（机械电子工程专业论文）生物陶瓷人工关节烧结及加工过程可视化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 生物陶瓷人工关节烧结及加工过程可视化研究以现代计算机技术、信 息技术为基础，综合运用仿真、虚拟现实以及现代材料科学等技术，在计 算机上对生物陶瓷人工关节的设计、制造等生产全过程和制造环境统一建 模，实现人工关节烧结工艺的计算机模拟，直观的显示了烧结条件对生物 陶瓷性能的影响，有利于技术人员控制烧结条件制备出所要求性能的生物 陶瓷；对人工关节数控加工过程进行仿真，免去了试切环节，验证了数控 代码，提高了效率。 利用面向对象方法，这里仅考虑了体积扩散机制单独起作用及表面扩 散与体积扩散机制同时起作用时的两种烧结情况。在进行合理假设情况下 建立了双球模型，给出了氧化铝陶瓷烧结的数学模型及烧结过程中的动力 学方程，并在计算机上进行了模拟。模拟结果与试验结果基本吻合。y 从整个虚拟制造系统的角度出发，研究出了一套数控加工过程仿真的 总体框架在这里，数控仿真是基于数控程序的数控加工过程仿真，数控代 码解释器是这个系统的关键部分。数控代码是驱动整个加工环境运作的执 行依据，是连接虚拟制造系统与数控加工系统的桥梁。目前，还很少有直 接通过n c 代码来驱动仿真加工过程，所以将n c 代码翻译成计算机能够识 别的信息具有非常重要的意义。 关键词。生物嘧瓷烧结计算机模拟数控亩甲真n c 代码解释器 、v k 7、， 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho n v i s u a l i z i n go f b i o l o g i c a l m r a m i ca n m c i a lj o i n ts i n t e r i n ga r i d m a c l l i i l i n gp m c e s s i sb a s e do nm o d e m c o m p u t e r a n di b r n l a t i o nt e c h n o l o g y ， c o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o n ，v ra n dm o d e mm a t e r i a ls c i e n c e ，e s t a b l i s hm o d e lo n c o m p u t e r a i ma tt l l ed e s i g na n d m a c h i n i n gp m c e s sb i o l o g i cc e r a m i ca n i f i c i a l j o i n t ，d i s p l a yv i v i d l y m ee f f c c to n b i o l o g i cc e r a m i cp e r f o n n a n c eb ys i n t e r i n g c o n d i t i o n i ti sp r o p i t i o u st ot e c l l i l i c i a nc o m r o ls i m e r i r 唱c o n d i t i o nt om a k et h e 锄s w e r e db i o l o g i c a lc e r 锄i c t h en c m a c h i i l i n gp r o c e s ss i m u l a t i o no f a n i f i c i a l j o i n tc 锄a v o i d t h et e s t c u n i n gt a c h ea i l dv e r i 母t l l en c c o d e ，s ow o r ke m c i e n c y w i l l b e b o o s t o ow a yh a sb e e n a p p l i e d i nm i s p a p e r a n dt h et w o b a l lm o d e lh a sb e e n e s 妊出l i s h e dm t 1 1 i sp a p e ru n d e rr e a s o n a b l ea s s u m p t i o n i nt l l i sp a p e r ，、ed i s c u s s m a i l l l y “k i n d so fs i n t e r i n gc i r c s t 1 1 a tv o l u m e d i f m s i n gs y s t e mw o r ks o l e l ya i l d s u r f k e - v o l 啪es y s t e mw o r ks y l l c h m n o u s l y w ep r o d u c e t l l em a m e m a t i cm o d e l o f 舢2 0 3 c e 埘n i cs i n t e r i n g 粕dh m t i c e q 嘣o no f s i n t e r i n gp r o c e s s ，a 1 1 d s i m l l l a t en0 nc o m p u t e r t