機床用樹脂礦物復(fù)合材料力學性能及其濕熱老化機理研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)中高精度零部件的需求對機械加工提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)機械加工已經(jīng)不能滿足高精度零部件的高加工精度與低表面粗糙度要求。超精密加工從上世紀60年代首次提出后，已廣泛應(yīng)用于精密與超精密零部件的加工，但加工過程中的振動影響精密與超精密加工的加工精度與表面粗糙度。作為精密機床的基礎(chǔ)部件，床身除了承擔加工部件等的受力以外，另一個重要作用就是減振。傳統(tǒng)金屬材料阻尼減振性能較差，難以滿足精密與超精密加工的需求。研究開發(fā)具有高阻尼減振性能的機床床身

2、用新材料對于推動精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展將具有重要意義。
　　樹脂礦物復(fù)合材料以高阻尼有機樹脂作為粘合劑，以高強度、低成本的花崗巖為骨料，并添加一系列其它組分制備而成，具有阻尼系數(shù)高，成型能力強，耐腐蝕性好等優(yōu)點。與傳統(tǒng)機床床身用金屬材料相比，樹脂礦物復(fù)合材料的力學性能較低，限制了其在精密與超精密加工機床床身領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
　　樹脂礦物復(fù)合材料的力學性能與各組分材料、成型固化工藝、孔隙率及界面的性能密切相關(guān)。本文重點研究

3、其各組分材料、界面、固化工藝、孔隙率及相互關(guān)聯(lián)等因素與樹脂礦物復(fù)合材料力學性能的關(guān)系及其濕熱老化機理。
　　優(yōu)選骨料類型，通過有限元仿真研究骨料形狀對樹脂礦物復(fù)合材料抗壓強度的影響;建立簡化的骨料間微觀應(yīng)力傳遞模型，研究最大骨料粒徑、骨料級配對樹脂礦物復(fù)合材料力學性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著骨料最大粒徑、骨料級配分形維數(shù)的增加，樹脂礦物復(fù)合材料抗壓強度分別出現(xiàn)先增加后減小的趨勢;通過正交試驗確定最大骨料粒徑與骨料級配對樹脂礦物復(fù)

4、合材料力學性能影響的主次關(guān)系;分析骨料含水率對花崗巖本身及樹脂礦物復(fù)合材料力學性能及其相關(guān)界面的影響;系統(tǒng)研究骨料表面處理工藝對樹脂礦物復(fù)合材料力學性能的影響。
　　研究纖維與基體之間在有、無界面時的應(yīng)力傳遞機理，利用有限元仿真分析纖維軸向拉應(yīng)力、界面剪切應(yīng)力與外載荷、纖維與基體彈性模量比值的關(guān)系?；诶w維力學性能、成本等因素優(yōu)選纖維類型，確定纖維增強樹脂礦物復(fù)合材料的最佳纖維長度與最佳纖維質(zhì)量分數(shù)。對纖維表面進行預(yù)處理、氧化處理

5、、偶聯(lián)處理，研究纖維與基體之間的界面作用機理。
　　基于環(huán)氧樹脂與固化劑的反應(yīng)機理，結(jié)合理論計算與實驗確定環(huán)氧樹脂固化劑最佳配比為4∶1;利用差示掃描量熱儀對環(huán)氧樹脂/固化劑體系與環(huán)氧樹脂/固化劑/粉煤灰體系的動態(tài)放熱進行檢測，由Kissinger公式與Crane公式計算出兩種體系的動力學三因子，得到兩種體系的動態(tài)固化動力學方程，對兩種體系的固化度-時間，固化度-溫度，固化速率-時間，固化速率-溫度與差示掃描量熱儀的升溫速率關(guān)系進

6、行分析。以升溫速率為自變量，以不同升溫速率下的特征溫度值為因變量，擬合得出兩種體系的最佳固化溫度;實驗得到兩種體系的最佳固化工藝，并基于此優(yōu)化樹脂礦物復(fù)合材料的固化工藝。
　　利用N-S方程建立樹脂礦物復(fù)合材料單氣泡上升速度理論模型。實驗研究振動時間、樹脂初始粘度、分層澆注、壓板澆注、負壓澆注以及消泡劑對樹脂礦物復(fù)合材料抗壓強度及孔隙率的影響。系統(tǒng)分析水分含量對樹脂礦物復(fù)合材料及各組分材料抗壓強度與孔隙率的影響，結(jié)果表明，隨著水分

7、含量的增加，樹脂礦物復(fù)合材料及各組分材料的抗壓強度減小，而孔隙率增加。基于Griffith強度理論推導(dǎo)出樹脂礦物復(fù)合材料力學性能與孔隙率的理論關(guān)系，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對樹脂礦物復(fù)合材料抗壓強度、抗彎強度以及彈性模量與其孔隙率進行擬合，建立樹脂礦物復(fù)合材料力學性能與其孔隙率的定量關(guān)系。
　　基于菲克擴散定理構(gòu)建水分在材料中的擴散模型，實驗研究樹脂礦物復(fù)合材料、花崗巖、環(huán)氧樹脂與粉煤灰固化物以及環(huán)氧樹脂固化物在不同溫度下的吸濕歷程，根據(jù)菲克

8、擴散定理計算出各材料的擴散系數(shù)，驗證由菲克擴散定理導(dǎo)出的擴散模型在環(huán)氧樹脂與粉煤灰固化物以及環(huán)氧樹脂固化物吸濕歷程中的準確性，理論計算界面在不同溫度下的吸濕歷程;實驗研究樹脂礦物復(fù)合材料、花崗巖、環(huán)氧樹脂固化物力學性能以及花崗巖與樹脂界面粘結(jié)強度隨溫度的變化，以及樹脂礦物復(fù)合材料及各組分材料的力學性能、界面粘結(jié)強度在不同溫度下隨吸濕時間的變化。研究結(jié)果表明，隨著溫度的升高，樹脂礦物復(fù)合材料及各組分材料的力學性能、界面粘結(jié)強度均降低，在同