发展微纳尺度力学都具有重要意义。
高技术结构陶瓷 篇7
高性能砂轮的优势主要体现在高加工效率、高加工质量和高安全性能几个方面[1]。从1970年贴片式砂轮诞生以来,虽然近年来众多学者和专家围绕陶瓷立方氮化钅朋(CBN)砂轮设计进行了一系列研究,然而大部分设计依据仍沿用整体式砂轮设计依据,优化目标以控制砂轮基体最大应力为主[2,3],这样虽保证了砂轮的安全因素,却忽视了砂轮节片结构优化对砂轮加工质量和加工效率的影响。超高速陶瓷CBN砂轮作为一种高性能磨具,在设计中除了要保证砂轮超高速运行安全外,还应该综合考虑其加工质量和性价比。
1 超高速砂轮受力分析
目前超高速砂轮基体多采用变截面形状,等厚度砂轮截面应力计算模型并不适用于截面形状变化的情况。超高速砂轮主要受离心应力作用,离心力作用使砂轮发生一定的结构变形,使得节片式超高速陶瓷CBN砂轮发生径向和轴向位移,而径向位移量大小将直接影响砂轮的加工表面质量。因此,节片式超高速陶瓷CBN砂轮设计优化应以控制径向位移为优化设计目的之一。
图1所示是旋转砂轮的应力及其分布。其中,σr为径向应力,MPa;σθ为切向应力,MPa;rs为外径,mm;rk为内孔径,mm。由图1可以看出,随着孔径比的增加,砂轮内应力逐渐减小,而且砂轮内任意一点上的切向应力都远比径向应力大,最大应力出现在砂轮孔壁上,其应力的性质是拉应力。因此,在砂轮的强度设计中,校核抗拉强度是很重要的。
(a)砂轮微元应力方向 (b)旋转砂轮应力分布
由于超高速旋转离心力作用使得砂轮内部产生径向应力及切向应力,不同于等厚度砂轮,变厚度砂轮的厚度t是按照t(r)函数随半径变化呈指数分布的(t=Cr-λ,C为常数,λ为正数),因此高速砂轮等角速度转动时,砂轮中任一点r处的应力平衡方程可表示为[4]
式中,F为离心力函数;ν为泊松比;ρ为砂轮密度,kg/m3;ω为砂轮回转角速度,rad/min。
根据其边界条件δr|r=rk=0,δr|r=rs=0,解出方程的奇异解:
式中,a、b为常系数。
同时,可得出相应的砂轮径向位移量计算式:
式中,E为弹性模量。
可见当λ=0、a=1和b=-1时方程即变成等厚度砂轮的应力分布计算式。
2 超高速砂轮基体优化设计分析
2.1 基体截形选择
合理的砂轮基体截形能有效地减小砂轮旋转时的径向位移量,保证砂轮磨削加工精度,并且能减小集中应力以保证砂轮超高速旋转的安全性。目前砂轮采用的截形主要为锥形、阶梯形、双曲线形[5]。对三种砂轮基体截形的总形变量、最大等效应力(内孔)、最小等效应力(径向)、最大等效应变分别进行有限元分析,结果图2所示。
砂轮基体材料预选为钛合金,其泊松比为0.31,弹性模量为192GPa,加载线速度为100~500m/s,砂轮特征标记为370×20×80-CBN。由分析结果可知,双曲线截形的径向位移量最小,在300m/s的线速度加载下,双曲线截形砂轮的最大总形变量发生在砂轮基体圆周且为径向位移,仅为0.0432mm。相反,阶梯形截形砂轮基体径向位移量最大,比双曲线截形砂轮最大径向位移量还大0.01mm,显见此形变量已足以影响到砂轮的磨削精度。锥形截形砂轮径向位移量约为0.0485mm,比双曲线截形砂轮径向位移量大约0.005mm,对于精加工而言,同样也是不可忽视的加工精度影响因素。
砂轮基体应力校核是保证砂轮安全性的指标之一,通过对钛合金砂轮基体加载连续线速度进行有限元分析,分别考察在线速度加载条件下砂轮基体的最大等效应力、最小等效应力以及最大等效应变,结果如图3所示。
由有限元实验结果分析可知,随着线速度的增加,砂轮基体的等效应力和应变相应呈平方数增加,这与变厚度砂轮应力及应变计算式中砂轮应力与砂轮速度平方成正比是一致的。锥形和阶梯形砂轮基体的最大等效应力和等效应变差别极小,而双曲线形基体砂轮在这两方面优于其他截形砂轮。砂轮基体最大等效应力的减小意味着砂轮具有更好的安全性。而基体等效应变的减小则有助于减小砂轮径向位移变形,从而提高磨削精度。阶梯形基体砂轮虽然因为有阶梯结构的存在使得砂轮外圆等效应力有明显减小,但在阶梯处会出现很大的集中应力,同样不利于砂轮高速旋转的安全。
