石墨烯强韧化氧化铝基陶瓷刀具研制与切削性能研究
发布时间：2021-08-11 14:09
氧化铝基陶瓷刀具材料在硬度、化学稳定性、耐热性和耐磨性等方面均有良好的表现,在高速切削领域有着硬质合金刀具材料无可比拟的优点,但由于其强度、断裂韧性、导热系数和抗热震性较低,限制了其在高速切削中的广泛应用。石墨烯具有独特的二维结构、超大的比表面积、超高的强度和韧性,它的出现为陶瓷刀具材料的强韧化提供了新的可能和手段。本文基于第一性原理研究了采用石墨烯进行界面调控的可行性,从陶瓷刀具材料的微观结构出发,研究微观结构对宏观力学性能的影响,用于指导石墨烯强韧化陶瓷刀具材料的设计,研制了石墨烯强韧化氧化铝/碳化钛复相陶瓷刀具,并研究刀具材料的微观结构和刀具的切削性能,揭示了石墨烯强韧化机理。建立氧化铝、碳化钛和石墨烯的晶体结构模型,进行几何优化,对最优结构切割晶面,计算分析晶面性质和稳定性,用稳定存在的不同晶体的晶面构建界面,进行模拟运算,研究界面性质。结果表明:氧化铝晶体表面和碳化钛晶体表面的结构稳定,均未发生表面重构现象,Al2O3（0001）和Ti终止TiC（111）是最稳定存在的表面。含石墨烯的界面能低于不含石墨烯的界面,表明石墨烯可降低界面强度,与其它组分形成弱结合界面,即在陶瓷刀具...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１石墨烯和碳纳米管??
（ａ）试错法流程?（ｂ）基于计算机的材料设计流程??图１－２材料设计方法??由于陶瓷刀具材料是由混合均匀的多相粉料经高温高压烧结而成，因此考虑情况下，即忽略缺陷、杂质及化学反应生成物，陶瓷结构在微观上看是由多个??、形状、位向不同的晶粒无缝堆积而成，晶粒间的接触面属于固态结合界面，??面极大地影响着裂纹的扩展行为及材料性质。利用扫描电镜、高分辨率透射电??背散射衍射电镜等现代测试技术可观测到材料界面结构，这为研宄界面结构??了便利，并有助于推动复合材料界面结构设计的发展和宏微观物理量之间定??系的建立。固体理论、分子化学、化学键理论、分子动力学、细观力学等理??发展，为材料设计、制造和应用提供了依据。计算机模拟和辅助设计技术展，为利用计算机进行材料设计提供了平台。因此借助计算机技术和力学分析??进行材料多尺度研究，根据研宄结果来制备材料，将大大减少实验研宄的盲??，缩短研宂周期，降低研究成本，是研制开发新型陶瓷刀具材料的有效方法。??
山东大学博士学位论文??具材料，最后研宄了其切削性能，分析其磨损形式及失效机理。论文的总体结构??如图１－４所示。??第１章绪论??０?ｒ???第２章陶瓷刀具材料界?Ｉ陶瓷材料各向ｊ??面性质的研宄?＋１异性刚度系数！???Ｔ—ｒ??１?和界面能?ｉ??ｒ?Ｉ????！????｜组分体积比及Ｉ?第３章基于微观结构有限元??，石墨烯含量１?分析模型的陶瓷刀具材料性４???！?」?能预报??Ｏ?＾??｜第４章石墨烯强初化陶瓷刀???＾?具材料制备及力学性能??０??第５章石墨烯强韧化陶瓷刀??具切削性能研宄??结论与展望??图１－４论文总体结构??主要开展的研宄工作如下：??第１章阐述了课题的研宂背景、目前的研宂现状以及研究目的和意义，叙??述论文的框架结构和主要研宄内容。??第２章利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了氧化铝、碳化钛和??石墨烯的能带结构和态密度等，进行了体性质、表面性质的分析，确定了最稳定??的热力学表面，建立了石墨烯强韧化氧化铝／碳化钛复相陶瓷刀具材料中特定界??面的模型，进行了界面性能计算，分析了界面稳定性和成键特征，研宄了界面性??质，为微观结构有限元模型提供了各向异性常数等参量。??第３章采用Ｖｏｒｏｎｏｉ镶嵌来表征晶粒，基于内聚力单元法（ｃｏｈｅｓｉｖｅ?ｅｌｅｍｅｎｔ??ｍｅｔｈｏｄ
