Si_(3)N_(4)陶瓷关节轴承内圈外球面磨削研究

为探究氮化硅陶瓷关节轴承内圈外球面精密范成磨削方法,以表面粗糙度为主要评价指标,用立式五轴加工中心进行正交试验,确定各磨削参数对其表面粗糙度的影响顺序;再通过单因素试验探究磨削参数对其表面质量的影响规律,并用粒子群算法对陶瓷关节轴承内圈磨削表面粗糙度进行回归预测,最终获得最佳加工工艺参数。结果表明:砂轮粒度与砂轮进给速度对氮化硅关节轴承内圈外球面磨削表面的粗糙度影响最显著,砂轮线速度次之,工件线速度影响最小;陶瓷轴承内圈外球面表面粗糙度随进给速度的提高而增大,随砂轮线速度、工件线速度的提高先减小后增大。模型的预测值与实际测量值相对误差小于5%,表明该模型的预测效果较好,为实际加工选取磨削参数提供了理论依据。

基于分形理论的旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌

为了研究旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面的微观形貌,基于分形理论研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌的变化。设计旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷正交试验,对比分析不同加工参数对Si_(3)N_(4)陶瓷表面分形维数和多重分形谱的影响,并设计单因素试验研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面的粗糙度、分形维数和多重分形谱。结果表明:旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面时,分形维数能更好地表征其加工表面的缺陷状态,多重分形谱则能更好地表征其加工表面缺陷的起伏程度变化。

造孔剂对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷透气系数的影响

为改善多孔Si_(3)N_(4)陶瓷的透气性,以Si粉为原料,Y_(2)O_(3)和CaF_(2)为烧结助剂,粒径为5和20μm的聚甲基丙烯酸甲酯微球为造孔剂,先注凝成型再排胶,最后在氮气气氛中于1650℃保温3 h反应烧结,制备了多孔Si_(3)N_(4)陶瓷。研究了造孔剂粒径和添加量(体积分数分别为0、15%、30%、45%和60%)对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷显气孔率、孔径分布、孔结构、透气系数等的影响。结果表明:1)添加造孔剂的试样呈堆积衍生孔和球形演化孔的二级孔结构,孔径呈双峰分布;2)在粒径相同时,随着造孔剂添加量的增加,试样的显气孔率和透气系数增大,而体积密度、弯曲强度、断裂韧性降低;3)相同添加量下,添加5μm的小粒径造孔剂的试样具有更高的显气孔率、透气系数和弯曲强度,采用较小粒径的造孔剂能减小孔壁的厚度,并扩大孔壁内堆积衍生孔的孔径,提高孔壁的渗透性;4)添加体积分数为60%的5μm造孔剂的试样综合性能最优,其显气孔率、透气系数和弯曲强度分别为55.1%、11.6×10^(-14)m^(2)和35.3 MPa。

高温环境Si_(3)N_(4)陶瓷与M50钢材料的球盘配副与润滑油量对摩擦学行为的影响研究

针对耐高温轴承的高温润滑问题,采用SRV-Ⅳ微动摩擦磨损试验机对轴承用材料Si_(3)N_(4)陶瓷和M50钢展开了高温控油摩擦磨损试验,之后对不同的配副方式进行了高温足量油、乏油的摩擦磨损对比试验.控油试验结果表明:200℃、足量油润滑条件下,Si_(3)N_(4)(球)-M50(盘)配副相较于M50钢自配副具有更低的摩擦系数和盘磨损率.M50钢自配副磨损率更容易受到润滑油量的影响.这是由于Si_(3)N_(4)(球)-M50(盘)配副的M50盘表面在摩擦过程中生成了稳定的含磷摩擦反应膜,而M50钢自配副的磨损以磨粒磨损为主,化学反应膜容易被破坏,且磨粒浓度会受到润滑油量的影响.不同配副对比试验结果表明:200℃、3μL油量下,仅M50(球)-Si_(3)N_(4)(盘)配副长摩1 h未发生润滑失效,且能够保持较低的磨损率,除摩擦过程中产生的反应膜能够起到保护作用外,M50钢球表面化学反应膜成膜面积更小,成膜不易受乏油条件的影响也是重要原因.

