（机械制造及其自动化专业论文）基于复合材料的主动热流控制器的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 热已成为制约超精密加工发展的主要因素之一。为了改善超精密加工过程中 的热态特性，传统的改善方法是被动地控制热流，结合国家自然科学基金资助项 目( 5 0 4 7 1 0 2 ) “半主动广义热阻控制技术研究”和浙江省自然科学基金资助项目 ( m 5 0 3 2 1 3 ) “具有大进给力的纳米系统关键技术研究”，故此提出基于复合材料 的主动控制热流方式。本文在完成控制系统软、硬件设计的基础上，建立了基于 金属变形体热变形的纳米级进给部件的虚拟样机，开展对主动热流控制器的不同 材料的导热系数、热容量、密度的研究，分析不同的结构、不同试验条件对热流 放大倍数的影响，最终确定了基于金属基复合材料的主动热流控制器方案。并提 出了确定模型参数的方法一分段指数拟合方法，获得热流控制器的数学模型及传 递函数，对热流控制器在不同的输入、不同的空气环境下的特性进行了分析，并 针对在对流系数改变条件下进行了控制策略的研究以及仿真。具体包括： 第一章，阐述了金属基复合材料的发展现状及应用前景，结合国内外热流控 制的研究现状及国外工业发达国家该技术的发展趋势，提出了本论文的研究内容 和各章节的安排。 第二章，本章在分析热流控制器理论基础后，并结合热量传递的三种基本方 式，简化热传导偏微分方程，通过理论推导建立了基于复合材料的主动热流控制 器的虚拟样机，获得热流控制器的数学模型，并对影响热流变化的各个参数进行 了仿真。 第三章，系统的介绍了以a t 9 1 5 5 8 0 0 a 为核心的控制器的系统软硬件实现方 案。包括a r m 控制器的设计，上位机液晶显示、键盘输入，半导体制冷器应用， 并重点介绍了精密温度测量以及c a n 通信的应用，最后讲述了信号完整性与 e m c 在控制器中的应用。 第四章，本章给出了大量的实验数据和图表，分析了普通型结构热流控制器 和改进型热流控制器的特点，分析了热流放大倍数与不同结构、不同材料、不同 实验条件是相关的，并论证了复合材料的优越性，确定了基于复合材料的改进型 结构的主动热流控制器的最终方案。 第五章，考虑到温度场具有非线性、时滞及模型参数变化的特点，为了建立 比较精确的数学模型，针对多阶指数型函数提出逐级递推的拟合方法。并通过运 用此方法分别确定了普通结构和改进型结构热流控制器的数学模型，对两种不同 结构的动态响应特性进行了研究。 第六章，本章分析了最终方案的主动热流控制器的一些输入特性以及随环境 浙江大学硕士学位论文 变化的特性。并采用第五章提出的分段多阶指数拟合方法确定了数学模型和传递 函数，并分别给出分析和总结，最后针对环境参数改变条件下进行了控制策略研 究及仿真。 第七章，对全文进行的全面，系统的总结，展望了下一步的研究工作，并提 出一些设想。 关键词：热流放大复合材料分段指数拟合虚拟样机数学模型控制策 略 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a ti sa ni m p o r t a n tf a c t o rt h a tr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fu l t r a p r e c i s i o n p r o c e s s i n g i no r d e rt oi m p r o v et h eh e a tc h a r a c t e r i s t i ci nt h eu l t r a - p r e c i s i o n p r o c e s s i n g ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d si sc o n t r o l l i n gt h e r m a lf l o wp a s s i v e l y , c o m b i n gw i t ht h ep r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a in a t u r a is c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o 5 0 4 7 5 1 0 2 ) a n dn a t u r a is c i e n c ef o u n d a t i o no fz h e j i a n gp r o v i n c e ( m 5 0 3 2 13 ) ，a na c t i v et h e r m a if l o wc o n t r o is c h e m eb a s e do nc o m p o s i t e m a t e r i a l si sp r e s e n t e d n o to n l yt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h i s c o n t r o is y s t e mi sc o m p l e t e d b u ta l s ot h ev i r t u a ip r o t o t y p e sb a