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压电陶瓷液体压力激波发生器系统关键技术基础研究

林广义  
【摘要】: 探索高效的材料加工方法是先进制造技术的优先发展方向之一,在已有高能束加工的基础上,本文首次提出了基于脉冲超声波聚焦的液体压力激波加工技术,即以脉冲超声波聚焦技术为基础,采用大功率压电陶瓷激波发生器,在液体介质中产生高能、瞬时压力激波,使位于聚焦区域的材料产生变形、断裂或去除等。该技术将超声技术、先进制造技术和材料科学结合起来,将为材料加工提供新的技术手段,而且其具有能量可控性好、成本低、安全洁净和应用范围广等优点,将在机械制造领域拥有广阔的应用前景。 论文从压电陶瓷激波发生器、激励电源、相应的测试系统等方面对压电陶瓷激波发生器系统的关键技术进行了研究。本文应用自主研制的试验系统对液体压力激波在纳米颗粒分散和复合材料制备领域的应用进行了初步探讨。本文主要研究内容如下: 1.压电陶瓷激波发生器是液体压力激波发生器系统中最具特色也是最关键的器件。脉冲超声聚焦是激波发生器工作的基础,论文从线性声学的基本原理出发,对透镜式单元激波发生器声压场分布及焦域形态作了系统的研究。在前人研究的基础上设计了多阵元激波发生器,该多阵元激波发生器将多个透镜式单元激波发生器安装在一个球壳面上,使单元的声焦点与球壳面的球心重合。利用坐标变换方法对该多阵元激波发生器的声场进行了计算,并用MATLAB对其声场进行数值模拟,主要讨论了频率、阵元面积、阵元数量等对其声压和聚焦性能的影响,为压电陶瓷激波发生器的设计提供了理论依据。 2.论文探讨了匹配层厚度理论和匹配层厚度对激波发生器频率的影响,设计制作了单、多阵元激波发生器,总结了设计、制作激波发生器的工艺流程,为激波发生器获得良好的性能提供了一定的保障。利用ANSYS软件对频率较高的透镜式单元激波发生器进行了压电分析,对压电陶瓷激波发生器激励电源的设计和工作频率的选择具有指导意义。 3.论文初步探讨了激波发生器系统的能量转化过程。利用电力分析仪测量了压电陶瓷激波发生器激励电源的输入、输出功率,结果表明:激励电源工作稳定。设计了锥面反射靶和吸收靶相结合的辐射力测量装置,为研究激波发生器的工作性能提供了一种手段。利用压力传感器测量了焦点处的声压,为进一步研究液体压力激波独特的能量转化过程奠定了良好的基础。 4.论文提出了应用液体压力激波进行纳米颗粒在不同液相中分散的方法,利用该方法分别对纳米SiO2颗粒、纳米蒙脱土、碳纳米管在不同液相中进行了分散试验。利用分光光度计、X射线衍射仪、透射电镜等手段对分散效果进行了检测,结果表明该技术分散效率高、效果好。在此基础上,利用液体压力激波技术对纳米SiO2在环氧树脂中进行了分散,制备了纳米SiO2/环氧树脂复合材料。利用巴柯尔硬度计、工具测量显微镜、红外光谱仪等手段对制备的复合材料性能进行了分析,这为液体压力激波技术在纳米颗粒分散中的初步应用奠定了基础。


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