综上所述,双曲线截形基体在内孔处等效应力最小,完全在钛合金强度范围内,砂轮不易发生破坏,且在砂轮外圆的等效应力的最大值也较优,使砂轮贴片承受应力较小从而不易剥离。虽然阶梯形基体在外圆处应力较小,但在阶梯处存在严重应力集中,存在安全隐患。因此,双曲线砂轮无论是对于控制砂轮基体径向位移量以提高磨削精度,还是在减小基体内部应力方面都有着明显优势,因此建议在可能的加工工艺条件下超高速砂轮基体采用双曲线形为佳。
2.2 砂轮空气制动功率分析
砂轮外的空气流动引起的砂轮摩擦功耗在普通砂轮速度下一般可以忽略,但是在超高速磨削中必须考虑。对于高速旋转的砂轮,其制动功率为[6]
式中,ρa为砂轮密度;va为砂轮线速度;Ds为砂轮直径;ns为砂轮转速。
图4所示是根据式(4)得出的不同砂轮转速下的空气制动功率变化状况以及与之相应的空转砂轮线速度从0提升至250m/s期间砂轮表面与空气摩擦所产生的温度变化(室温20℃即293K)情况。
从图4可以知道,砂轮周边空气对普通砂轮的影响很小,即使砂轮直径增加到600mm,空气对砂轮的摩擦功率也仅有几十瓦,随着砂轮速度的不断提高,空气制动功率逐渐增大。而大直径砂轮在超高速下砂轮表面与空气摩擦产生热量使砂轮的温升达30℃,而且砂轮周围的气流场运动也发生急剧湍流变化,加大了砂轮冷却液浸入磨削区的难度,这同样也是不可忽视的。所以,从功耗上讲,我们应选取提高砂轮转速的方法获取期望的超高速度。综上,对高速砂轮的直径和砂轮转速进行优化组合是完全必要的。一般可取砂轮直径约250~400mm。
2.3 砂轮基体材料选择与分析
基体材料的物理及力学性能同样对超高速旋转砂轮的应力及径向位移有影响。砂轮基体材料选择的标准既要符合安全要求又要保证加工精度同时兼顾绿色经济性。表1所示是本次实验分析所选择的几种砂轮基体材料的机械性能。
对不同材料的砂轮基体应力及变形进行有限元分析。砂轮截形采用之前分析中得出的最适宜的双曲线截形,有限元中基体材料定义采用表1数据,砂轮加载速度范围为100~500m/s。分别分析基体最大变形量与等效应力,结果如图5所示。
砂轮基体所采用的材料分别为合金钢、铝合金、钛合金、铍合金以及CFRP。由结果分析可知,就抑制砂轮基体径向位移来说,CFRP和铍合金是最好的基体制造材料,铝合金和钛合金材料基体比合金钢更好。由于铍合金中的铍是一种有毒的稀有材料,而碳纤维复合材料价格昂贵且国内制造技术不成熟,采用钢基体则会使砂轮惯性力矩过大导致主轴系统负荷增加,因此,铝和钛基体才是最合适的超高速砂轮基体材料。考虑到铝合金耐热性较差(400℃或以下)以及抗疲劳强度较差,本文最终选择钛合金材料。
2.4 砂轮基体形状优化
在确定基体材料和截形后应对基体具体形状进行优化,利用ANSYS优化设计钛合金双曲面截形基体的最终截形。设定优化目标为基体径向位移和径向应力最小,加载速度为250m/s,取连续分布样本数量为40个,初始基体截形为双曲线,基体形状优化过程如图6所示,其中优化变量为双曲线截形在相应基体半径处半厚度,优化目标为基体最大变形(径向位移)、最大和最小等效应力(即内孔处集中应力和外圆周径向应力)最小。
根据样本优化三维视图及优化结果所示,砂轮半径为135mm、截面处半厚度为2.875mm(即双曲线弧面厚度为5.75mm)的双曲弧面为最优,此时砂轮基体径向位移仅为0.041 471mm,相应的内孔处最大等效应力为101.51MPa,除此外还有3.325mm(此处对应双曲线截形厚度为6.65mm)和3.775mm(此处对应双曲线截形厚度为7.55mm)两个最优半厚度点。
由于钛合金基体砂轮的强度完全满足双曲线基体最大等效应力要求,因此可进一步以抑制基体径向位移和基体外圆处等效应力为主要优化目标。通过对双曲线截形厚度变化对基体径向位移的影响进行分析,由图7等效变形曲线分析可知,基体径向位移在截形D处半厚度从2mm增至3.475mm范围内呈急剧下降趋势,而经过厚度极值点后逐渐上升;相应的砂轮基体最小等效应力在经过2.875mm这个半厚度极值点后上升趋势趋缓。因此当砂轮双曲面厚度值在135mm半径处取5mm砂轮截面厚度时可使得砂轮基体径向位移和等效应力都取到较小值,同时节约钛合金材料并便于砂轮基体生产制造。另外,根据双曲线弧面的3个特征点C、D、E,可以计算出与之相应的弧面半径,为实际加工工艺提供指导或作为检验砂轮尺寸是否符合标准的一个指标。