TiC晶须增韧Si_(3)N_(4)基复相陶瓷的显微组织与力学性能

以α-Si_(3)N_(4)为基体,TiC晶须(TiC whisker,简称TiC_(w))为增韧相,Al_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)和TiO_(2)为烧结助剂,采用热压烧结技术制备了Si_(3)N_(4)-TiC_(w)复相陶瓷材料,分析了TiC晶须含量对其显微组织及力学性能的影响。结果表明:Si_(3)N_(4)基体在烧结过程中α-Si_(3)N_(4)相部分转变为β-Si_(3)N_(4)相。TiC_(w)含量小于30 vol%时均匀分布在Si_(3)N_(4)基体中,与Si_(3)N_(4)具有良好的化学相容性。加入适量的TiC_(w)降低了Si_(3)N_(4)颗粒之间的表面扩散,抑制了Si_(3)N_(4)晶粒的异常长大,提高了复相陶瓷材料的致密度。当TiC_(w)含量为30 vol%时,Si_(3)N_(4)-TiC_(w)复相陶瓷材料的性能最佳,致密度达到97.71%,抗弯强度达到720.463 MPa,断裂韧性达到7.6 MPa·m^(1/2),维氏硬度达到18.412 GPa。

Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量对Si_(3)N_(4)陶瓷微观结构与力/热学性能的影响

Si_(3)N_(4)陶瓷具有优异的力学、化学、热学性能,在电子元器件散热与封装领域具有良好的应用前景。为制备高强度、高导热的Si_(3)N_(4)陶瓷,采用Y_(3)Si_(2)C_(2)-MgO二元复合烧结助剂,系统研究了Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量与保温时间对Si_(3)N_(4)陶瓷致密度、力学性能及热导率的影响规律,并基于微观结构和物相组成分析阐释了Si_(3)N_(4)陶瓷力/热学性能的优化机制。研究结果表明:随着Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量的增加,Si_(3)N_(4)陶瓷试样(保温时间分别为4 h和12 h)的热导率和弯曲强度均呈现先增大后降低的变化规律;保温4 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受致密度的影响,保温12 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受微观结构的均匀度及晶粒尺寸的影响;保温时间的延长有利于气体排出和晶粒生长,从而促进Si_(3)N_(4)陶瓷的致密化及热导率的提升。利用气压烧结(1900℃保温12 h),掺加1.5 mol%的Y_(3)Si_(2)C_(2)可制得致密度为99.0%、热导率为(106.80±2.64)W·m^(−1)·K^(−1)、弯曲强度为(590.21±25.69)MPa的Si_(3)N_(4)陶瓷,其具有优良的力/热学综合性能,有利于提升Si_(3)N_(4)陶瓷封装电子元器件的服役安全性与可靠性。

Si_(3)N_(4)陶瓷在现代产业中的应用

Si_(3)N_(4)陶瓷具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐高温性能、良好的导热性能,以及生物相容性,是具有巨大应用前景的材料,也是陶瓷领域研究的重点与热点。本文重点阐述了Si3N4陶瓷在先进制造、电子信息和生物医疗等现代产业领域中的性能及应用进展,并探讨了Si3N4陶瓷材料未来研究的方向和发展趋势。

