爆炸压涂制备功能涂层及其机理研究

发布时间：2017-09-21 22:24

  本文关键词：爆炸压涂制备功能涂层及其机理研究

  更多相关文章： 爆炸压涂 功能涂层 纳米氧化锆涂层 机理研究 数值模拟 冲击温升

【摘要】：随着表面技术及工程的发展,各种功能涂层愈来愈引起人们的重视,其应用范围涉及能源、石油化工、纺织、海洋、水利工程、建筑、机械、航空航天、交通、军事等诸多领域,与国家经济建设、国防及人们的日常生活关系日益紧密,已成为表面工程技术的一个重要组成部分。近年来,纳米材料涂层的发展突飞猛进,但纳米材料涂层的制备技术仍是限制其广泛应用的主要瓶颈因素,特别是功能涂层的制备技术更是众多科研工作者的研究重点方向之一本文提出了一种新型的涂层制备技术——爆炸压涂,详细介绍了爆炸压涂的原理,确定了爆炸压涂的工艺路线,设计了爆炸压涂试验,主要研究了涂层的结合机理。在研究的过程中,涉及到爆炸冲击方面的理论有炸药爆轰驱动飞板、粉末介质中的冲击波、粉末材料的冲击状态方程等。利用爆炸压涂成功地制备了铜涂层。根据爆轰驱动飞板理论,研究了关键工艺参数对涂层制备的影响。采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计等设备研究了涂层的金相组织、断面形貌、表面元素成分和显微硬度,用截线法计算了涂层的平均孔隙率。对爆炸压涂金属涂层的形成机理进行了分析。涂层的形成机理包括金属板与金属粉末的结合机理、金属粉末颗粒之间的结合机理两个方面。指出爆炸压涂过程中板粉界面附近的角变形是造成界面失稳并形成波状界面的重要因素之一,影响着界面的结合状态和结合强度；金属板在高速变形下发生了剪切失稳,产生了金属射流,有利于金属板与粉末紧密结合。至于粉末之间的结合机理主要是颗粒塑性变形、高压下孔隙闭合和颗粒表面熔化共同作用的结果。计算了金属粉末在冲击压缩和颗粒塑性变形作用下造成的温升。分析了冲击波压缩粉末材料使其温度升高的原因,推导了冲击波压缩粉末产生的温升计算公式。另外,粉末材料在冲击波作用下发生塑性变形,同样会使粉末材料温度升高。这两种情况造成的温升都是瞬时的,而且冲击波压力卸载是等熵过程,对温度来说是绝热的。在如此短暂的时间内,热量还来不及传导至粉末颗粒内部,一旦颗粒表面的温度达到粉末材料的熔点,颗粒表面将产生熔化,之后将以材料固化的形式颗粒之间彼此紧密结合在一起。利用LS-DYNA有限元程序中的SPH无网格法模拟了爆炸压涂制备铜涂层过程中不同冲击速度下的冲击波传播过程,绘制了冲击波在铜粉末中传播的压力云图、压力与时间关系曲线、压力与颗粒层数的关系曲线。对每层粉末来说,知道当前层的冲击压力,就可以计算这层粉末的温升,与材料的熔点温度对比,就可以判断当前层是否能够熔化。冲击波压力随着传播距离逐渐衰减的,粉末层必将存在温度梯度,即粉末的温度是逐层降低的。一旦当前层的温度降低到材料的熔点以下,这层的粉末和下层粉末不能有效结合,从而可以确定粉末的有效结合层数。通过压力和粉末层数的关系曲线,可以计算爆炸压涂金属粉末涂层的有效结合层数。利用爆炸压涂技术制备了陶瓷材料涂层,研究了陶瓷涂层的结合机理。并且初步分析了纳米尺度陶瓷涂层的微细观机理。通过对爆炸压涂制备的纳米氧化锆陶瓷涂层测试分析,发现涂层中颗粒没有发生熔化；经过对粉末和涂层的晶粒尺寸计算,指出纳米氧化锆颗粒并没有发现晶粒长大的现象。其后分析了爆炸压涂过程中陶瓷颗粒的破碎机理,解释了纳米陶瓷涂层的结合机理。最后,总结了研究成果,并给出了下一步研究工作的建议。
【关键词】：爆炸压涂 功能涂层 纳米氧化锆涂层 机理研究 数值模拟 冲击温升
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ630.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-20
• 1.1 选题背景和意义11-13
• 1.2 爆炸压涂及其相关的爆炸加工技术现状与发展13-16
