真空高温烧制SiC反射镜镜坯温度场与应力研究

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随着材料科学的迅速发展,碳化硅以其优异了物理性能成为反射镜制备的首选材料,而真空高温烧结炉是制备碳化硅反射镜的主要设备。已有研究表明:真空高温烧结炉炉内温度分布、热量传递及温度梯度变化对碳化硅反射镜烧制成型有重要影响。大型碳化硅反射镜烧制周期长,费用昂贵,镜坯温度数据检测困难,从而导致实验研究性价比较低,因此,数值模拟成为了镜坯烧结研究的主要手段。  本文以碳化硅反射镜真空高温烧结炉为研究对象,具体分析了炉体实际的热工过程特点,对传热分析影响较小的结构进行简化,构建合理的物理模型。在此基础上,从传热微分方程入手,以ANSYS为辅助研究工具,建立烧结炉内三维非稳态传热数值仿真模型,采用热瞬态有限元法对真空高温烧结炉的温度场进行数值模拟,使用辐射矩阵单元建立炉内辐射模型,对烧结炉内镜坯温度场进行数值模拟研究。加大炉体保温层尺寸、提高加热功率分析炉体结构与热工艺对镜坯温度场的影响,并通过热力耦合单元计算烧制与冷却过程中镜坯内热应力的分布情况。结果表明,镜坯烧制过程中的最大温差为6.09℃,满足不超过10℃的均温性要求;加大保温层尺寸可以改善镜坯均温性,加大热功率会导致镜坯温差升高。在求得镜坯瞬态温度分布的基础上,采用圆柱形工件热应力数值计算模型,对镜坯的瞬态热应力进行数值模拟,求得最大热应力出现在镜坯棱角处,最大应力值为5.78MPa,在许用值范围之内。炉体结构与热工艺满足碳化硅反射镜烧制要求,进而可以通过数值模拟手段对炉体结构和热工艺进行改进,并指导大尺寸镜坯的实践生产。
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