钨添加对Si_(3)N_(4)陶瓷力学性能的影响及强韧化机理研究

为了增韧Si_(3)N_(4)基陶瓷材料,以钨(W)作为第二相材料,Y_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)作为烧结助剂,采用气压烧结法制备了W/Si_(3)N_(4)复合陶瓷材料。研究了W含量对W/Si_(3)N_(4)复合陶瓷材料致密性、力学性能以及结构的影响。结果表明:在W含量小于5%(质量分数)时,样品致密度均达97%以上;在W含量为5%(质量分数)时,获得的W/Si_(3)N_(4)复合陶瓷材料综合性能最佳,弯曲强度、硬度和断裂韧性分别为(670.28±40.00)MPa、(16.42±0.22)GPa和(8.04±0.16)MPa·m^(1/2),相比于未添加金属W的Si_(3)N_(4)陶瓷材料分别提高了38.08%、13.08%和44.34%;通过分析W/Si_(3)N_(4)复合陶瓷材料样品抛光面和压痕裂纹的微观结构,发现W的引入能促使裂纹在扩展路径上更易发生偏转、分叉等增韧机制,消耗裂纹扩展能量,从而改善Si_(3)N_(4)陶瓷的断裂韧性。

Si_(3)N_(4)陶瓷纵扭超声磨削表面残余应力及其试验研究

Si_(3)N_(4)陶瓷属于典型的硬脆材料,已加工表面易产生微裂纹,对陶瓷零件的使用性能影响较大。为获取高性能的Si_(3)N_(4)陶瓷零件,纵扭超声磨削被应用于其超精密加工中,为揭示纵扭超声振动磨削对Si_(3)N_(4)陶瓷零件独特的加工机理,建立了纵扭超声磨削单颗磨粒切削轨迹方程及其磨削表面残余应力模型,并进行Si_(3)N_(4)陶瓷纵扭超声磨削试验验证。结果表明:相同加工工艺参数下,普通磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面残余应力多为拉应力,而纵扭超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面多为残余压应力,进而纵扭超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷亚表面损伤深度比普通磨削最大可降低38%,且其理论仿真结果与试验结果误差不超过10%,可为Si_(3)N_(4)陶瓷高性能零件的超精密加工提供新的加工方法。

Si粉特性对反应烧结Si_(3)N_(4)多孔陶瓷的强韧性及介电性能的调控作用

Si_(3)N_(4)多孔陶瓷具有优异的力学性能、介电性能、热学性能和化学稳定性等,特别适用于高温、大载荷、强侵蚀环境下的宽频透波材料。反应烧结Si3N4多孔陶瓷在性能、工艺和成本方面优势显著,原料Si粉特性显著控制着其物相、显微结构、力学和介电性能。本文以不同粒径和纯度的Si粉为原料制备注凝成形、反应烧结Si_(3)N_(4)多孔陶瓷。结果表明,双粒径配料使素坯产生紧密堆积效应,其遗传并进一步演化出两级显微组织强韧化机制,双粒径配料5&45μm时的弯曲强度和断裂功获得最大值109.94 MPa和990.74 J/m^(2)。该值分别比单粒径配料5和45μm时的值提高了111.42%、25.97%和46.55%、20.46%;介电常数和介电损耗分别约为4.20和0.007。注凝成形、反应烧结Si_(3)N_(4)多孔陶瓷可以兼顾力学性能和介电性能,适用于透波罩等异形、大尺寸构件。

显微组织对Si_(3)N_(4)陶瓷基板热导率的影响

采用电子背散射衍射、晶界面分布五参数分析和激光闪射等方法研究了国外生产的3种商用Si_(3)N_(4)陶瓷基板的显微组织和热导率。结果表明,烧结助剂含量较低、平均晶粒尺寸较大且{h k-(h+k)0}∥ND丝织构较强的基板,ND为基板板面法向,其面内热导率较高;反之亦然。3种Si_(3)N_(4)陶瓷基板的晶界取向差分布虽总体符合随机分布,但在取向差转角为180°位置明显偏离随机分布,这部分晶界的旋转轴以〈11-20〉和〈10-10〉为主,分别为∑3和∑2晶界,其晶界面分布和晶界界面匹配在3种基板中存在明显差异,但是由于这类晶界占总晶界的比例在3种基板中均不超过0.5%,尚不能对热导率产生明显影响。