h es i h l u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht e s tr e s u l t s f 妣l 此v r p o i n to fv i 州恤a 删h o rw o f k e do m ac o m p l e t es e to fn c 洲加s y s 胁t h c n c 蛐洲如咖i s b a s e d o n n c p m 眦a n d n cc o d c 缸a 璐l 卸【0 ri s l ek e yp a r to f “s 昭s 胁n n cc o d ei st h e 妣et 0d r i v e m a c b j n j n g e n _ v j r o n m e n li ti sab r i d g ec o n f a c c sv r 谢mn cs i i i l u l 撕o nn o w ，t l l e r ei s r a r e l ys i m l l l a t i o nm a c h i l l i i l gp r o c e s si s “v e nd i 删yb y n c c o d e ，s o 仃a i l s l a t en c c o d ei r l l oi n f o h n a t i o nt l l a tc o m p u t e r c a ni d e n t 蚵i sv c l ys i g n m c a r i t k e yw o r d ：b i o l o g i c a lc e r 锄i cs i n t e r i n gc o m p u t e r s i m m a t i o n n c m a c h i i l i n gs i m u l a t i o n n cc o d et r a n s l a t o r 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 “生物陶瓷人工关节烧结及加工过程可视化研究”来源于“高等院校骨 干教师资助计划”项目。 1 2 课题的研究目的及意义 随着材料科学和医学的迅速发展以及人们生活水平、医疗保健、康复水 平的提高，加之人口的高龄化，人们对人体组织、器官及骨折缺损的修复和 置换等方面的要求日益提高，生物医用材料的研制，尤其是人工骨关节的研 制与需求越来越广泛。近年来，人工关节置换手术作为有效的治疗方法在国 内外得到了广泛的应用，而人工关节的形状以及与股骨腔吻合的程度，是直 接影响人工关节长期稳定性、活动度及人工关节生物力学性能的重要因素。 也是手术是否成功的重要标志【“。 生物医用材料是用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物组织 或器官，增进或恢复其功能的材料。生物医用材料有人工合成材料和天然材 料；有单一材料、复合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而 成的杂化材料。近年来，生物材料的研究与发展取得了令人瞩目的成就，使 得数以百万计的患者获得康复，大大提高了人类的生命质量。用于人工骨、 人工关节、人工种植牙的生物陶瓷的研究是生物医学工程重要研究领域之 一口 应用于生物陶瓷的氧化铝陶瓷材料，与其他金属材料及碳质材料相比具 有许多优点。1 。氧化铝陶瓷具有优良的生物相容性。在人体内呈生物惰性， 其理化性能稳定，在人体内能长期稳定的存在。氧化铝陶瓷的另一显著的特 点是其硬度极高，耐磨性好，在现有的所有人工关节中，陶瓷与陶瓷配伍的 人工关节耐磨性最好，长期使用几乎没有磨损，其磨损碎片极小，对人体几 武汉理工大学硕士学位论文 乎无不良影响。但氧化铝陶瓷人工关节和其他普通陶瓷一样属于脆性材料， 其抗弯强度和冲击韧性较低。现有陶瓷人工关节一般由高纯氧化铝制成，成 型工艺复杂，烧结条件苛刻，成品率较低。 对于生物陶瓷材料，其性能与材料的显微结构( m i c r o s t m c t u r e ) 密切相关。 对陶瓷材料的显微结构的影响直接反映到材料的宏观性能。而烧结工艺又是 制备生物陶瓷的关键工序，由于影响烧结的因素较多，难于控制，为了得到 需要的显微结构和性能材料，以往人们都是采用试验或是经验的方法来调整 和控制这些参数，如果控制得当，就能得到所需要的宏观和微观结构【3 l 。这 样，通过反复试验才能确定烧结条件和环境，不仅效率低，还不能很快适应 市场需求。将计算机模拟方法应用于陶瓷材料烧结研究中，对生物陶瓷的广 泛应用具有重要的现实意义和一定的经济效益。 另外，陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性等优点，但却成了陶瓷部件成型、 制造和加工中的障碍。由于生物陶瓷的这种特性以及不同病人关节的形状和 尺寸不同，给设计和加工带来了很大的困难，限制了生物陶瓷人工关节和人 造骨在临床上的广泛应用1 4 】。将c a d c a m 技术、快速成型制造技术应用于 人工关节和人造骨的设计和制造过程中，不仅可以提高产品的设计质量，缩 短产品的设计周期，而且可以根据不同的病人生产出满足病人关节形状、尺 寸特征的人工关节或人工骨，提高产品一次设计和制造的成功率，为人工关 节的广泛临床应用提供保障。