氧化铝陶瓷薄片激光弯曲实验研究

摘要

随着材料科学的快速发展以及制造技术的不断进步，新型材料的应用范围越来越广。在信息、通讯、微电子、微机械等高科技领域，硅片、功能玻璃、陶瓷等脆性材料有着越来越广泛的应用。这些领域已经不满足于对平面脆性材料器件的需求，而且增加了对二维曲面器件、三维曲面器件以及大曲率非平面器件的需求。在传统制作方法中，非平面脆性材料器件是在高温下借助机械外力和特殊工具成形，或者通过化学手段进行加工。由于材料的脆性特点，前者成形方法容易导致材料破坏，而且精确的温度控制比较困难，材料弯曲成形的形状和弯曲精度难以兼得；而采用化学加工手段则周期较长，控制难度较大且伴随着环境污染。激光弯曲成形技术基于其本身柔性大，无污染，高效率，高可控性等优点，为复杂曲面器件的快速成形提供了一种新的加工手段。这种新的制造方法弥补了传统制造方法的不足之处，节省了生产时间，降低了生产成本，为绿色制造领域的进一步发展奠定了良好的基础。
　　 针对陶瓷材料的广阔应用前景，本课题以氧化铝陶瓷为研究对象，将实验、检测、数值模拟与理论分析相结合，对氧化铝陶瓷的激光弯曲成形进行深入研究，为氧化铝陶瓷器件的精确快速成形提供理论基础。论文主要工作如下：
　　 (1)利用CO2连续激光对氧化铝陶瓷进行弯曲实验，研究激光功率、扫描速度等工艺参数对弯曲结果的影响，寻找适合氧化铝陶瓷激光弯曲的最佳工艺参数，并分析氧化铝陶瓷激光弯曲的特点；
　　 (2)利用光学显微镜和X射线衍射仪等手段对激光扫描弯曲后氧化铝陶瓷进行检测分析，讨论激光作用过程对氧化铝陶瓷的影响；
　　 (3)利用有限元分析软件ANSYS对氧化铝陶瓷薄片的激光弯曲过程进行数值模拟，通过计算结果分析样品在弯曲过程中温度场的变化特点和分布规律，进一步揭示氧化铝陶瓷的激光弯曲机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

1.1激光弯曲成形技术概述

1.2激光弯曲成形机理

1.2.1温度梯度机理

1.2.2屈曲机理

1.2.3增厚机理

1.3激光弯曲成形技术的国内外研究现状

1.3.1 塑性材料激光弯曲成形研究进展

1.3.2脆性材料激光弯曲成形研究进展

1.4论文的研究背景及主要工作

2氧化铝陶瓷薄片激光弯曲实验

2.1实验条件

2.1.1实验样品的制备

2.1.2实验设备的选择

2.1.3实验工艺的制定

2.1.4弯曲角度的测量

2.2影响氧化铝陶瓷弯曲效果的因素

2.2.1 激光模式对弯曲效果的影响

2.2.2激光功率对弯曲效果的影响

2.2.3扫描速度对弯曲效果的影响

2.2.4线能量密度对弯曲效果的影响

2.2.5样品宽度对弯曲效果的影响

2.2.6冷却时间对弯曲效果的影响

2.2.7材料性能对弯曲效果的影响

2.3弯曲样品

2.4本章小结

3激光弯曲样品的检测分析

3.1检测方法简介

3.1.1 X射线衍射仪

3.1.2光学显微镜

3.2检测结果分析

3.2.1 表面形貌检测分析

3.2.2样品晶相检测分析

3.2.3截面形貌检测分析

3.3本章小结

4氧化铝薄片激光弯曲温度场模拟分析

4.1 激光加热数值模拟概述

4.2激光弯曲数值分析模型

4.2.1创建模型

4.2.2施加载荷

4.2.3求解设置

4.3模拟结果分析

4.3.1单次扫描结果分析

4.3.2多次扫描结果分析

4.4本章小结

结 论

参考文献

附录A部分ANSYS APDL程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