s e do n t e m p e r a t u r ef i e l dc h a n g eo fa c t i v et h e r m a if l o wc o n t r o l l e ri s e s t a b l i s h e d r e s e a r c ho nc o e f f i c i e n to fh e a tc o n d u c t i v i t y , c a l o r i cr e c e p t i v i t y , t h e r m a i d i s p l a c e m e n t ，d i f f e r e n ts t r u c t u r e ，d i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no nt h e r m a i f l o wc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d a n dt h ei a s ts c h e m eo ft h e r m a lf l o wc o n t r o l l e ri s d e t e r m i n e d t h em u l t i ，0 r d e re x p o n e n t i a if i t t i n gm e t h o di sf i r s tp r e s e n t e dw h i c h c a nd e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so fm o d a l t h em a t h e m a t i cm o d a ia n dt h e t r a n s f e rf u n c t i o na r eo b t a i n e d t h ec h a r a c t e d s t i co ft h e r m a lf l o wc o n t r o l l e r u n d e rd i f f e r e n ti n p u ta n dd l i f e r e n te x p e r i m e n t a ic o n d i t i o ni sa n a l y z e d i n c l u d i n g ： c h a p t e r1 t h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c to fn a n om a t r i x c o m p o s i t e sa r er e p r e s e n t e d ，c o m b i n g w i t ht h er e s e a r c he x i s t i n gs t a t eo f t h e r m a lf l o wc o n t r o la l lo v e rt h ew o r l da n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h i s t e c h n i q u ei nd e v e l o p e dc o u n t r y , r e s e a r c hc o n t e n ti sp r e s e n t e di nt h i sc h a p t e e m e a n w h i l e ，e a c hc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa r r a n g e d c h a p t e r2 ，t h et h e o r yo fa c t i v et h e r m a l f l o wi sa n a l y z e d ，c o m b i n gw i t ht h et h r e e k i n d so fh e a tt r a n s f e r , v i r t u a l p r o t o t y p e s o ft h e r m a lf l o wc o n t r o l l e ri s e s t a b l i s h e db ys i m p l i f y i n g p a r t i a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n b a s e do nt h e r m a l c o n d u c t i o n ，a n dt h em a t h e m a t i cm o d e li so b t a i n e d ，t h ee f f e c t st or e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i ct h a tc a u s e db yv a r i a t i o no ft h ek e yp a r a m e t e r sa r es i m u l a t e d c h a p t e r3 ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d