数控加工是c i m s 环境下最能明显发挥效益的 生产环节之一，对生物陶瓷人工关节进行加工仿真，可以保证产品达到很高 的加工精度和稳定的加工质量，生产效率高，准备周期短，可以大大节省专 用工艺装备，适应产品快速更新换代的要求【”。 据统计资料表明，由于近年来关节炎等疾病患者逐年增加，美国每年大 约有5 0 万人动手术将髋部、肩膀、肘和膝盖等部位换成人工关节。日本曾 对生物陶瓷市场进行预测，其年增长率为3 6 ，仅1 9 8 4 年，生物陶瓷人工 骨及人工关节的销售额达六亿四千日元。据国外市场预测：到2 0 0 4 年全世 界仅人工关节市场需要5 0 0 万件，产值预计可达2 0 亿美元；国内市场预测： 2 武汉理工大学硕士学位论文 到2 0 0 4 年人工关节需求将达到6 0 万件，产值人民币6 3 亿元。 1 3 和本课题有关的国内外研究现状分析 国外在将计算机技术应用于生物医用材料的设计与制造方面做了许多 研究工作。美国克莱姆森( c l e m s 0 n ) 大学化学与材料工程学院c a d ，c a m 研究小组目前已利用人体解剖分析技术以及所得到的x 光片、c t 片及其它 诊断工具所得到的信息，进行分析处理并建立数据库，根据病人的具体情况 进行设计、制造、加工人工骨或人工关节，利用数据库为临床医学提供一些 必要的数据和信息。d a y t o n 大学已经正在进行一个称之为“虚拟现实”研 究项目，是将医学上的c t 扫描技术与r p 快速成型技术联系起来，由c t 将病人的骨骼进行逐层扫描后，获得的层状图像传送给快速成型机，并可制 造出与病人骨骼完全一致的模型，这个模型可以用来诊断、治疗以及指导手 术过程的实施等。 上海交通大学在人工关节的设计和制造方面也进行了研究，通过病人的 c t 扫描图使用c o r e l d r a w 进行图像处理，使用p r o e 实现三维重建，并最 后输出快速成型机所需的s t l 格式文件。 利用现代计算机技术和图像处理技术，特别是将快速原型制造技术和 c t 扫描、m r l ( 磁共振成像) 等技术结合，对人体关节c t 断层扫描图片 及x 光片图像进行前期处理及轮廓识别和矢量化处理，然后将其处理结果 传递给人体关节三维重建系统，构造出三维模型，设计出能与患者关节形状 比较吻合的人工关节。快速成型制造技术又在较短的时间内制造出该模型， 甚至随着材料科学的发展，不久的将来可直接采用与人骨有相同力学特性和 组织特性的材料，使快速成型加工出的模型直接用于临床。在计算机上对生 物陶瓷人工关节的设计、制造等生产过程和制造环境统一建模，实现从病人 武汉理工大学硕士学位论文 c t 或x 光片的处理、人工骨关节的三维重建以及快速成型的全过程进行模 拟和仿真。从而缩短了治疗周期，提高了治疗效果，减轻了病人的痛苦。 1 4 研究目标和所解决的关键问题 1 4 1 研究目标 生物陶瓷人工关节烧结及加工过程可视化研究以现代计算机技术、信息 技术为基础，综合运用仿真、虚拟现实以及现代材料科学等技术，在计算机 上对生物陶瓷人工关节的设计、制造等生产全过程和制造环境统一建模，实 现人工关节烧结工艺的计算机模拟，直观的显示烧结条件对生物陶瓷烧结性 能的影响，有利于技术人员控制烧结条件制备出所要求性能的生物陶瓷；对 人工关节加工过程进行仿真，检验数控加工代码并以三维动画的形式显示加 工过程。 1 4 2 本课题所解决的关键问题 对于生物陶瓷人工关节烧结及加工过程可视化研究，主要解决以下几个 方面的问题： ( 1 ) 、建立氧化铝生物陶瓷烧结动力学数学模型； ( 2 ) 、应用面向对象( 0 o ) 编程方法对用于制备人工关节的氧化铝生 物陶瓷烧结进行计算机模拟； ( 3 ) 、通过查阅国内外相关资料，结合本课题的具体特点，对人工关节 数控加工仿真系统进行研究，建立数控加工仿真系统的总体框架：实现数控 代码的解释执行； ( 4 ) 、以c a d 及3 d s m a x 为工具，应用其与s u a l b a s i c 接口，实现人 工关节数控加工过程三维动画显示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第二章氧化铝生物陶瓷烧结工艺 2 1a 1 2 0 3 陶瓷烧结概论 图2 1 烧结示意图 烧结( s i n t e r i n g ) 通常是指在高温作用下粉体集合体( 坯体) 表面积减 少、气孔率降低、颗粒间接触面加大以及机械强度提高的过程。烧结通常被 看成是一种热处理过程，即把粉末或粉末毛坯加热到低于其中基本成分熔点 的温度下保温，然后以各种方式和速度冷却到室温。在这一过程中，发生一 系列物理和化学的变化，粉末颗粒的聚集体变为晶粒的聚集体，从而获得所 需物理、机械性能的制品和材料。烧结示意图如图2 1 所示。 在烧结过程中，主要发生晶粒尺寸及其形状的变化【5 1 。在a 1 2 0 3 陶瓷生 坯中一般有百分之几十的气孔，颗粒之间只有点接触。在表面能减少的推动 力下，物质通过不同的扩散途径向颗粒间颈部和气孔部位填充，使颈部渐渐 长大，并逐渐减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界，并 不断扩大晶界的面积，使坯体变得致密化嘲。在这个相当长的过程中，连通 的气孔不断缩小，两个颗粒之间晶界与相邻的晶界相遇，形成晶晃网络；晶 界移动，晶粒不断长大。其结果是气孔缩小，致密化程度提高，直至气孔相 互不再连通，形成孤立的气孔分布于几个晶粒相交的位置，如图2 1 所示。 