Si_(3)N_(4)多孔陶瓷制备技术研究进展

Si_(3)N_(4)多孔陶瓷具有轻质高强、高比表面积、低热导率及介电常数等优势,是高温结构部件、吸附过滤、催化剂载体、透波材料、生物支架等最佳候选材料。Si_(3)N_(4)多孔陶瓷的制备技术直接决定其微观结构及综合性能。从原料体系出发,概述了Si_(3)N_(4)多孔陶瓷的制备思路,进一步对常规的Si_(3)N_(4)多孔陶瓷制备工艺的基本情况进行分析,将为Si_(3)N_(4)多孔陶瓷微观结构的设计及综合性能调控提供参考。

车削Si_(3)N_(4)陶瓷的表面质量形成机理研究

工程陶瓷材料具有硬度大、强度高及脆性大等特点,采用Si_(3)N_(4)工程陶瓷进行车削正交试验,研究了材料的表面形貌、裂纹的扩展机理以及各切削参数对切削温度和切削力的影响,观测了刀具的磨损和切屑的形态。研究表明,切削参数对切削温度的影响主次顺序为进给量>切削深度>切削速度;切削参数对切削力的影响主次顺序为进给量>切削深度>切削速度。其中,进给量对切削温度和切削速度的影响最大,切削温度和切削速度均随着进给量的增加而增加,在选择切削参数时应优先选取进给量小的参数。陶瓷材料的硬脆特性使其在加工时容易在表面产生细小裂纹,同时硬度大的特性会造成加工刀具的严重磨损,导致刀具寿命偏低。相比于金属材料的塑性去除,Si_(3)N_(4)陶瓷去除方式为粉末性去除和脆性去除。

Si_(3)N_(4)陶瓷材料高温力学性能和断裂行为定量化实验研究

陶瓷构件常常服役于高温极端环境,易发生脆性断裂破坏。然而,关于陶瓷材料定量化的高温微观断裂研究报道较少。本文基于硅钼棒加热技术开展了Si_(3)N_(4)陶瓷材料高温维氏压痕实验,测试了惰性环境下,材料从室温至1200℃间的维氏硬度和断裂韧性,定量化表征了典型温度下的裂纹偏转和穿沿晶行为。研究表明:Si_(3)N_(4)陶瓷材料的维氏硬度、断裂韧性和杨氏模量在高温下有一定的降低,实验温度下的沿晶裂纹比例远大于穿晶裂纹比例,而裂纹偏转角分布随温度的变化不大。

MgO-Y_(2)O_(3)烧结助剂对光固化成形Si_(3)N_(4)陶瓷显微结构及性能的影响

采用MgO-Y_(2)O_(3)作为烧结助剂,利用光固化成形技术、结合气压烧结方法制备了高致密化程度和高性能的Si_(3)N_(4)陶瓷。研究了Mg O-Y_(2)O_(3)烧结助剂总掺量对光固化成形Si_(3)N_(4)陶瓷的相对密度、物相组成、显微结构、热学和力学性能的影响。研究结果表明,随着Mg O-Y_(2)O_(3)烧结助剂总掺量的增加,光固化成形Si_(3)N_(4)陶瓷的相对密度和平均晶粒尺寸逐渐增大,总掺量为10wt%时,达到最大值,分别为99.01%和0.82μm;而热导率和抗弯强度均呈先增大后降低的变化趋势,并在8wt%达到最大值,分别为59.58 W·m^(-1)·K^(-1)和915.54 MPa。

Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工表面粗糙度的数学模型

为了探索Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工中影响加工面表面粗糙度的因素及影响规律,分析了超声振动铣磨头磨粒的运动轨迹,在此基础上建立了加工面表面粗糙度的数学模型;采用该模型对Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工面表面粗糙度进行了预测,并对预测结果进行了试验验证。结果表明:主轴转速、进给速度、磨削深度和超声振幅对Si_3N_4陶瓷加工面表面粗糙度的影响程度由大到小依次减弱;表面粗糙度随主轴转速的增加迅速下降,随磨削深度和进给速度的增加而增大,随振幅的增加呈下降趋势;当Si_3N_4陶瓷主要以塑性方式去除时,其加工面表面粗糙度的试验结果和预测结果具有较好的一致性。