et h e d e s i g no fa r mm i c r o c o n t r o l l e r , t h el c dd i s p l a y , t h ek e y b o a r di n p u t ，t h e a p p l i c a t i o no fp e l t i e rc e l l ，c a nb u s ，a n dt h eu l t r a - p r e c i s i o nt e m p e r a t u r e i n s p e c t i o nc i r c u i ti sp u ti ne m p h a s i s 1 a s tt h ea p p l i c a t i o no fs i g n a li n t e g r i t ya n d e m ci nt h ec o n t r o lc i r c u i ti ni n t r o d u c e d c h a p t e r4 ，al a r g en u m b e ro fd a t aa n dt a b l ea r ep r e s e n t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c o fc o m m o ns t r u c t u r ea n di m p r o v e ds t r u c t u r et h e r m a lf l o wc o n t r o l l e ri s c o m p a r e d ，t h ec o e f f i c i e n to fh e a tc o n d u c t i v i t y , c a l o r i cr e c e p t i v i t y , t h e r m a l d i s p l a c e m e n t ，d i f f e r e n ts t r u c t u r e d i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no nt h e r m a l f l o wc o n t r o l l e ri sr e s e a r c h e d a n dt h ei m p r o v e ds t r u c t u r ei sp r o v e dt ob ep r i o r u i 浙江大学硕七学位论文 t oc o m m o ns t r u c t u r e t h el a s ts c h e m eo ft h e r m a lf l o wc o n t r o l l e ri sd e t e r m i n e d c h a p t e r5 ，i no r d e r t oc o n s t r u c tp r e c i s i o nm a t h e m a t i cm o d e l c o n s i d e r i n gt h e t e m p e r a t u r eh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r , t i m e - l a ga n dt h ev a r i a t i o n m o d a ip a r a m e t e r s t h em u l t i o r d e re x p o n e n t i a lf i t t i n gm e t h o di sf i r s tp r e s e n t e d ， a n dt h em a t h e m a t i cm o d e io fc o m m o ns t r u c t u r ea n di m p r o v e ds t r u c t u r a t h e r m a lf l o wc o n t r o l l e ra r eo b t a i n e d 。t h e i rd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s a r ea n a l y z e d c h a p t e r6 ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e r m a lf l o wc o n t r o l l e ru n d e r d i f f e r e n ti n p u ta n d d i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o ni sa n a l y z e d ，t h e i rm a t h e m a t i cm o d e la n d t r a n s f e rf u n c t i o na r eo b t a i n e db yt h em u l t i - o r d e re x p o n e n t i a lf i t t i n gm e t h o d a t l a s t ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yi sr e s