这时坯体的密度达到理论密度的9 0 以上，烧结前期到此结束。接着进入烧 结后期阶段，孤立的气孑l 扩散到晶界上消除，或者说晶界上的物质继续向气 5 武汉理工大学硕士学位论文 孔扩散填充，使致密化继续进行，同时晶粒继续长大，一般气孑l 随晶界一起 移动，直至致密化，得到致密的陶瓷材料。此后如继续在高温下烧结，就是 单纯的晶界移动，晶粒长大的过程。晶界长大不是小品粒的相互粘接，而是 晶界移动的结果。形状不同的晶界，移动的情况各不相同。弯曲的晶界总是 向曲率中心移动。曲率半经逾小，移动就越快。在烧结后期的晶粒长大过程 中可能出现气孔迁移速率显著低于晶界迁移速率的现象，这对气孔脱开晶 界，被包裹到晶粒内。此后由于物质扩散路程加长，扩散速率减小等因素， 使气孔进一步缩小和排除变得几乎不可能有所提高，但晶粒尺寸还会不断长 大，甚至会出现少数晶粒的不正常长大的现象，使残留小气孔更多地包到大 晶粒的深处【7 】。 a 1 2 0 3 陶瓷坯体烧结后，在宏观上的变化是：体积收缩、致密度提高、 强度增加。因此烧结程度可以用坯体的收缩率、气孔率或体积密度与理论密 度之比值等指标来衡量。 烧结过程有自动发生的趋势，从热力学观点看，粉末烧结是系统自由能 减少的过程。烧结自由能的降低，是烧结过程的原动力，包括以下几个方面 【8 l ： ( 1 ) 由于颗粒结合面( 烧结颈) 的增大和颗粒表面的平直化，粉末体 的总比表面积和表面自由能减少； ( 2 ) 烧结体内孔隙的总体积和表面积减少； ( 3 ) 粉末颗粒内晶格歧变的消除。 简单来说，表面和界面自由能以及晶格歧变能的降低是烧结的主要动 力。 高纯氧化铝粉末烧结时，高温作用下，粉末接触面的原子发生扩散， 有更多的原子进入原子作用力范围，形成粘结面，随着烧结进行，粘结面扩 大而形成烧结颈，使原来的颗粒界面变成晶粒界面，而且随着烧结的继续进 行，晶界可以向颗粒内部移动，导致晶粒长大，其间伴随着气孔的演变。 综上所述，氧化铝陶瓷烧结的具体过程大致可以分为三个界限不十分明 武汉理工大学硕士学位论文 显的阶段。 ( 1 ) 烧结初期：即粉粒结合阶段，粉粒接触处出现局部烧结面，即所 谓“颈部长大”，但没有出现明显的晶粒生长或瓷体收缩的时期。在这一阶 段，颗粒内晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，整个烧结体不发生体积 变化，密度增大极微小。但烧结体的强度和导电性由于颗粒结合面增大而有 明显增加。 ( 2 ) 烧结中期：传质过程加快，颗粒之间的气态孔隙由于表面扩散而 外形圆化，并以连通的棱管状态存在于坯体之中。原子向颗粒结合面的大量 迁移使烧结颈扩大颗粒间距缩小；颗粒内部出现结晶成核和晶粒聚合长大现 象，在结晶过程开始，晶粒生长使晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方， 孔隙大量消失。这一阶段陶瓷坯体通常出现明显的收缩，密度和强度增加。 ( 3 ) 烧结后期：瓷体密度达到9 5 后，由于烧结时颗粒长大，致使坯 体中之气孔相互分隔而孤立开来，气孔主要存在于晶粒混合处或晶粒之中。 小孔不断消失，孔隙数量减少。继续烧结，多粒汇合处的气孔通过晶界扩散 到烧结体外，陷入晶粒内部的气孔通过体积扩散直接排出烧结体或就近扩散 到晶界，再由晶界扩散出去。这一阶段可以延长很长时间，但是仍会有少量 残余小孔不能消除。 烧结的三个阶段相对长短主要由烧结温度决定：温度低，可能仅出现第 一个阶段，温度越高，第二和第三阶段出现的越早。生产中，在连续烧结时， 第一阶段通常出现在升温过程中完成。 a 1 2 0 3 陶瓷的烧结，可以分成固相烧结、液相烧结。高纯物质在烧结温 度下通常无液相出现，属固相烧结，如高纯氧化物的结构陶瓷大多是通过固 相烧结成瓷的。另外，根据有无外加压力，把烧结分成无压力烧结和加压烧 结两大类。本文所讨论的氧化铝陶瓷烧结属于固相常压烧结。 烧结是一个不可逆过程，烧结后系统将转变为热力学更为稳定的状态。 烧结过程除了要有推动力外，还必需有物质传递过程，这样才能使气孔 逐渐得到填充，使坯体由疏松变得致密。许多学者对烧结过程中物质传递方 武汉理工大学硕士学位论文 式和机理进行了大量的研究，提出了许多种见解；目前主要有四种看法：( 1 ) 蒸发和凝聚；( 2 ) 扩散；( 3 ) 粘滞流动与塑性流动；( 4 ) 溶解和沉淀。实际 上烧结过程中的物质传递现象非常复杂，不可能用一种机理来说明一切烧结 现象，多数学者认为，在烧结过程中，可能有几种传质机理在起作用，但在 一定条件下，某种机理占主导地位，条件改变，起主导作用的机理有可能随 之改变。 a 1 2 0 3 陶瓷原料在高温下挥发性小，其物质主要通过表面扩散和体积扩 散进行传递，烧结是通过扩散来实现的。烧结体的收缩率、强度、密度、电 阻以及其他性能的变化常用来判断烧结的程度。 对于氧化铝烧结的热力学原理，在烧结理论发展的早期就已形成比较明 确和统一的看法，但定量研究的结果还是很少，如，基于晶格结构、晶体缺 陷、质点扩散等原子或离子为着眼点的烧结模型理论的烧结模型理论，必须 对真实的材料做大量的简化与近似【9 】。包括假定材料不含杂质、各项通行、 被烧结粉粒均属等径球状等。固理论分析条件与客体实际情况之间存在着较 大的差距，难于获得理想的结果。 