机床用树脂矿物复合材料力学性能及其湿热老化机理研究

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现代工业中高精度零部件的需求对机械加工提出了新的挑战,传统机械加工已经不能满足高精度零部件的高加工精度与低表面粗糙度要求。超精密加工从上世纪60年代首次提出后,已广泛应用于精密与超精密零部件的加工,但加工过程中的振动影响精密与超精密加工的加工精度与表面粗糙度。作为精密机床的基础部件,床身除了承担加工部件等的受力以外,另一个重要作用就是减振。传统金属材料阻尼减振性能较差,难以满足精密与超精密加工的需求。研究开发具有高阻尼减振性能的机床床身用新材料对于推动精密与超精密加工技术的发展将具有重要意义。树脂矿物复合材料以高阻尼有机树脂作为粘合剂,以高强度、低成本的花岗岩为骨料,并添加一系列其它组分制备而成,具有阻尼系数高,成型能力强,耐腐蚀性好等优点。与传统机床床身用金属材料相比,树脂矿物复合材料的力学性能较低,限制了其在精密与超精密加工机床床身领域的广泛应用。树脂矿物复合材料的力学性能与各组分材料、成型固化工艺、孔隙率及界面的性能密切相关。本文重点研究其各组分材料、界面、固化工艺、孔隙率及相互关联等因素与树脂矿物复合材料力学性能的关系及其湿热老化机理。优选骨料类型,通过有限元仿真研究骨料形状对树脂矿物复合材料抗压强度的影响;建立简化的骨料间微观应力传递模型,研究最大骨料粒径、骨料级配对树脂矿物复合材料力学性能的影响规律,结果表明,随着骨料最大粒径、骨料级配分形维数的增加,树脂矿物复合材料抗压强度分别出现先增加后减小的趋势;通过正交试验确定最大骨料粒径与骨料级配对树脂矿物复合材料力学性能影响的主次关系;分析骨料含水率对花岗岩本身及树脂矿物复合材料力学性能及其相关界面的影响;系统研究骨料表面处理工艺对树脂矿物复合材料力学性能的影响。研究纤维与基体之间在有、无界面时的应力传递机理,利用有限元仿真分析纤维轴向拉应力、界面剪切应力与外载荷、纤维与基体弹性模量比值的关系。基于纤维力学性能、成本等因素优选纤维类型,确定纤维增强树脂矿物复合材料的最佳纤维长度与最佳纤维质量分数。对纤维表面进行预处理、氧化处理、偶联处理,研究纤维与基体之间的界面作用机理。基于环氧树脂与固化剂的反应机理,结合理论计算与实验确定环氧树脂固化剂最佳配比为4:1;利用差示扫描量热仪对环氧树脂/固化剂体系与环氧树脂/固化剂/粉煤灰体系的动态放热进行检测,由Kissinger公式与Crane公式计算出两种体系的动力学三因子,得到两种体系的动态固化动力学方程,对两种体系的固化度-时间,固化度-温度,固化速率-时间,固化速率-温度与差示扫描量热仪的升温速率关系进行分析。以升温速率为自变量,以不同升温速率下的特征温度值为因变量,拟合得出两种体系的最佳固化温度;实验得到两种体系的最佳固化工艺,并基于此优化树脂矿物复合材料的固化工艺。利用N-S方程建立树脂矿物复合材料单气泡上升速度理论模型。实验研究振动时间、树脂初始粘度、分层浇注、压板浇注、负压浇注以及消泡剂对树脂矿物复合材料抗压强度及孔隙率的影响。系统分析水分含量对树脂矿物复合材料及各组分材料抗压强度与孔隙率的影响,结果表明,随着水分含量的增加,树脂矿物复合材料及各组分材料的抗压强度减小,而孔隙率增加。基于Griffith强度理论推导出树脂矿物复合材料力学性能与孔隙率的理论关系,结合实验数据对树脂矿物复合材料抗压强度、抗弯强度以及弹性模量与其孔隙率进行拟合,建立树脂矿物复合材料力学性能与其孔隙率的定量关系。基于菲克扩散定理构建水分在材料中的扩散模型,实验研究树脂矿物复合材料、花岗岩、环氧树脂与粉煤灰固化物以及环氧树脂固化物在不同温度下的吸湿历程,根据菲克扩散定理计算出各材料的扩散系数,验证由菲克扩散定理导出的扩散模型在环氧树脂与粉煤灰固化物以及环氧树脂固化物吸湿历程中的准确性,理论计算界面在不同温度下的吸湿历程;实验研究树脂矿物复合材料、花岗岩、环氧树脂固化物力学性能以及花岗岩与树脂界面粘结强度随温度的变化,以及树脂矿物复合材料及各组分材料的力学性能、界面粘结强度在不同温度下随吸湿时间的变化。研究结果表明,随着温度的升高,树脂矿物复合材料及各组分材料的力学性能、界面粘结强度均降低,在同一温度下,随着吸湿时间的增加,树脂矿物复合材料及各组分材料的力学性能、界面粘结强度均降低。
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