e a r c h e da n ds i m u l a t e du n d e rt h ec h a n g eo f e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n l a s tc h a p t e r , t h ef u l lp a p e ri sg e n e r a l i z e dr o u n d l ya n dt h en e x tr e s e a r c hw o r k i sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：t h e r m a lf l o wa m p l i f y , c o m p o s i t e sm a t e r i a l ，s t e p p e de x p o n e n t i a f i t t i n g ，v i r t u a lp r o t o t y p e s ，m a t h e m a t i cm o d e l ，c o n t r o ls t r a t e g y 学号2 0 3 0 8 0 2 5 独创性声明 水人声明所呈交的学位论文是本人在导师胡旭晓副教授指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘茎 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：琵箬辑 签字日期： 乃。g 年 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝垒盘生司以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可阻采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：秀务桦 签字日期：沙。6 年7 月9 f | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 导师签名：乇剐朔聋导师签名：5 ：、n 纠孔 签字日期：口e 年3 ， ；j7 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 致谢 光阴荏苒，岁月如梭，回首漫长的求学历程，不禁感慨万千，舍不得美丽的 求是园和最美好的浙大生活，但这一次我将真的扬帆远航。在此，向我所有的老 师、亲人和朋友表示衷心的感谢和崇高的敬意。 由衷的感谢我的导师胡旭晓副教授，感i 9 您在学业上的谆谆教导和生活上无 微不至的关怀。三年来，在您渊博学识和丰富科研经验的指导下，我树立了正确 的科研思想，提高了科学素质，您严谨求是的治学态度和淳朴的个人魅力将时刻 影响着我，我会受益终身。本论文凝聚了您太多的心血，再次感谢您，我尊敬的 老师，永远的朋友。 衷心感谢杨克己教授、项占琴教授、孙景阳工程师对我的帮助。 衷心感谢武二永博士、雷进波硕士、孙明明硕士、刘向阳硕士、张玉柱硕士、 秦熠硕士、张世阔硕士、张宝龙硕士、季东硕士、林进全硕士、钱胜尔硕士、田 少华硕士、许霜玉硕士、张书亭硕士以及所有的在科研和生活上对我的帮助的人。 我衷心的感谢我的父母，因为你们无私的奉献和关怀，我才得以在求学路上 健康、稳步的前进，是你们给予了我最温暖、恒久的动力。 时光飞逝，学术之旅行将结束。它短暂而充实，犹如人生旅途划过的一颗璀 璨靓丽的流星。往事历历在目，宛如昨日。 别了，美丽的杭州；别了，我的第三个故乡；别了，我心中永远的爱。 日光下，西湖之水波光粼粼，月光中，灵隐钟声依旧 最后，我要感谢所有关心、帮助过我的人。 v 顾志桦 2 0 0 6 年1 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 金属基纳米复合材料的研究现状和展望 纳米材料是由纳米量级( 1 1 0 0n m ) 的纳米粒子组成的固体材料。纳米微粒 有4 个基本效应：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道 效应。因此，纳米材料表现出一些特殊性能，如高热膨胀系数、高比热容、低熔 点、奇特的磁性、极强的吸波性能等。纳米微粒尺寸很小，纳米粒子的表面原子 数与其总原予数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，所以纳米材料有高密度缺 陷、高的过剩能、大的比表面积和界面过剩体积。纳米材料也因此具有许多特殊 的性能，如高的弹性模量、较强的韧性、高强度，超强的耐磨性、自润滑性和超 塑性等。由于纳米材料的特异性能，纳米材料有着广泛的应用“。 金属基纳米复合材料( m e t a lm a t r i xn a n o c o m - p o s i t e s ，删n c s ) 是以金属及 合金为基体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强相相结合的复合材料。金属 基纳米复合材料具有力学性能好、剪切强度高、工作温度较高、耐磨损、导电导 热好、不吸湿、不吸气、尺寸稳定、不老化等优点，故以其优异的性能应用于自 动化、航天、航空等高技术领域。