2 2 烧结机构 烧结过程中，颗粒表面上发生的量与质的变化以及烧结体内孔隙的球化 与缩小过程都是以物质迁移为前提的。烧结过程存在各种各样的物质传递机 制。固态球形颗粒表面与它的颈部( 见图2 2 ) 区域之间化学势的差只提供 了一个物质传递的推动力。物质传递的途径通常认为有表2 1 的一些形式。 图2 2 烧结传质路径示意图 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 可能的传质途径 图示号传质路径物质来源物质抵达的部位 a表面扩散表面颈部 b 晶格扩散表面颈部 c蒸发凝聚表面颈部 d晶界扩散晶界颈部 e晶格扩散晶界颈部 f晶格扩散位错颈部 2 3 氧化铝陶瓷的烧结工艺【1 0 l 纯氧化铝陶瓷实际上是很难烧结的，其烧结温度通常在1 7 0 0 _ _ 2 0 0 0 。c ， 且往往需要热压、气氛或真空条件。为了改善氧化铝的烧结性能、降低烧结 的温度，常根据不同的要求加入不同类型和不同剂量的添加剂，以便降低烧 结温度，促进烧结。 因为氧化铝陶瓷烧结后硬度较高，机械加工困难，所以其主要的机械加 工工艺应放在烧结前进行。冷等静压成型后的坯体强度不够高，为了使陶瓷 坯体本身具备一定的强度，以利于烧结前的坯体加工，预烧是一种有效的方 法。 因为氧化铝陶瓷的晶型不同，结构也不相同，性能各异，而最为稳定的 是q a l ：0 3 。因此，利用a 1 。0 。制成一a 1 。0 。必须进行预烧。预烧的目的，是 使y a l 。0 。全部转变为a a 1 ：0 3 ，减少烧成收缩。此外，预烧还可以排除a l 。o 。 原料中的n a 。0 提高原料的纯度，从而保证产品的性能。 实验表明，预烧温度为1 1 5 0 0 c 时能为坯体提供足够的加工强度，预烧 后的坯体能很方便地进行磨削加工。这里采用的预烧升温制度： 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 ；湖 髫伽 0 23 l 5 时间【小时) 图2 - 3预烧升温制度 室温一1 5 0 0 c ：升温速度为2 0 c ，m i n ，缓慢的升温以有利于坯体中的水分排 出，不至发生剧烈的干燥收缩以致坯体断裂。 1 5 0 0 c 一6 0 0 0 c ：升温速度为2 3 0 c ，m i n ，在此温度区间内，成型剂的氧 化、分解，升温速度不宜过快。 6 0 0 0 c 一1 1 5 0 0 c ：较快速的升温，升温速度约为5 0 c ，m i n ，在此温度区间快 速升温有利于节约能源。 在陶瓷材料的制备工艺中烧结是对最终制品的组织和性能有着决定性 影响的工序。氧化铝陶瓷的烧结工艺按烧结过程的特点常可分为：常压烧结、 真空烧结、氢气氛保护烧结、热压烧结、热等静压烧结以及复合烧结等。本 课题研究的对象，考虑生产成本，选取了条件要求最低的烧结方式：常压烧 结，配合适当的添加剂，在适当烧结速度的情况下，制备所需的氧化铝微晶 生物陶瓷。最终的烧结温度控制在1 1 5 0 0 c 1 6 0 0 。c ，保温时间一般两个小 时( 所用烧结设备为g m e 一7 2 1 6 硅钼棒电炉) 烧结升温制度见图2 4 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 p v 倒 赠 1 6 0 0 1 2 0 0 8 0 0 4 0 0 0 时间( 小时) 图2 - 4 烧结升温制度 室温一1 l5 0 0 c ：升温速度为5 0 c m i n ，经过预烧后的坯体在此区间内较快 升温，节约能源。 “5 0 0 c 1 6 0 0 0 c ：升温速度为2 0 c m i n 。烧结过程已经开始控制致密化的 速率，有利于气孔排出。 1 6 0 0 7 c ：保温两小时，使晶粒间的反应进行得更加完全，通过一定的保 温时间，提高坯体的致密度。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章a i ：0 3 陶瓷烧结的计算机模拟 3 1 烧结过程计算机模拟现状 烧结过程是一个十分复杂的过程，建立烧结的定量模型时，一方面，所 使用的固相粉粒的形状是各种各样的，尺寸也存在一个较大范围的分布，在 烧结传质过程中对粉粒几何形状变化的假设不能完全反映实际烧结中的几 何形状的变化。另一方面，烧结时多种烧结机构、多种影响因素同时存在， 这种“混合”的机理难以用单一的简化模型来描述l l ”。此外，还有不少复杂 的因素使模型更加难以定量化，如由于工艺参数的变化，可以使传质机理也 相应地发生变化，微量外加剂或材料中某些杂质常常使问题更加复杂化，他 们对烧结过程有重要的影响。另外，烧结中后期，晶粒的生长过程目前仍较 难找到定量的动力学方程，基本上处于定性描述或半定量描述状态1 12 1 。 通过模型法对烧结过程作基本研究时，通常是先拟定出能和所设烧结模 型相适应的物质流方程( 即扩散方程) ，再经过必要的运算推导而求得相关 的颈长方程。目前这方面的工作有不少，但除少数情况外，还不能和大量数 据普遍地相互适应，原因是模型作了太多简化。计算机对烧结过程的模拟， 大体上停留在初期烧结( 即粉粒结合) 阶段，并考虑一到两种机理，采用双 球模型，仅考虑等温烧结【1 3 】。 