• 1.3 功能涂层制备技术的现状与发展16-18
• 1.4 本文的工作及特色18-20
• 2 爆炸压涂制备涂层的相关理论20-33
• 2.1 爆轰驱动飞板理论20-22
• 2.1.1 一维简化模型20-21
• 2.1.2 二维简化模型21-22
• 2.2 多孔材料中的冲击波22-26
• 2.3 粉末材料的冲击状态方程26-28
• 2.4 爆炸压涂宏观机理28-30
• 2.5 爆炸压涂细观机理30-32
• 2.6 小结32-33
• 3 铜板铜粉爆炸压涂的实验研究33-49
• 3.1 试验设计33-39
• 3.1.1 试验装置及材料参数33-34
• 3.1.2 铜粉爆炸压涂的关键参数理论分析34-36
• 3.1.3 铜粉爆炸压涂的关键参数数值计算36-39
• 3.2 试验过程39-40
• 3.3 试验结果40-48
• 3.3.1 试验结果40-42
• 3.3.2 试验结果测试分析42-48
• 3.4 小结48-49
• 4 爆炸压涂的机理研究49-60
• 4.1 爆炸压涂金属板与粉末的结合机理49-53
• 4.2 爆炸压涂粉末间的结合机理53-58
• 4.2.1 塑性变形能54
• 4.2.2 微动能54-55
• 4.2.3 摩擦能55-57
• 4.2.4 熔化能57-58
• 4.3 小结58-60
• 5 粉末颗粒结合温度的计算60-73
• 5.1 计算冲击波压力61-62
• 5.2 计算冲击波压力下的比容62-63
• 5.3 计算粉末颗粒结合温度63-68
• 5.3.1 粉末的冲击温升64-67
• 5.3.2 塑性变形过程中的温升67-68
• 5.4 粉末温升的计算算例68-72
• 5.5 小结72-73
• 6 粉末颗粒结合层数的计算73-89
• 6.1 冲击波压力衰减的数值模拟73-86
• 6.1.1 LS-DYNA简介73-75
• 6.1.2 SPH法简介75-77
• 6.1.3 有限元模型77-78
• 6.1.4 压力衰减模拟结果78-86
• 6.2 粉末颗粒结合层数的计算86-88
• 6.3 小结88-89
• 7 制备纳米陶瓷涂层及机理研究89-104
• 7.1 试验装置及材料参数89-90
• 7.2 试验结果与分析90-95
• 7.2.1 涂层的组织形貌90-92
• 7.2.2 孔隙率计算92
• 7.2.3 涂层的元素成分92-93
• 7.2.4 涂层的晶粒度计算93-95
• 7.3 粉末颗粒的温升95-99
• 7.3.1 颗粒之间摩擦造成的温升95-97
• 7.3.2 表面能释放造成的温升97-98
• 7.3.3 绝热压缩造成的温升98-99
• 7.4 陶瓷粉末颗粒的结合机理99-103
• 7.4.1 纳米陶瓷材料的断裂破碎机理100
• 7.4.2 陶瓷材料的动态强度100-101
• 7.4.3 陶瓷材料的理论剪切强度101-103
• 7.5 小结103-104
• 8 主要结论、创新点和进一步研究的方向104-107
• 8.1 主要结论104-105
• 8.2 创新点105
• 8.3 进一步研究的方向和建议105-107
• 致谢107-108
• 参考文献108-119
• 博士学习期间发表的论文及专利119

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 郭佑雄,赵福兴,周祖荣;滑移爆轰作用下飞板运动规律的研究──双 P-M 法[J];爆炸与冲击;1998年02期

2 周斌;王全胜;柳彦博;马壮;;纳米氧化锆涂层晶粒度与隔热性能的关系[J];材料保护;2006年03期

3 华中胜;姚广春;马佳;王磊;;短石墨纤维表面溶胶-凝胶法涂覆Al_2O_3[J];东北大学学报(自然科学版);2010年02期

4 刘松;爆炸喷涂技术及应用[J];焊接;1997年09期

，

本文编号：897231