机械加工法制备陶瓷弹簧及其力学性能研究

摘要

弹簧作为最常用的机械基础元件之一，由于其具有高抗震性、低能量损失以及很好的弹性而广泛应用于密封、储能元件等各类机械装置中。制备弹簧元件最常用的材料为金属或者合金材料，但是其在650℃以上使用时，便会失效。随着超高音速飞行器的发展，研发一种耐高温、耐腐蚀、耐氧化的弹簧成为非常急切的需求。
　　本研究以亚微米级的Y-TZP(氧化钇稳定的四方多晶氧化锆)粉体为原料，首先通过凝胶注模工艺制得筒状坯体，经由合适的温度处理后得到缺陷较少、性能较佳的圆筒，再将圆筒机械加工获得陶瓷弹簧。本实验重点是探究最佳的凝胶注模工艺参数以及加工工艺参数，并对陶瓷弹簧的室温、高温性能进行评价，主要包括不同温度下的压缩-回弹特性，压缩-位移曲线以及室温、高温断裂机理等内容，实验表明：浆料的粘度受分散剂含量、固相含量、球磨时间等因素影响；对于制备圆筒坯体而言，引发剂—催化剂凝胶法较引发剂—加热凝胶法更易制备出形貌较好、表面无缺陷的样品；催化剂浓度为20％时，材料体积收缩率、密度、气孔率、抗弯强度等基本性能为最佳状态，催化剂浓度对材料硬度、韧性、可加工性等有一定影响，但作用不明显；综合考虑材料的强度、硬度、以及可加工性等因素，选取1500℃下圆筒烧结体作为机械加工的基体，此时，氧化锆以四方相形式存在，具有应力诱导相变增韧的效果；室温下，矩形截面弹簧的压缩-位移曲线符合胡克定律，弹簧常数为75.2 N/mm，变形量可达10%，且陶瓷弹簧循环特性稳定良好，能量损失极小可忽略，回弹率为100%；循环曲线中能量损失与温度成正比，弹簧常数与温度成反比。在1100℃时，压缩位移曲线出现屈服阶段，弹簧最大可承受载荷为76N，较室温降低了36.67%，最大压缩率为14%，较室温增加了40%，其断裂形式为沿晶断裂，并伴有层状结构的出现。

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第一章 综 述

1.1课题背景

1.2弹簧元件的研究概述

1.3陶瓷材料成型工艺概述

1.4 Y-TZP 材料概述

1.5课题的提出与意义

第二章 实验设计与实验方案

2.1实验原料与设备

2.2实验工艺

2.3实验内容

2.4实验流程

2.5性能测试

第三章 陶瓷可加工性的影响因素

3.1浆料粘度的影响因素

3.2引发交联反应方法的研究

3.3预处理温度对样品性能和可加工性的的影响

3.4不同催化剂浓度对样品性能和可加工性的影响

第四章 陶瓷弹簧力学性能的研究

4.1 弹簧结构参数

4.2 陶瓷弹簧室温力学性能

4.3 陶瓷弹簧高温力学性能

第五章 实验结论

参考文献

发表论文与参加科研情况说明

致谢