3 2 烧结动力学方程的建立 3 2 1 氧化铝陶瓷烧结模型的建立 l 、氧化铝陶瓷烧结模型的基本假设 为使分析、计算简化，本文对氧化铝陶瓷烧结模型做了以下假设： ( 1 ) 假设坯体中粉粒均为相互紧密接触( 相切) 的等径小球； ( 2 ) 忽略其各向异性； ( 3 ) 忽略升温、降温过程中的温度变化，以及实际中可能存在的温度 波动与温度梯度，认为是理想的等温过程； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 各种杂质的存在与化学不均匀性也不考虑。 2 、烧结模型如图3 1 所示，为双球模型。 3 2 2 表面扩散机制【1 4 i 见图2 2 中的a 。表面扩散可以在较低的温度下发生，通过粉粒表面层 的原子扩散来实现物质的迁移，在更高的温度下则逐渐被体积扩散所取代。 按照近代的原子扩散理论，表面扩散的机制主要是空位扩散，空位扩散的激 活能比间隙扩散的激活能低得多。 图3 1 表面扩散烧结示意图 在粉粒不同的曲率表面上，原子的空位浓度或化学势不同，空位将从凹 面向凸面或从烧结颈的负曲率表面向颗粒的正表面迁移，原子则相应地反向 移动，填充凹表面和烧结酬15 1 。如图3 1 所示，在两粉粒的接触处( 烧结颈) 有较高的空位浓度，因而与颗粒表面存在浓度差。使空位不断向颗粒表面扩 散。 假定表面扩散是在烧结颈的一个原子层中进行的。图3 - 1 中，r 为粉粒 半径，x 为烧结颈，p 为颈部曲率半径( p x ) ，从图的几何关系可以得 出如下近似关系： p ：苎三。三二 y ：兰王爿：2 瓜艿( 3 一1 ) 2 ( 厂一耐2 ， 2 ， v 为颈部体积，a 为颈部表面积，6 为原子直径。颈部和粉粒凸面的空 穴浓度差可用下式表示： 武汉理工大学硕士学位论文 堕：一旦娑( 3 2 ) px 1 秽 y 为粉末材料的表面张力，q ( = 63 ) 为一个空位( 或原子) 的体积， k 为波尔兹曼常数，t 为绝对温度，口为材料平表面的空位浓度。传质时， 根据f i c k 定律，颈部体积增长的速率可表示为： 华：一d ? 箜爿q ( 3 3 ) d i 3 d d ? 为空位表面扩散系数，它与原子表面扩散系数d 。有以下关系： 以= 硝c ? q ( 3 4 ) 把式( 3 - 2 ) 和( 3 4 ) 及其它各式代入式( 3 3 ) 中，并积分，可得颈部烧 结速率方程： l ：型f( 3 5 ) 可见，表面扩散烧结颈大小与时间的1 ，7 次方成正比。对于表面烧结颈 部生长和时间的关系，不同研究者的看法略有不同，基本上与l 7 接近。 3 2 3 体积扩散机制 对于待烧结的a 1 2 0 3 粉料而言，两个球状颗粒粉料接触处的颈部是凹 面，表面自由能最低，因此容易产生空位，空位浓度最大，可以说颈部是个 空位源1 6 】。另外，晶粒内部的刃型位错和颗粒表面也可视为空位源。空位 由空位源通过不同的途径向浓度较低的地方扩散并消失掉。使空位消失的地 方为空位阱。空位的扩散途径如图3 - 2 所示 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 2 空位扩散途径示意图 + 表示空位的体积扩散表示空位的表面扩散 由此可见，从颈部到晶粒内部存在着一个空位浓度梯度，这样物质可以 通过体积扩散、表面扩散和晶界扩散向颈部作定向传递，使颈部不断长大， 从而逐渐完成烧结过程。 体积扩散机制见图2 2 中的途径e ，两粉粒受压处的质点通过体扩散达 到颈部，完成传质过程。传质的机制是受压处和颈部存在空位浓度差，这类 烧结过程将使烧结体发生收缩，所以，对于双球模型，可以假设其几何特点 如图3 3 所示，图中两个球状颗粒相交的平面是晶界，烧结过程中，两粉粒 粒心距将缩短1 1 7 】。 图3 一体积扩散烧结示意图 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 从简单的几何关系可以得出，颈部曲率p 、颈长鼻、颈部表面积a 、颈 部体积v 之间有如下近似关系： p = 斋y = 等爿= 譬 e ， 设颈部长大速率以d v d t 表示，t 为烧结时间，j 为单位时间沿颈部圆 周单位长度上空位向晶界扩散的扩散流密度，由空位的扩散速率等于颈部体 积长大速率，得到： 鲁- ( 2 蒯h m 3 。_ 7 其中 瑚等 式中卜自扩散系数 口0 晶格常数 同理，根据扩散流和颈部生长的关系，有如下表达式： 警= 卅等一。 浯s ， 其中，d ? 为空位体积扩散系数，它与原子体积扩散系数域有如下的关 系： d ，= 硝c ? q c p 为空位浓度差，与( 3 2 ) 式相同。 间之间的关系： ；= 掣， ( 3 9 ) 同理可得烧结颈部半径和时 ( 3 1 0 ) 上式就是由体积扩散控制的烧结前期之颈部长大速率方程。d 。为原子 体积扩散系数，其余各项意义与前相同。 粒心距收缩的速率可以由d ( x 2 2 r ) ，出给出，利用式( 3 1 0 ) 可得体积 蝴取 等：警叫筹尸，” 武汉理工大学硕士学位论文 在实验中，测定x r 较困难，故常用线收缩来代替m 3 。可以看出，体 积扩散控制下的早期烧结，其烧结颈的生长和时间的l 5 次方成正比。 3 2 4 综合烧结机理 考虑两种烧结机理，即上述表面扩散和体积扩散机理，此时，在空位浓 度差的作用下，颗粒接触的受压处和颗粒的凸面同时向颈部传质，颈部体积 增长率为两种扩散流之和“”： ( 粤) 。