各种复合新工艺，如压铸、半固态复合铸造， 喷射沉积和直接氧化法、反应生成法等的应用，促进了纳米颗粒、纳米晶片、纳 米晶须增强金属基复合材料的快速发展，使成本不断降低，从而使金属基纳米 复合材料的应用由自动化、航空、航天工业扩展到汽车工业。1 9 9 5 年福特和丰田 公司开始使用d u r a l c a n 公司铸造的2 0 s i c 颗粒增强铝基复合材料。 1 1 1 金属基纳米复合材料的制备 制各金属基纳米复合材料的方法有机械合金化法( m e c h a n i c a la l l o y i n g ， m a ) 、熔融纺丝( m e lts p u n 。m s ) 法、粉末冶金法( p o w d e rm e t a ll u r g y ，p m ) 、机 械诱发自蔓延高温合成( s e l f p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r es y n t h e s i s ，s h s ) 反应法、真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压法( i n e r tg a sc o n d e n s a t i o n m e t h o dc o m b i n e dw i t hv a c u u mc o e v a p o r a t i o na n di n s i t uc o m p a c t i o n ，i c v c s c ) 等，以下介绍几种金属基纳米复合材料制备方法的优缺点： 1 ) 机械合金化法：工艺简单、增强体分布均匀、增强体体积分数毋f 范围较 大、制品质量较好、产量高、能制备高熔点的金属和合金纳米材料。缺点 是：在制备过程中易引入杂质、晶粒尺寸不均匀、球磨及氧化会带来污染。 2 ) 熔融纺丝法：工艺简单、设备投资少、生产成本较低。缺点是：庐f 有限( 一 般不超过2 0 ) 有界面反应的可能性、增强体分布难达到均匀化、有气孔， 浙江大学硕十学位论文 需二次加工。 3 ) 粉末冶金法：基本上不存在界面反应，质量稳定，矿f 可较高，增强体分 布均匀。缺点是：工艺程序多、制备周期长、成本高、降低成本的可能性 小。 4 ) 真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压法适用范围广、增强体分布均匀、 制品质量好。缺点是：t 艺设备昂贵、产量极低、制造大型零部件有困难， 如冷却工序安排不妥善。可产生明显的界面反应，制备周期较长。 5 ) 机械诱发自蔓延高温合成反应法过程简单、不需要复杂的设备、产品纯 度高、能获得复杂的相和亚稳定相。缺点是：不易获得高的产品密度、不 能严格控制反应过程和产品性能。 6 1 原位反应复合法：成本较低、增强体分布均匀、基本上无界面反应、可 以使用传统的金属熔融铸造设备、工艺周期较短。缺点是：3 - 艺过程要求 严格，较难掌握，增强相的成分和体积分数不易控制。 7 ) 非晶合金晶化法：成本低、产量大、界面清洁致密、样品中无微孔隙、 晶粒度变化易控制。缺点是：只适用于非晶形成能力较强的合金系。制备 会属基纳米复合材料的工艺中应用比较广泛的一种是机械合金化法。 1 1 2 金属基纳米复合材料的特性 金属基纳米复合材料的力学性能主要具有如下的特点：高强度和高韧性，高 比强度和高比模量，抗蠕变和抗疲劳性好，高温性能好，断裂安全性高等。 l 微观结构 w a n g “1 等用超声波气态原子化法( u s g a ) 和热挤压锻造制备了a l 。n i , c e ：f e 纳 米复合材料，研究其微观结构演化、热稳定性和。：( a 1 ) 纳米相生长动力学，发现 原子化粉末的微观结构受基体中溶质过饱和度、隐含微应力、溶质大小、分布状 态和沉积纳米相的体积分数等因素影响：在热的结晶过程中，a ：( a 1 ) 相的沉和 a 1 ，( n i ，f e ) 纳米相的生长优于a 1 l l e e 。纳米相的生长；在2 5 0 3 0 0 时口：( a 1 ) 的晶粒生长需具有1 3e v 的活化能；材料金属丝强度高达1 6 g p a 。c a n t o r 等研 究了t i b 2 h l 。t i h l 复合材料的成核机制。发现在铸造铝合金的过程中初生 a l 晶粒必须小于1 0 0 pm 以确保其各向同性；t ib 2 和a 1 。t i 的加入，可使基体合金 的晶粒细化；纳米尺寸的铝化物( a l 。t i ) 第二相的形成受铝合金中1 0 。6 缴杂质的 影响；纳米级铝化物可改善材料的表面修饰，浸蚀和强度等特性。b e r b o n 等用摩 檫搅动焊接技术( f r i c t i o ns t i r w e l d i n g ，f s w ) 改善了材料的非均相微观结构， 制备了有极高强度的易延展的纳米相铝合金( 如a 1 。，t i f u 和a 1 2 t i ：n i 合金) 。在热 等压条件下复合材料的微结构中，细的金属问化合物( a 1 。t i ) 分散在铝基体中。 2 浙江大学硕士学位论文 2 强度、塑性和断裂韧性 郭”等用t i 0 2 颗粒与铝合金液原位反应制备了a 1 。t i l y ，：复合材料，现：t i 0 2 与l y 。：铝合金液反应后生成约4 0a m 的a l 。t i 颗粒，弥散分布在l y 。