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯改性机械陶瓷刀具的性能研究[J]. 王红霞,赵辉. 中国陶瓷. 2016(06)
[2]石墨烯的制备及石墨的剥离与团聚力学性能研究[J]. 邓钏,葛晓陵,尹力,杨刚. 中国粉体技术. 2016(01)
[3]碳纳米管与石墨烯作为润滑油添加剂对界面摩擦磨损性能的影响[J]. 李瑞,陆天扬. 中国科技论文. 2015(10)
[4]陶瓷刀具的应用及其发展[J]. 袁帅,刘献礼,岳彩旭. 金属加工(冷加工). 2015(06)
[5]石墨烯复合材料的研究进展[J]. 匡达,胡文彬. 无机材料学报. 2013(03)
[6]切削难加工材料的刀具选择[J]. 王琳琳. 航空制造技术. 2012(10)
[7]锯齿形切屑变形表征与其形态演化研究[J]. 苏国胜,刘战强,杜劲,杨奇彪. 农业机械学报. 2010(11)
[8]高速切削加工刀具材料[J]. 姚福新,李长河. 精密制造与自动化. 2010(01)
[9]基于高速切削技术中刀具材料性能的研究与应用[J]. 薛旺录. 兰州工业高等专科学校学报. 2009(04)
[10]镍基合金高速切削中锯齿状切屑毛边和刀具磨损研究[J]. 肖茂华,何宁,李亮,陆爱华. 工具技术. 2009(06)
博士论文
[1]多硬度拼接淬硬钢铣削动力学研究[D]. 王扬渝.浙江工业大学 2013
[2]石墨烯/碳纳米管/双相磷酸钙生物陶瓷复合材料研究[D]. 赵琰.山东大学 2013
[3]Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究[D]. 周咏辉.山东大学 2009
硕士论文
[1]表界面可控的石墨烯基功能复合材料的构筑及其力学行为研究[D]. 官礼知.杭州师范大学 2016
[2]功能化石墨烯/聚合物复合系统的界面特性与力学性能增强[D]. 金义矿.重庆大学 2016
[3]电机主轴激光修复层组织及断裂研究[D]. 张鹏飞.山东大学 2015
[4]SiC晶须与纳米颗粒协同增韧Al2O3基陶瓷刀具及其切削性能研究[D]. 刘雪飞.山东大学 2015
[5]TiAl/Al2O3界面相互作用第一性原理研究[D]. 王保栋.哈尔滨工业大学 2012
[6]氧化铝基纳米陶瓷刀具材料界面分子动力学模拟研究[D]. 章伟.山东大学 2010
[7]第一性原理研究Al2O3异构体的电子结构和光学性质[D]. 张涛.哈尔滨工业大学 2009
[8]TiN和TiC性质的第一性原理研究[D]. 王强.吉林大学 2008
[9]氧化铝基复合陶瓷的制备和性能测试[D]. 任萍萍.合肥工业大学 2004
本文编号：3336298
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１石墨烯和碳纳米管??
（ａ）试错法流程?（ｂ）基于计算机的材料设计流程??图１－２材料设计方法??由于陶瓷刀具材料是由混合均匀的多相粉料经高温高压烧结而成，因此考虑情况下，即忽略缺陷、杂质及化学反应生成物，陶瓷结构在微观上看是由多个??、形状、位向不同的晶粒无缝堆积而成，晶粒间的接触面属于固态结合界面，??面极大地影响着裂纹的扩展行为及材料性质。利用扫描电镜、高分辨率透射电??背散射衍射电镜等现代测试技术可观测到材料界面结构，这为研宄界面结构??了便利，并有助于推动复合材料界面结构设计的发展和宏微观物理量之间定??系的建立。固体理论、分子化学、化学键理论、分子动力学、细观力学等理??发展，为材料设计、制造和应用提供了依据。计算机模拟和辅助设计技术展，为利用计算机进行材料设计提供了平台。因此借助计算机技术和力学分析??进行材料多尺度研究，根据研宄结果来制备材料，将大大减少实验研宄的盲??，缩短研宂周期，降低研究成本，是研制开发新型陶瓷刀具材料的有效方法。??