，：一群垒笠一，q 一硝垒曼彳，q ( 3 一1 2 ) a l 尸p 相应烧结速度方程可表示为下式： ( 矿( 参+ ， c s 啦， 由式( 3 5 ) 和( 3 1 0 ) 求得其微分方程式，代入式( 3 1 3 ) 中，得： 驾：旦坠壁+ 堡芝 ( 3 1 4 ) 、斑h l 口x jk t 令 小辈以：塑型 1 x t 2 d 。 则对( 3 一1 4 ) 式积分可得： 导一竽坤钟州培咖叫 。1 5 3 3 氧化铝陶瓷烧结收缩率 在氧化铝陶瓷制造过程中，收缩率( 简称收缩) 是一项关键参数，工 艺设计人员根据收缩来计算湿坯尺寸( 进行坯胎制作) 或成瓷尺寸或白坯 尺寸【2 0 】。但因陶瓷烧结过程中影响因素的复杂性，使得陶瓷烧结的每个阶 段的收缩率各不相同，而线收缩率的提高又导致陶瓷密度的提高。 坯体干燥水分大量失去，体积有缩小的现象。将干燥过的坯体进行灼 烧，则在烧成过程中产生了一系列的物理化学变化，其易溶组分生成玻璃 武汉理工大学硕士学位论文 态填充于颗粒之间，因而使制品产生很大的收缩。 为烧成收缩。从成型至烧结后的收缩成为总收缩。 其相互关系为【2 l 】： s s ( 干燥线收缩) 2 与 1 0 0 s s ( 烧成线收缩) 3 i 手1 0 0 s ：( 总线收缩卜生 1 0 0 前者为干燥收缩，后者 以上三种收缩的算式及 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 或 s s ( 烧成线收缩) 2 素岳誓l o o ( 3 - 1 9 ) s ：( 总线收缩) = ! ! ! ；孟型e + 足 ( 3 - 2 0 ) 式中l o 刚成型的试样长度 l l 干燥后的试样长度 1 2 烧成后的试样长度 对收缩较大的坯料，在干燥及烧成过程中常发生弯曲、歪扭等缺陷， 影响了线收缩测定过程中量度上的准确性，因此常采用体积法来测定其收 缩情况，然后按下式换算成线收缩百分率圆。 线收缩百分率= ( 1 一j l 一笪墼堂；：兰坌塑) l 。 ( 3 2 1 ) 氧化铝陶瓷烧结的线收缩率公式见( 3 1 1 ) 。 3 4 氧化铝陶瓷烧结的计算机模拟 本文分别对表面扩散、体积扩散和混合机制作用下的初期烧结进行了计 算机模拟。氧化铝陶瓷的烧结是由负离子扩散控制的，当它还在原子气氛中 烧结时，晶体中的氧从表面脱离，从而在晶格表面产生很多氧离子空位，使 0 _ 2 扩散系数增大，导致烧结过程加速”。表l 是不同气氛下a a 1 2 0 3 中o - 2 武汉理工大学硕士学位论文 离子扩散系数和温度的关系。“。 表3 1 不同气氛和温度下，_ a l ：0 3 中矿离子的扩散系数1 0 。1 1 ( c m 2 s ) 1 4 0 0 1 4 5 0 1 5 0 0 1 5 5 0 1 6 0 0 氢气 0 8 0 92 3 67 12 5 17 5 空气 一 o 2 9 72 71 9 74 9 3 4 1 计算机模拟结果 根据上述数学模型，在计算机上进行模拟，忽略其它影响因素，分别作 出了在烧结初期不同粉粒粒径、不同温度对氧化铝陶瓷烧结程度影响的计算 机模拟。其结果见图3 4 至图3 1 5 。 在氧化铝陶瓷的烧结中，主扩散机制仍为氧空位扩散，扩散系数通常有 如下的形式o ”； d = d 0e x p ( 一q 灯) ( 3 2 2 ) d 口为频率因子。q 为扩散激活能。k 为波尔茨曼常数，t 为温度。文献 2 5 认为对未掺杂的化合物，d 。可估计为( 1 0 一l o ”) ，这里取为1 0 ，表3 1 列出了a i ：0 ，在不同温度下的氧空位扩散系数，根据这些数据可求得氧空位 平均扩散激活能。烧结中，决定a i ：0 3 烧结速率的实际上是扩散较慢的阳离 子的扩散系数d v ，所以可以将阳离子的扩散激活能q 定为氧空位产生和扩散 激活能的和。一般原子表面扩散系数要比体积扩散系数大几个数量级“”，在 这里简单的取为1 0 0 0 d 。根据文献 1 1 的测定结果，普通氧化物固体表面张 力一般在1 0 j m 2 左右，参考此值，将a i ：0 3 的表面张力y 取为0 9 5 j m 2 ，据 此做出了a i ：0 。烧结的计算机模拟，结果如图3 4 至图3 1 5 。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5 计算机模拟结果( 表面扩散机制) 附：d = 0 3umd 5 = 0 3umd 6 = o 3 5umt = 1 2 0 0 图3 7 计算机模拟结果( 体积扩教机制) 附：d i = 0 1 “m d 2 ：o 2 “d 3 = 0 z 5 p mt _ 1 2 0 0 2 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 9 计算机模拟结果( 体积扩散机制) 附：d t - 0 5umd 。