：基体合金中， a i 。t i l y ，。界面良好结合，使复合材料的强度、塑性、冲击韧度均比l y 。：铝合金 有显著地提高。 董【6 l 等用气液原位反应合成法制备了a i n ，a 1 2 7 s i 纳米复合材料，其增强相a i n 颗粒尺寸约8 0 r i m 呈颗粒均匀分布于口2 ( a 1 ) 基体晶粒f 1 5 j , a 1 2 7 s i 中的共晶硅主要以 棒状形态分布于o2 ( a 1 ) 基体的晶界上。由于面内生长所形成的细小增强体能阻碍 位错滑移，使材料的强度提高，伸长率降低。a 1 n 的异质晶核作用细化了a l ”s i 的初生盯。( a 1 ) 和共晶硅，使材料在断裂前可承受较大的变形。 李州等用机械合金化方法获得n i a l ( c o ) 纳米晶粉末，经过热压，制备出 n i a l ( c o ) 块体纳米晶材料，其晶粒尺寸约在3 0 0 4 8 0n m ，致密度可达到9 1 以上， 室温压缩屈服强度达到1 2 5 0 1 4 0 0 m p a ，是铸态n i h l 合金的3 1 3 5 倍，室温塑性 良好。有大约l 口的压缩塑性，其中n i 5 0 a l 帅c o 。纳米晶块体材料压缩率可达3 0 而 无裂纹产生；n i 5 0 a l 帅c o 。在9 8 0 高温压缩至1 9 5 无裂纹产生，变形均匀，还发 现含，7 相的n i a i ( c o ) 的双相纳米晶块体材料压缩性能优于单相n i a l ( c o ) 纳米 晶块体材料。 a s a n o ”3 等研究了用热压法制作的y 2 t z p m o 纳米复合材料的静力和动力断裂 韧性，材料的断裂韧性不受加载速度的影响。复合材料含体积分数7 0 的m o ，微结 构显示了一个连续的钼相，表明有高的断裂韧性。x r d 分析断裂面发现在断裂过 程中z r 0 2 没有从四方晶相向单斜晶相的转变，说明材料的断裂韧性的改善是由于 第二相的掺入和微观结构形态的变化。 s e m i a t i n ”1 等研究了a 1 ：t i ：c u 纳米复合材料的翅性流动和断裂行为，纳米微 粒在液氮保护下球磨制备，材料的形变由位错增加和动力恢复来控制，纳米相 a 1 2 t i 2 c u 合金展示了从脆性到延展性的转变行为。制备的纳米相粉末经挤压强化 产生了一种包含两相( 富铝相和a l 。t i 微粒相) 区域和少量单相铝固溶体的复合结 构。脆性行为通过初始化微粒基体界面，然后在名义上的两相区域和单相微结 构之间传播。 3 耐磨性 l u o ”1 等提出添h h t i c 硬质颗粒增强相可大大增女h t i n i 合金的耐磨性，这种 高的耐磨性可能主要受益于合金的拟塑性，而添加纳米t i n 粉末去增强t i c t i n i 基体，发现纳米t i n t i c t i n i 复合材料的耐磨损性优于t i c t i n i 复合材料和硬质 浙江大学硕士学位论文 颗粒覆盖表面的w c n i c r b s i 材料的。 陈“”等用碳纳米管作为增强相制备了镍基复合镀层，碳纳米管均匀地嵌镶 于基体中，且端头露出，覆盖于基体表面，镍基复合镀层具有优良的耐磨性和自润 滑性，可以显著改善金属表面的耐磨和减摩性能。 朱“”等用真空熔烧方法在4 5 号钢表面制备纳米金刚石粉和镍基自熔合金组 成的复合涂层，用扫描电镜和s r v 磨损试验机分析涂层，发现涂层主要由n i 固溶 体和分布于其间的碳化物、合金渗碳体、合金碳化物和硼化物组成：复合涂层的 硬度和耐磨性随着纳米金刚石粉加入量的增多而提高，当复合涂层中添加的纳 米金刚石粉的质量分数在0 8 l o 时，其耐磨性能最好，摩擦因数可减4 * 6 0 。 4 碳纳米管金属基纳米复合材料 碳纳米管具有极高的纵横比( 长径比达1 0 0 1 0 0 0 ) 和超强的力学性能，单壁 碳纳米管的弹性模量理论估计可高达5 t p a ，实验测得多壁碳纳米管的弹性模量平 均为1 8 t p a ，弯曲强度为1 4 2 g p a 。碳纳米管的抗拉强度为钢的1 0 0 倍，密度仅为 钢的l 6 1 7 ，且耐强酸强碱，在9 7 3 k 以下，在空气中基本不发生变化，具有较 好的热稳定性。因此，盘式磨损试验机研究了粉末冶金法制备的多壁纳米碳管增 强铜基复合材料的稳态用碳纳米管增强的金属基纳米复合材料具有极好的力学 性能。王等利用销摩擦磨损行为，发现在低载荷和中等载荷作用下，随着纳米碳 管质量分数的增加，复合材料的磨损率减小：而在高载荷作用下，由于发生表面 开裂和片状层剥落，纳米碳管质量分数高的复合材料的磨损率增高。 董“”等制备的含1 0 1 4 碳纳米管的铜基复合材料，具有较好的摩擦性能。 k u z u m a k i 等用热压热挤工艺制备了碳纳米管增强铝基复合材料，其强度比纯铝 具有更好的热稳定性。金属基纳米复合材料的一些磁学性能如磁化强度、磁化率 等与材料的晶粒大小、形状、第二相分布及缺陷密切相关，而另一些磁学性能如 饱和磁化强度、居里温度等与材料中的相及其数量有关。磁化由2 个因素控制：一 是晶粒的各向异性，每个晶粒的磁化都趋向于排列在自己易磁化的方向：二是相 邻晶粒问的磁交互作用，这种交互作用使得相邻晶粒朝向共同磁化方向磁化。因 此，纳米级磁性材料具有高的矫顽力，低的居里温度，颗粒尺寸小于某一临界值 时。具有超顺磁性等。 