【摘 要】
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高纯石英陶瓷具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀的优点以及优秀的透波性能,是目前制造天线罩的主要材料。但是石英陶瓷的熔点高、硬度大,精密铸造和机加工面临很多挑战,加工周期长、加工成本高、模具要求高且昂贵、容错率低、报废风险大。实现高纯石英陶瓷的增材制造,可以实现天线罩的无模具生产,节省模具开发成本和费用,减轻机加工负担。对降低天线罩的研发周期和制造成本,提高供应能力具有重要意义。本文针对石英陶瓷增材制造
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高纯石英陶瓷具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀的优点以及优秀的透波性能,是目前制造天线罩的主要材料。但是石英陶瓷的熔点高、硬度大,精密铸造和机加工面临很多挑战,加工周期长、加工成本高、模具要求高且昂贵、容错率低、报废风险大。实现高纯石英陶瓷的增材制造,可以实现天线罩的无模具生产,节省模具开发成本和费用,减轻机加工负担。对降低天线罩的研发周期和制造成本,提高供应能力具有重要意义。本文针对石英陶瓷增材制造的高纯度、高精度、低成本的工程需求,创新性地提出了一种基于热固粘结的增材制造技术路线。该技术路线使用环氧树脂和石英陶瓷粉末配置成浆体,作为A组分;使用环氧树脂的硬化剂作为B组分。在150℃左右,A组分可以和喷在其表面的B组分发生交联固化反应,进而将其中的陶瓷粉末粘结形成坯体。在后续的高温烧结过程中,固化的环氧树脂氧化热解,形成气体逸出,留下的陶瓷粉末烧结形成不含杂质的高纯石英陶瓷成品。为了验证这一技术路线的可行性,本文自行搭建了实验样机,通过热力学仿真证明样机的温度管理能力满足本技术路线的温度需求,并且基于Lab VIEW编程平台和Arduino开发板编写了一套控制程序,满足样机的原理性验证功能。利用这一实验样机,本文开展了这一技术路线的工艺研究与可行性验证。提出了石英陶瓷粉末的表面改性方法,以提高粉末在环氧树脂中的分散性,实现A组分的配制。通过理论分析和流变性能测试,确认了A、B组分的可打印性。通过理论建模和实验验证,本文研究了喷头温度、给压时间和压力对B组分喷射液滴的液斑直径的影响关系,提出了两步式固化工艺和陶瓷坯体的热解工艺。同时,本文还研究了添加石英纤维增强石英陶瓷成品力学性能的机理。最终,本文利用实验样机,成功实现了添加增强纤维的高纯石英陶瓷的增材制造,尺寸收缩率低于5%,经过能谱分析确认陶瓷成品只含有硅、氧元素,不含其它杂质,从而验证了本文提出的高纯石英陶瓷增材制造技术的可行性。
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