烧结助剂对Si_(3)N_(4)陶瓷导热性能影响的研究现状

综述了一元烧结助剂、二元烧结助剂和三元烧结助剂对Si_(3)N_(4)陶瓷导热性能的影响。通过综合分析可知:烧结助剂的引入可降低Si_(3)N_(4)陶瓷的烧结温度,提高Si_(3)N_(4)陶瓷的致密度;也可降低Si_(3)N_(4)陶瓷中玻璃相和氧含量,从而使Si_(3)N_(4)晶粒长大,使晶粒接触更加紧密。进而有效改善Si_(3)N_(4)陶瓷的导热性能。其中,二元烧结助剂对Si_(3)N_(4)陶瓷导热性能影响最大,通过适量调整烧结助剂的含量或烧结助剂间的比例可得到热导率较高的Si_(3)N_(4)陶瓷。

发泡-注凝结合催化氮化法制备Si_(3)N_(4)多孔陶瓷

以高纯Si粉为主要原料,以Fe(NO_(3))_(3)·9H_(2)O为催化剂,以十六烷基三甲基溴化铵为发泡剂,采用发泡-注凝结合催化氮化法制备Si_(3)N_(4)多孔陶瓷。研究了氮化温度(1200、1250、1300、1350℃)和催化剂用量(w,0、1%、3%、5%)对Si_(3)N_(4)多孔陶瓷物相组成、显微结构及常规物理性能的影响。结果表明:当Fe(NO_(3))_(3)·9H_(2)O用量为1%(w)、氮化温度为1300℃时,所制备Si_(3)N_(4)多孔陶瓷的显气孔率和耐压强度分别为55.1%和29.7 MPa;多孔陶瓷相对较高的强度可归因于Fe(NO_(3))_(3)·9H_(2)O的高效催化作用促进了试样内部Si_(3)N_(4)晶须的生长发育,进而对其力学性能的改善起到了积极的作用。

基于剪切波变换对Si_(3)N_(4)陶瓷轴承内圈沟道表面缺陷检测的分析

为有效检测航空动力系统中Si_(3)N_(4)陶瓷轴承内圈沟道表面凹坑、划痕、擦伤的缺陷。采用中值滤波除去Si_(3)N_(4)陶瓷轴承内圈沟道原始图像零散噪点,对其处理图像进行剪切波变换,归一化阈值曲面法对变换后的剪切波系数进行重构、剪切波逆变换获取缺陷增强图像,对缺陷增强图像进行灰度阈值分割与识别分类,定位提取缺陷。基于剪切波变换的Si_(3)N_(4)陶瓷轴承内圈沟道的表面缺陷检测方法能有效的检测出Si_(3)N_(4)陶瓷轴承内圈沟道表面的缺陷。该方法对Si_(3)N_(4)陶瓷轴承内圈沟道表面缺陷提取的准确率可达97.50%,具有高精度与高准确性,满足预期要求。

基于Transformer的陶瓷轴承表面缺陷检测方法

针对传统机器视觉检测方法中,由于陶瓷轴承滚动体表面曲率大、对比度低,表面成像模糊导致后续缺陷检测精度低的问题,提出一种基于Transformer的超分辨率残差网络。首先,网络使用残差学习策略,通过预测模糊图像与清晰图像之间的差值,实现超分辨率任务;其次,在网络上前端插入通道注意力模块和空间注意力模块并改进L2多头自注意力模块,以增强图像纹理、改善梯度爆炸问题;最后,针对超分辨率重建任务,提出一种两阶段训练策略优化训练过程。自建陶瓷轴承表面缺陷数据集上的大量实验结果表明,所提出网络模型在客观指标与主观评价上均优于MSESRGAN、VSDR等超分辨率算法,重建图像SSIM为0.939,PSNR为36.51 dB。