5 磁电阻效应 2 0 世纪9 0 年代，人们在f e c u ，f e a g ，f e a 1 ，f e a u ，c o c u ，c o a g 等纳米 结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。1 9 9 2 年美国率先报道c o z a g ，c 0 2 c u 颗粒膜中存在巨磁电阻效应，其效应在液氮温度下可达5 5 ，室温可达2 0 ，但颗粒 4 浙江大学硕士学位论文 膜的饱和磁场较高，而隧道结的饱和场远低于多层膜、颗粒膜以及钙钛矿化合物。 在通常由铁磁薄膜、非磁性绝缘膜所构成的三明治结构，如f e a i ：o j f e 中，a l 。0 3 绝缘层厚度小于l o n r a 。 1 1 3 金属基纳米复合材料的展望 金属基纳米复合材料具有优异的力学性能，并继续向高硬度、高弹性模量、 高屈服强度和低温超塑性等高性能的方向发展。 金属基纳米复合材料具有优异的磁特性，因此在工业上有广阔的应用前景。 利用稀土永磁材料的优异磁性能，将软磁相与永磁相在纳米尺度范围内进行复 合，获得兼备高饱和磁化强度、高矫顽力二者优点的新型永磁材料成为新的发展 方向。由于界面结构和性能对金属基纳米复合材料应力、应变的分布、导热、导 电及热膨胀性能、载荷传递、断裂过程起决定性作用，故用先进的分析技术和手 段深入研究界面的和精细结构界面的反应规律、界面微结构及性能对复合材料各 种性能的影响、界面结构和性能的优化与控制途径以及界面结构性能的稳定性成 为金属基纳米复合材料研究的重要方向。 通过碳纳米管的表面修饰，可制备空腔微结构材料：也可以先打开碳纳米管， 借助碳纳米管的优良合成模板特性，将相应的金属材料填充到碳纳米管的内孔， 从而制备高性能的金属基纳米复合材料。碳纳米管增强金属基纳米复合材料是金 属基纳米复合材料的一种新兴发展方向。 虽然目前一些金属基纳米复合材料的制备工艺仍停留在实验阶段，但随着分 析方法的不断进步、制备工艺的不断成熟和制备成本的不断降低，金属基纳米复 合材料必将以其优良的特性在新材料、冶金、自动化和航空航天等领域发挥更加 巨大的作用。 1 2 热流控制器的研究现状和意义 超精密加工技术是一个国家的战略必争技术，统计表明：在超精密加工领域 由热变形引起的误差占总加工误差的4 0 7 0 ，热已成为制约超精密加工发 展的主要因素之一，特别是随着超精密加工中的功能部件朝模块化、标准化方向 发展，对各功能部件之间联接处热态特性的研究已经体现出其重要性和迫切性， 通过广义热阻探索功能部件之问联接的新理论、新机理并发展这种技术，将会成 为超精密加工领域内一个基础的、关键的热点研究课题。 只要两个相互接触的表面之h j 都会有热量流过，也即表面间通入了一定的热 流密度，这是因为相互接触的表面之间存在接触热阻的效应。接触热阻是接触表 面之问的固有特性。目| 对热流控制是一个非常热的课题，并且已经有热流测试 浙江大学硕士学位论文 状态研发成功，并在航天，军事，精密加工领域获得了广泛应用，但是其响应速 度还比较慢，控制鲁棒性还不够强，因此大大限制了其应用反问。要想控制功能 部件的热传递，现阶段大都是通过研究接触热阻完成的。 控制机床热位移的措施有：改进机床的结构设计、通过强制冷却控制温度、 进行补偿，而针对超精密加工机床，不仅要有优良的结构、合理的冷却系统， 而且必须有相应的补偿措施。目前补偿的方式可以分为两类：1 ) 整体补偿方式。 首先建立超精密加工机床的整体热误差补偿模型，然后进行补偿。由于机床热误 差很大程度上取决于诸如加工条件、加工周期、冷却液的使用、周围环境以及各 模块之间的联接等等多种因素，而且热误差呈现非线性及交互作用，所以仅用无 理规律推导精确的热误差数学模型相当困难，现实中根据最小二乘法、模糊理论 及神经网络等原理，采用系统辨识方法通过实验中得到的有效数据建立一个精练 的数学模型，此模型一致性差，即使采用先进的递推算法进行在线建模以避开一 致性问题，由于采取抓全局放细节的黑箱策略，对不同自由度的补偿精度难以同 时得到较大幅度的提高；2 ) 模块补偿方式。保证超精密加工精度机床进行加工， 基于这点对构成超精密机床的各精密模块分别进行补偿，目前的典型方法是通过 物理分析和实验数据提取，对机床内部、外部热源进行定位及功率估算，然后在 相应模块上有针对性地实施补偿。这样一方面促使各模块成为当前研究的热点， 另一方面使模块之间的联接及耦合的问题得到凸现。 综观目前热补偿技术的研究现状，上述二方面充分反映了当前国际上该领域 的研究水平。整体补偿方面，因硬件涉及面小，补偿相对简单，已获取许多实用 技术，并在超精密机床中得到应用，但需要全方位的进一步提高补偿精度已相当 困难；模块补偿方面，尽管涉及的技术较多，工作量较大，但随着超精密加工的 需要以及当前技术的飞速发展，己体现出巨大的发展潜力，这方面同日本较高的 研究水准相比，国内工作主要体现在一些跟踪性的研究成果上。尽管国内外发达 国家模块补偿方面研究较早，但研究还远远不够，就控制模块的联接所引起热量 传递及耦合问题，研究才冈u n t j 起步。国内外对这方面的研究主要体现在接触热阻 上，如研究模块几何参数、接触压力、接触表面温度、热流方向以及有无中间介 质等因素对接触热阻的影响，总体而言对接触热阻的物理特性及测量方面研究较 多，而控制方面研究较少。由于对超精密功能部件接触热阻的控制主要体现在被 动方式上，因此可控性存在缺陷。 