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超重力燃烧合成YAG陶瓷热力学计算及过程仿真

作　者: 纪文文
导　师: 宋月鹏
学　校: 山东农业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 钇铝石榴石热力学数据计算自蔓延高温合成绝热温度体系优化选择超重力技术有限元分析
分类号: TQ174.75
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

钇铝石榴石(简称YAG)透明陶瓷是近年来快速发展起来的重要的先进陶瓷材料,目前,YAG透明陶瓷成为国内外研究的热点,尤其在激光领域。但长期以来,该材料的制备技术一直沿用粉末冶金工艺流程,其制备周期长,生产成本高,质量难以保证。同时,由于陶瓷熔点高、盛装困难,且高温陶瓷凝固后形成粗大组织,很少有采用类似金属材料的熔融铸造工艺路线进行制备。基于此,本研究在中科院理化技术研究所成功研制出Al2O3透明陶瓷等的基础上,利用热力学分析、动力学分析、实验及仿真模拟等理论及技术手段对超重力燃烧合成透明YAG陶瓷进行了深入的研究,并得出较好的研究成果,具体包括以下内容。首先,本文在建立有关热力学数据库的基础上,根据热力学原理,使用VisualBasic语言编制了热力学数据计算系统,并对编程计算结果进行可靠性验证。通过对不同体系自蔓延高温合成绝热温度的计算结果与分析和体系优选应遵循的原则,进行合成YAG陶瓷体系的优化选择。结果显示,采用Al/NiO/Y2O3体系进行燃烧合成YAG陶瓷最为合适。其次,通过静态下合成YAG试验研究表明：铝热剂原料粒度和压块密度会对压块的燃烧速度产生一定影响,这点与文献(宋月鹏,2009)结论相同。超重力熔铸技术是将燃烧合成技术与超重力技术相结合,利用铝热燃烧合成体系的强放热获得超高温的陶瓷/金属混合熔体,并实现二者的彻底分离。在超重力场中进行燃烧合成YAG陶瓷实验的研究结果显示,陶瓷体内金属颗粒的含量、气孔的多少和各种晶格缺陷与超重力的大小、熔体存在的时间密切相关,进而影响到YAG陶瓷的透明度。最后,利用ANSYS有限元分析软件,对超重力燃烧合成过程的温度场和应力场进行模拟,并结合实验结果验证模拟结果的可靠性。通过对温度场有限元模拟结果结合绝热温度计算和试验数据,得出了重力系数对多相熔体分离及产物致密化的影响规律。应力场的模拟结果显示压块的尺寸和质量对陶瓷的应力场有很大的影响,且热应力随温度的降低而降低。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
1 绪论  10-26
  1.1 YAG成分、结构、性能及影响透明性的因素  10-12
    1.1.1 YAG成分、结构、性能  10-11
    1.1.2 影响透明陶瓷透光性的因素  11-12
  1.2 YAG陶瓷研究的应用及制备工艺  12-15
    1.2.1 YAG陶瓷的应用  12-13
    1.2.2 透明陶瓷的制备工艺  13-15
  1.3 自蔓延燃烧合成技术  15-18
    1.3.1 自蔓延燃烧合成的热力学简介  15-16
    1.3.2 自蔓延燃烧合成技术简介  16-18
  1.4 超重力技术及研究进展  18-20
    1.4.1 超重力技术  18
    1.4.2 超重力场辅助陶瓷制备工艺  18-19
    1.4.3 超重力场辅助的陶瓷离心烧结工艺  19-20
  1.5 ANSYS简介  20-22
    1.5.1 ANSYS软件概述  20
    1.5.2 ANSYS热载荷及热分析基本理论  20-21
    1.5.3 ANSYS热应力及耦合场分析  21-22
  1.6 课题的研究目的和意义  22-23
  1.7 主要研究内容与技术路线  23-26
    1.7.1 主要研究内容  23
    1.7.2 技术路线  23-26
2 热力学系统的建立  26-45
  2.1 热力学系统建立的理论基础  26-30
    2.1.1 自蔓延燃烧合成的热力学条件  26
    2.1.2 体系反应自由焓的编程计算  26-27
    2.1.3 绝热温度、产物相转变率的计算原理  27-30
  2.2 燃烧合成反应体系热力学数据预测系统的建立  30-40
    2.2.1 热力学参数计算数据来源  30-31
    2.2.2 系统的功能结构及实现  31-40
  2.3 计算结果可靠性验证  40-44
    2.3.1 自由能计算机数值计算可靠性验证  40-41
    2.3.2 绝热温度计算机数值计算可靠性验证  41-44
  2.4 本章小结  44-45
3 超重力燃烧合成YAG的热力学计算  45-61
  3.1 NIO/AL/Y_2O_3反应体系绝热温度的计算  45-53
    3.1.1 Al/NiO体系反应自由能计算  46-48
    3.1.2 Al/NiO体系反应绝热温度计算  48-50
    3.1.3 NiO/Al/Y_2O_3铝热体系绝热温度的计算结果及分析  50-53
  3.2 AL/FE_2O_3体系绝热温度计算  53-56
    3.2.1 Al/Fe_2O_3体系绝热温度的计算及Fe的蒸发焓  53-54
    3.2.2 Al/Fe_2O_3体系添加Fe稀释剂对绝热温度的影响  54-56
  3.3 AL/WO_3/Y_2O_3体系绝热温度计算  56-58
    3.3.1 Al/WO_3体系绝热温度的计算  56-57
    3.3.2 WO_3/Al/Y_2O_3绝热温度计算  57-58
  3.4 超重力燃烧合成YAG块体铝热剂体系优选  58-60
  3.5 本章小结  60-61
4 透明陶瓷的超重力燃烧合成技术制备研究  61-80
  4.1 压块的燃烧速度的测量  61-65
    4.1.1 实验  61-62
    4.1.2 实验过程及现象  62
    4.1.3 反应粉剂压块密度对反应速度的影响  62-64
    4.1.4 反应粉剂粒度对燃烧速度的影响  64-65
  4.2 超重力熔铸技术制备透明陶瓷  65-79
    4.2.1 实验  65-67
    4.2.2 试验过程及分析  67-68
    4.2.3 多相熔体分离过程的动力学分析  68-70
    4.2.4 实验结果及讨论  70-77
    4.2.5 透明陶瓷的获得  77-78
    4.2.6 Al/Fe_2O_3/Y_2O_3反应  78-79
  4.3 本章小结  79-80
5 超重力燃烧合成YAG的温度场和应力场分析  80-100
  5.1 使用ANSYS软件模拟压块传热过程及实验验证  80-81
  5.2 压块燃烧过程温度场的有限元模拟及验证  81-84
  5.3 点燃方式对压块传热的影响  84-85
  5.4 素坯点燃过程模拟  85-87
  5.5 不同超重力对熔体液面变化及整体位移的影响  87-90
  5.6 压块质量对熔体存在时间的影响  90-95
  5.7 压块尺寸对陶瓷热应力的影响  95-98
  5.8 本章小结  98-100
6 总结与展望  100-102
  6.1 总结  100-101
  6.2 展望  101-102
参考文献  102-111
附录  111-126
致谢  126-127
功读学位期间发表论文情况  127

超重力燃烧合成YAG陶瓷热力学计算及过程仿真

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