山东大学博士学位论文??具材料，最后研宄了其切削性能，分析其磨损形式及失效机理。论文的总体结构??如图１－４所示。??第１章绪论??０?ｒ???第２章陶瓷刀具材料界?Ｉ陶瓷材料各向ｊ??面性质的研宄?＋１异性刚度系数！???Ｔ—ｒ??１?和界面能?ｉ??ｒ?Ｉ????！????｜组分体积比及Ｉ?第３章基于微观结构有限元??，石墨烯含量１?分析模型的陶瓷刀具材料性４???！?」?能预报??Ｏ?＾??｜第４章石墨烯强初化陶瓷刀???＾?具材料制备及力学性能??０??第５章石墨烯强韧化陶瓷刀??具切削性能研宄??结论与展望??图１－４论文总体结构??主要开展的研宄工作如下：??第１章阐述了课题的研宂背景、目前的研宂现状以及研究目的和意义，叙??述论文的框架结构和主要研宄内容。??第２章利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了氧化铝、碳化钛和??石墨烯的能带结构和态密度等，进行了体性质、表面性质的分析，确定了最稳定??的热力学表面，建立了石墨烯强韧化氧化铝／碳化钛复相陶瓷刀具材料中特定界??面的模型，进行了界面性能计算，分析了界面稳定性和成键特征，研宄了界面性??质，为微观结构有限元模型提供了各向异性常数等参量。??第３章采用Ｖｏｒｏｎｏｉ镶嵌来表征晶粒，基于内聚力单元法（ｃｏｈｅｓｉｖｅ?ｅｌｅｍｅｎｔ??ｍｅｔｈｏｄ
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯改性机械陶瓷刀具的性能研究[J]. 王红霞,赵辉. 中国陶瓷. 2016(06)
[2]石墨烯的制备及石墨的剥离与团聚力学性能研究[J]. 邓钏,葛晓陵,尹力,杨刚. 中国粉体技术. 2016(01)
[3]碳纳米管与石墨烯作为润滑油添加剂对界面摩擦磨损性能的影响[J]. 李瑞,陆天扬. 中国科技论文. 2015(10)
[4]陶瓷刀具的应用及其发展[J]. 袁帅,刘献礼,岳彩旭. 金属加工(冷加工). 2015(06)
[5]石墨烯复合材料的研究进展[J]. 匡达,胡文彬. 无机材料学报. 2013(03)
[6]切削难加工材料的刀具选择[J]. 王琳琳. 航空制造技术. 2012(10)
[7]锯齿形切屑变形表征与其形态演化研究[J]. 苏国胜,刘战强,杜劲,杨奇彪. 农业机械学报. 2010(11)
[8]高速切削加工刀具材料[J]. 姚福新,李长河. 精密制造与自动化. 2010(01)
[9]基于高速切削技术中刀具材料性能的研究与应用[J]. 薛旺录. 兰州工业高等专科学校学报. 2009(04)
[10]镍基合金高速切削中锯齿状切屑毛边和刀具磨损研究[J]. 肖茂华,何宁,李亮,陆爱华. 工具技术. 2009(06)
博士论文
[1]多硬度拼接淬硬钢铣削动力学研究[D]. 王扬渝.浙江工业大学 2013
[2]石墨烯/碳纳米管/双相磷酸钙生物陶瓷复合材料研究[D]. 赵琰.山东大学 2013
[3]Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究[D]. 周咏辉.山东大学 2009
硕士论文
[1]表界面可控的石墨烯基功能复合材料的构筑及其力学行为研究[D]. 官礼知.杭州师范大学 2016
[2]功能化石墨烯/聚合物复合系统的界面特性与力学性能增强[D]. 金义矿.重庆大学 2016
[3]电机主轴激光修复层组织及断裂研究[D]. 张鹏飞.山东大学 2015
[4]SiC晶须与纳米颗粒协同增韧Al2O3基陶瓷刀具及其切削性能研究[D]. 刘雪飞.山东大学 2015
[5]TiAl/Al2O3界面相互作用第一性原理研究[D]. 王保栋.哈尔滨工业大学 2012
[6]氧化铝基纳米陶瓷刀具材料界面分子动力学模拟研究[D]. 章伟.山东大学 2010
[7]第一性原理研究Al2O3异构体的电子结构和光学性质[D]. 张涛.哈尔滨工业大学 2009
[8]TiN和TiC性质的第一性原理研究[D]. 王强.吉林大学 2008
[9]氧化铝基复合陶瓷的制备和性能测试[D]. 任萍萍.合肥工业大学 2004
本文编号：3336298
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