结合超精密加工的特点，热流可控性相当重要，应该是热功能部件研究和发 展的主体。因此在发展热阻被动控制技术的同时，应利用热源或者冷源发展热阻 主动控制技术，弥补被动控制可控性差的技术缺憾，有其重要的学术价值和现实 意义。 近年来，c p u 和半导体功率器件实现快速散热的基于半导体致冷器的热流 6 浙江大学硕士学位论文 主动控制技术得到发展，尤其是零热流控制技术已得到成功应用。这些技术的应 用，不及使单位面积上散热功能大大增强，克服了c p u 和功率器件发热量直线 上升的难题，而且使热流可控。这项热流主动控制技术推广扫清了体积上的障碍； 另一方面，主动控制能耗大，不适合用于精密的热功能部件上。因此，根据低能 耗理念，利用复合结构原理，发展一种兼顾主动控制可控性好和被动控制能耗低 的广义热流控制技术，应用于精密的热功能部件上，必将以其技术优势取得较好 的互补效果。 1 3 本论文的研究内容及安排 综上所述，为了改善超精密加工过程中的热态特性，传统的改善方法是被动 地控制热流，结合国家自然科学基金资助项目( 5 0 4 7 1 0 2 ) 和浙江省自然科学基 金资助项目( m 5 0 3 2 1 3 ) ，故此提出基于半导体致冷器的帕尔帖效应( p e l t i e r e f f e c t ) 的主动控制多维广义热流方式。本文在完成控制系统软、硬件设计的基 础上，建立了基于金属变形体热变形的纳米级进给部件的虚拟样机，开展对主动 热流控制器的不同材料的导热系数、热容量，密度的研究，分析不同的结构、不 同试验条件对热流放大倍数的影响，最终确定了基于金属基复合材料的主动热流 控制器方案。并提出了确定模型参数的方法一分段指数拟合方法，获得热流控制 器的数学模型及传递函数，对热流控制器在不同的输入、不同的空气环境下的特 性进行了分析，并针对在对流系数改变条件下进行了控制策略的研究以及仿真。 具体包括： 第一章，阐述了金属基复合材料的发展现状及应用前景，结合国内外热流控 制的研究现状及国外工业发达国家该技术的发展趋势，提出了本论文的研究内容 和各章节的安排。 第二章，本章在分析热流控制器理论基础后，并结合热量传递的三种基本方 式，简化热传导偏微分方程，通过理论推导建立了基于复合材料的主动热流控制 器的虚拟样机，获得热流控制器的数学模型，并对影响热流变化的各个参数进行 了仿真。 第三章，系统的介绍了以a t 9 1 5 5 8 0 0 a 为核心的控制器的系统软硬件实现方 案。包括a r m 控制器的设计，上位机液晶显示、键盘输入，半导体致冷器应用， 并重点介绍了精密温度测量以及c a n 通信的应用，最后讲述了信号完整性与 e m c 在控制器中的应用。 第四章，本章给出了大量的实验数据和图表，分析了普通型结构热流控制器 和改进型热流控制器的特点，分析了热流放大倍数与不同结构、不同材料、不同 实验条件是相关的，并论证了复合材料的优越性，确定了基于复合材料的改进型 7 浙江大学硕十学位论文 结构的主动热流控制器的最终方案。 第五章，考虑到温度场具有非线性、时滞及模型参数变化的特点，为了建立 比较精确的数学模型，针对多阶指数型函数提出逐级递推的拟合方法。并通过运 用此方法分别确定了普通结构和改进型结构热流控制器的数学模型，对两种不同 结构的动态响应特性进行了研究。 第六章，本章分析了最终方案的主动热流控制器的一些输入特性以及随环境 变化的特性。并采用第五章提出的分段多阶指数拟合方法确定了数学模型和传递 函数，最后针对环境参数改变条件下进行了控制策略研究及仿真。 第七章，对全文进行的全面、系统的总结，展望了下一步的研究工作，并提 出一些设想。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章主动热流控制器的热态特性分析 【本章摘要】本章在分析完热流控制器理论基础后，并结合热量传递的三种基本方式， 通过运用差分法，将热流控制器划分成2 1 6 个单元体，简化热传导偏微分方程，通过理 论推导建立了基于复合材料的主动热流控制器的虚拟样机，获得热流控制器的数学模 型，并对影响热流变化的各个参数进行了仂真。 热已成为制约超精密加工发展的主要因素之一。因功能部件之间联接导致热 量传递复杂并影响加工精度，传统的改善方法是被动地控制热流，称为被动控制 的原因是控制中没有增加热流源或冷流源，此方法虽然热量损耗小但可控性差， 已难以适应超精密加工技术的发展，故此提出基于半导体致冷器的帕尔帖效应 ( p e l t i e r - - e f f e c t ) 的主动控制多维广义热流方式，对于象温度这样大惯性、纯滞 后对象加入热流源或冷流源作为补偿信号，较好的克服了由于热流变化而引起的 温度变化，改善了系统的动态性能，提高了控制精度。 2 1 热流控制器理论基础 均匀物质内存在温度梯度时会导致其内部能量传递矿，根据傅立叶导热定律 西：d e ：一旯爿旦 。 d f西 式中q 是表示在t 时间内传递的热量，导热系数丑是由实验得到的所论物 质的常数，它和温度、压力等其他单位有关。a 的单位是一k 。昙为在面积 蹦 a 的法线方向的温度梯度， 传递热量# a 就得到单位面积传递热量，即热流密度q ，则 口：一五旦! ( 2 - - 1 ) 4 苏 因此，只需要控制热流密度g 就能有效的控制物体内热量的传播，进而控制 物体的整个温度场。 一般来说，金属材料的