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放电等离子烧结及挤压成形规律仿真与试验研究

申江龙  
【摘要】:放电等离子烧结技术是20世纪90年代兴的一门制备新型材料的高新技术,由于其独特的优势近年来得到了广泛的发展和重视。本文应用MARC软件对不导电材料Sialon/Si2N2O纳米陶瓷和导电材料Ti的SPS过程进行模拟和比较,并对Sialon/Si2N2O纳米陶瓷球盘的电场辅助挤压成形过程进行模拟和试验,研究了放电烧结和电场辅助挤压成形过程的基本规律。 采用放电等离子烧结工艺,在相同的升温速率下,对Sialon/Si2N2O纳米陶瓷在1523K保温5min、1623K保温5min和1723K保温5min的条件下进行烧结,得到了烧结电压与位移随时间的变化曲线,在试验数据的基础上对其烧结过程进行有限元模拟,研究了Sialon/Si2N2O纳米陶瓷在保温初始与结束阶段的温度与相对密度分布规律。 在相同的烧结条件下对导电材料Ti和不导电材料Sialon/Si2N2O纳米陶瓷进行烧结试验与模拟分析,得到了两者在烧结过程中温度场的差异:导电材料Ti要比不导电材料Sialon/Si2N2O纳米陶瓷的升温速率高,但不导电材料Sialon/Si2N2O纳米陶瓷则比导电材料Ti的温度分布均匀。同时研究了石墨毡与模具尺寸对温度场的影响,模拟结果表明:在高温下,石墨毡能够有效的减少热辐射造成的热量损失,提高样品的升温速率;合理的模具尺寸能够得到温度差值小、烧结质量高的产品。 在温度为1773K的条件下,使用电场辅助成形工艺对Sialon/Si2N2O纳米陶瓷球盘进行挤压成形试验并对这一过程进行模拟仿真。结果表明:使用电场辅助技术可以使Sialon/Si2N2O纳米陶瓷获得低温、高应变速率的特性;在挤压成形过程中,球形盘与上压头接触部位温度较高,与下压头接触部位温度较低;成形终态时刻球形盘整体等效应力值相对较小,小于20MPa。 在Sialon/Si2N2O纳米陶瓷烧结试验数据的基础上,研究了不导电材料在烧结过程中烧结系统整体电阻的变化规律,得到了总电阻随烧结温度与粉体初始高度的变化曲线。


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