機(jī)床用樹脂礦物復(fù)合材料力學(xué)性能及其濕熱老化機(jī)理研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)中高精度零部件的需求對(duì)機(jī)械加工提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)機(jī)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(jì)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(dòng)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(jī)床的基礎(chǔ)部件，床身除了承擔(dān)加工部件等的受力以外，另一個(gè)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(jī)床床身

2、用新材料對(duì)于推動(dòng)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(jī)樹脂作為粘合劑，以高強(qiáng)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(qiáng)，耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)機(jī)床床身用金屬材料相比，樹脂礦物復(fù)合材料的力學(xué)性能較低，限制了其在精密與超精密加工機(jī)床床身領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
　　樹脂礦物復(fù)合材料的力學(xué)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(diǎn)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(xué)性能的關(guān)系及其濕熱老化機(jī)理。
　　優(yōu)選骨料類型，通過有限元仿真研究骨料形狀對(duì)樹脂礦物復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響;建立簡(jiǎn)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(jí)配對(duì)樹脂礦物復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著骨料最大粒徑、骨料級(jí)配分形維數(shù)的增加，樹脂礦物復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度分別出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì);通過正交試驗(yàn)確定最大骨料粒徑與骨料級(jí)配對(duì)樹脂礦物復(fù)

4、合材料力學(xué)性能影響的主次關(guān)系;分析骨料含水率對(duì)花崗巖本身及樹脂礦物復(fù)合材料力學(xué)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(duì)樹脂礦物復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。
　　研究纖維與基體之間在有、無界面時(shí)的應(yīng)力傳遞機(jī)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。基于纖維力學(xué)性能、成本等因素優(yōu)選纖維類型，確定纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料的最佳纖維長(zhǎng)度與最佳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)纖維表面進(jìn)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(jī)理。
　　基于環(huán)氧樹脂與固化劑的反應(yīng)機(jī)理，結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)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(duì)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(dòng)態(tài)放熱進(jìn)行檢測(cè)，由Kissinger公式與Crane公式計(jì)算出兩種體系的動(dòng)力學(xué)三因子，得到兩種體系的動(dòng)態(tài)固化動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)兩種體系的固化度-時(shí)間，固化度-溫度，固化速率-時(shí)間，固化速率-溫度與差示掃描量熱儀的升溫速率關(guān)系進(jìn)

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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究振動(dòng)時(shí)間、樹脂初始粘度、分層澆注、壓板澆注、負(fù)壓澆注以及消泡劑對(duì)樹脂礦物復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度及孔隙率的影響。系統(tǒng)分析水分含量對(duì)樹脂礦物復(fù)合材料及各組分材料抗壓強(qiáng)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(qiáng)度減小，而孔隙率增加。基于Griffith強(qiáng)度理論推導(dǎo)出樹脂礦物復(fù)合材料力學(xué)性能與孔隙率的理論關(guān)系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)樹脂礦物復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度以及彈性模量與其孔隙率進(jìn)行擬合，建立樹脂礦物復(fù)合材料力學(xué)性能與其孔隙率的定量關(guān)系。
　　基于菲克擴(kuò)散定理構(gòu)建水分在材料中的擴(kuò)散模型，實(shí)驗(yàn)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(kuò)散定理計(jì)算出各材料的擴(kuò)散系數(shù)，驗(yàn)證由菲克擴(kuò)散定理導(dǎo)出的擴(kuò)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(zhǔn)確性，理論計(jì)算界面在不同溫度下的吸濕歷程;實(shí)驗(yàn)研究樹脂礦物復(fù)合材料、花崗巖、環(huán)氧樹脂固化物力學(xué)性能以及花崗巖與樹脂界面粘結(jié)強(qiáng)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(xué)性能、界面粘結(jié)強(qiáng)度在不同溫度下隨吸濕時(shí)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(xué)性能、界面粘結(jié)強(qiáng)度均降低，在同