= 0 6umd 9 = 1 oumt = 1 2 0 0 2 2 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 1 计算机模拟结果( 表面扩散机制) 附：t = 1 2 5 0 t 5 - 1 3 5 0 t 6 = 1 4 0 0 d = o 3 5um 2 3 茎堡婆三奎堂堡圭兰堡堡壅 图3 一1 3 计算机模拟结果( 体积扩散机制) 附：t 产1 2 5 0 t 5 = 1 3 5 0 r = 1 4 0 0 d = 0 3 5um 2 4 望墅兰燮堡圭兰堡堡苎 r 一 】( ，r v s t i m e 图3 1 4 计算机模拟结果( 混合扩散机制) 附jt = 1 3 5 0 图3 一1 5 计算机模拟结果( 混合扩散机制) 附：d = 0 3 5um 2 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 2 结果分析 图3 4 至图3 9 所示为1 2 0 0 下不同粉粒粒径烧结的模拟结果；图3 4 至图3 6 为仅考虑表面扩散的情形；图3 7 至3 9 为仅考虑体积扩散的情形： 图3 一1 0 至图3 1 3 为粒径为0 3 5pm 的粉粒在不同温度下烧结的模拟结果： 图中对于只考虑体积扩散机制的情形的模拟结果中较低的曲线是坯体线收 缩模拟结果；图3 1 4 至图3 1 5 为表面扩散机制与体积扩散机制同时起作用 时的计算机模拟结果。分析以上图示可得到如下结果： ( 1 ) 烧结刚开始时，颈部增长很快，接下来曲线渐渐变得平缓。这是因 为烧结刚开始时，颗粒接触的颈部曲率半径最小，以后随着颈部长大，曲率 半径逐渐变大，扩散传质的驱动力减少，所以增加太长的烧结保温时间对烧 结过程的意义不大； ( 2 ) 粉粒直径对烧结有重要的影响。由图示可知，同一保温时间，粉粒 直径越小，其颈部增长越大，可见烧结体所用的原始粉粒尺寸必须加以严格 的控制； ( 3 ) 对比体积扩散和混合扩散机制的模拟结果，二者主要区别在于颈部 生长的时间指数上，体积扩散机制下，颈部增长率与时间成1 5 次方的关系， 混合扩散机制下，接近一条直线，说明考虑了两种扩散机制后，烧结开始阶 段颈部生长更快，这是很容易理解的，因为增加了表面扩散机制后，同一时 间内向颈部传递的物质量更多了，时间长后，因为曲率半径差别的变小，两 种传质过程均慢下来； ( 4 ) 为考察温度对烧结初期的影响，取温度1 3 5 0 作另外一组模拟结 果，结果如图3 1 0 至图3 一1 5 所示：与1 2 0 0 相比较，可以看出烧结温度 对颈部增长率有较大的影响。温度高，生长快，这是因为扩散系数、空位浓 度都随温度增高而增高； ( 5 ) 随着粒径的增大，烧结速度仍然下降，但曲线平坦多了，表明初始 粉粒粒径太大，对烧结是很不利的。 武汉理工大学硕士学位论文 综合考察上述图示可知，原料粉体粒度是否合适对烧结十分重要。粉粒 尺寸过大，烧结颈普遍较小，粉粒之间结合度很低，延长烧结时间或提高烧 结温度也无法达到很好的烧结效果：粉粒尺寸过小，粉粒之间迅速结合成大 的烧结颈，烧结速率很大，随时间延长和温度升高，粉粒快速结合生长，这 对烧结质量有不良的影响；粉粒尺寸适中，从烧结颈可以看出，粉粒结合的 程度适中，颈部生长的速率也较合适，有利于促进氧化铝陶瓷的后续阶段的 烧结。以上计算机模拟结果完全符合文献 3 与文献 1 0 所给出的实验结论， 这就充分的证明了本论文所建立的数学模型及动力学方程是正确的、可行 的。 再来看一下图3 7 、3 8 、3 9 、3 1 2 、3 1 3 中的l l o 的情况，它的变 化情况与x ，r t 类似，根据文献 2 2 】可知，由于原料性质不同，总线收缩波 动于5 2 0 之间，烧成收缩则为2 8 ，与本论文模拟结果基本吻合。再 一次证明了所用数学模型的正确。提前预知材料的烧结收缩给人工关节的 机械加工带来很多好处，既降低了成本，又提高了工作效率。 本论文所研究的a i ：0 。陶瓷烧结的计算机模拟方法，可以根据需要进行 不同条件下的模拟，应用范围较广。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章生物陶瓷人工关节数控加工技术 与其它材料相比，陶瓷材料强度高，耐磨性好，化学稳定性和耐蚀性好。 因而在人工关节上得到应用。用于人工关节的高纯o a 1 2 0 3 陶瓷是近于惰性 的生物陶瓷，强度大、硬度高、摩擦系数小、磨损率低( 较其它材料至少小 1 2 个数量级) ，主要制作人工关节头和臼等。但a 1 2 0 3 与其它陶瓷一样，韧 性低、脆性大，陶瓷全髋关节尚未广泛应用的主要原因是陶瓷人工关节的加 工难度大。人工关节可以用数控机床加工，但对于关节的复杂部位，由于数 控程序的复杂，还是用手工完成的，这样不仅增加了劳动强度，而且也难保 证关节的加工质量，利用计算机仿真技术，将关节的加工过程预先显示出来， 不仅可以检验数控加工程序，免去试切这一环节，而且大大提高了工作效率， 保证了加工精度，从而降低了成本。我们这里主要讨论生物陶瓷人工关节的 数控加工过程仿真。 所谓仿真，就是用模型代替实际的系统进行的试验和研究，它包括两个 最基本的步骤即建模和试验。建模包括抽象出实体的形式，抽象出系统 的基本特征和各个实体的属性或特点，以及这种实体所从事的活动，系统可 能发生的状态等。 4 1 应用背景 加工零件的n c 代码在投入实际的加工之前通常需要进行试切，以检验 n c 代码的正确性和被加工零件是否达到设计要求。这一过程周期长、成本 高、劳动强度大，而且占用了加工设备的工作时间【2 6 j 。对加工关节来说则 周期更长。采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境并对加工 过程进行仿真分析可以帮助设计人员在实验室就可以检查关节制造中的问 题，以部分或者完全取消试切环节，从而减少设计和制造周期和费用f 2 7 1 。 利用仿真器还可以检查数控加工中出现的各种危险，如存在刀具与毛坯、夹 武汉理工大学硕士学位论文 具、工