3 超高速砂轮贴片优化设计
超高速陶瓷CBN砂轮的性能不但取决于砂轮基盘形状、材料等方面,还取决于砂轮节块形状、数量、强度和基盘与砂轮节块之间的粘胶强度[7,8]。径向应力和切向应力都可能造成砂轮破坏,切向应力变化主要是由砂轮基体的膨胀和砂轮贴片伸长引起的,径向应力变化除了受砂轮基体膨胀影响外同时受砂轮贴片质量和厚度变化影响。以往的研究中很少涉及砂轮贴片影响问题,然而这实际上是一个不可忽略的因素。在之前砂轮基本材料与结构的基础上对砂轮贴片几何特征进行优化,主要包括砂轮贴片数量和砂轮贴片厚度优化。
3.1 超高速贴片式砂轮有限元建模
与以往对砂轮节块进行的ANSYS有限元分析不同,本实验对完整的基体、贴片和粘胶一起进行整体建模分析,即对整个超高速磨削砂轮进行分析。同时将砂轮贴片与基体粘结的粘胶力的影响也考虑进去,贴片有限元材料模型符合CBN磨料特性。有限元单元采用SOLID45三维六面体结构实体单元。砂轮有限元材料模型库中有钛合金、CBN和东丽-300型环氧树脂金属粘胶几种材料,具体材料参数见表2。
砂轮整体模型由砂轮基体、粘胶层和砂轮贴片组成。基体尺寸为之前实验分析所得,粘胶层厚度为0.5mm,贴片数量预设为50,均匀分布在砂轮基体圆周,贴片厚度为5mm。因为主要分析对象为砂轮径向位移量和应力,所建立砂轮模型中粘胶层只存在于贴片和基体之间,因此对贴片与贴片之间的粘胶层加以忽略。对砂轮基体加载绕轴向、大小为1621.6rad/s的旋转角速度,内孔柱面约束。
3.2 贴片数量优化设计
在对贴片式超高速砂轮进行有限元建模基础上,进一步进行贴片数量的优化分析。优化分析的已知条件:砂轮直径370mm,基体直径360mm,基体孔径160mm,基体内孔处厚20mm,基体材料为钛合金。设砂轮贴片厚度、块数为优化变量,其中,贴片初始厚度为5mm,初始贴片数量为50。多目标优化函数为:砂轮的径向位移、圆周应力以及内孔应力最小。
图8所示为超高速陶瓷CBN砂轮贴片数量的优化趋势,当切片数量大于10后,随着贴片数量的增加砂轮径向位移和等效应力都呈减小趋势,但贴片数量达到一定程度时径向位移量和等效应力变化趋于平缓,因此贴片数量不宜超过70,优化贴片数量为65时最佳,考虑工艺加工的方便可以取为60。
3.3 贴片厚度优化设计
砂轮贴片厚度对砂轮的径向位移量和等效应力也有相当影响,因此本文在贴片数量优化基础上对贴片厚度进行了优化设计。图9所示为60贴片砂轮最大径向位移量与贴片外径处等效应力变化曲线,加载线速度为300m/s,取样本数量为20。
(b)贴片厚度与砂轮等效应力变化
经有限元优化分析,贴片径向位移量与最小等效应力随着贴片厚度增加呈线性增加,而最大等效应力则相应减小,根据优化曲线取4mm厚度为最优值。
4 讨论
砂轮基体上粘结贴片后砂轮外圆等效应力会显著地减小,一方面原因是贴片使得砂轮直径变大,另一方面是因为粘胶层材质的作用。而粘结贴片的砂轮径向位移会比基体径向位移大是因为:虽然贴片的弹性模量很小使得贴片变形量很小,然而贴片与砂轮基体之间的粘胶层因为离心力作用而产生的膨胀变形却大于基体变形。因此设计高性能贴片式陶瓷CBN砂轮时还需考虑选用合理的砂轮贴片磨料、结合剂成分及用来粘合贴片的粘胶。
5 结语
采用有限元方法进行了超高速陶瓷CBN砂轮的结构设计。研究表明,以控制砂轮径向位移和最大等效应力为目标的优化设计方法优于传统单一的以减小最大应力为目标的设计方法,既保证了砂轮磨削加工精度,又保证了砂轮的安全性。双曲线截形砂轮具有径向位移量、等效应力及质量小的多种优势,同时砂轮贴片数量和厚度也应该给予适当控制。CFRP是当前制造基体的最好材料,CFRP在国外的应用不断扩大,虽然目前国内制造技术还不成熟,但我国应加快研究和应用。最终确定超高速砂轮优化结果为钛合金基体、双曲线截形,其中双曲线基体截形为优化点在基体半径135mm处厚度为5mm的可精确计算曲率的弧线,经有限元优化分析,贴片数量取60,贴片厚度以4mm为佳。
参考文献
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