（机械电子工程专业论文）陶瓷基复合材料注凝成型设备的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数低、热膨胀系数 低、耐化学侵蚀性好等特点，在树脂基和金属基复合材料不能满足性能要求的工 况条件下可以得到广泛的应用，因此是结构复合材料中最活跃的研究领域。晶须 增韧陶瓷基复合材料，是2 0 世纪8 0 年代继纤维增强、增韧材料之后发展起来的 一类新型材料，具有很高的弹性模量和强度，能有效地补强、增韧。近年来，这 种材料发展迅速，成为高技术陶瓷研究开发的一个前沿领域。 陶瓷基复合材料注凝成型技术是上世纪9 0 年代由美国首先发展起来的一项 新技术，是目前材料学中较活跃的研究领域。这种技术成本底，产品质量高，具 有产业化应用前景。本课题通过对低成本成型技术和方法的研究，旨在设计一种 具有产业化应用前景的晶须增韧陶瓷基复合材料的成型设备，具体的研究内容及 成果包括： ( 1 ) 增韧材料在陶瓷基体中的均匀分布是制备高质量陶瓷基复合材料的关 键。本文参照搅拌与混合设备的设计原则，设计了一种合理的陶瓷浆料搅拌设备， 并根据流体力学理论，利用计算流体力学软件f l u e n t 对搅拌槽内部流场进行了数 值模拟，应用m r f 方法求解了稳态条件下的搅拌槽流场，模拟并比较了不同桨型、 不同桨径、不同桨叶离底高度下的流场以及这些不同工况对搅拌功率的影响，并 参照模拟结果对搅拌设备进行结构优化，得到合适的尺寸及搅拌桨选型。 ( 2 ) 陶瓷浆料的流动性较差，本文设计了合理的真空系统，应用负压引流技 术成功地解决了这一问题，并设计了结构简单的振动装置及加热系统与成型器连 接，从而保证成型的顺利进行，得到高质量的成品。 ( 3 ) 陶瓷基复合材料制备过程中，要对搅拌电机的转速、工作流程、成型过 程中的加热温度、偏心轮转速等物理量进行控制。本文以三菱可编程控制器为主 控设备，转速调节由p l c 控制变频器实现，温度控制系统由测温元件、温度变送 器、可控硅电压调整器组成，工作流程的控制由p l c 控制设备上的相应电磁阀的 启闭实现。 关键词：陶瓷基复合材料， 注凝成型，设备， f l u e n t ，p l c 硕士学位论文 a b s t r a c t c e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t ei sw i d e l yu s e df o rt h es i t l l a t i o nw h i c hr e s i nm 砌xo r m e t a l l i cm a 仃i xc o m p o s i t ec a nn o ts u i tf o ri t sf e a t u r eo fh e a tr e s i s t i n g ，w e a rr e s i s t i i l g ， e l e v a t e dt e m p e r a t u r ec r e e pr e s i s t i n g ，l o w c o e f n c i e n to fh e a tc o n d u c t i v i 吼l o w c o e m c i e n to ft h e n n a le x p a n s i o n ，c o r r o s i o nr e s i s t i n g a sar e s u l t ，i ti sm em o s ta c t i v e r e s e a r c hf i e l do fs t m c t i l r em a t r i xc o m p o s i t e t h ew h i s k e rt o u 曲- s t r e n g t h e n i n g c e r 锄i cm a t r i xc o m p o s i t ew a sd e v e l o p e di nt h e8 0 so ft h e2 0 t hc e n t l l r y n sak i n do f n e wm a t e r i a l st h a td e v e l o pa r e rm ef i b e r - s t r e n g t h e n i n ga n dt o u 曲一s 仃e n 舀h e n i i l g m a t e r i a l ，w h i c hh a sv e 巧h i 曲e l a s t i cm e n s 时a 1 1 dt h ea b i l i t yt oe i l l l a l l c es 缸i e n 舒h 锄d t o u g l l l l e s se f r e c t i v e l y i i lr e c e n ty e a r s ，i ti sd e v e l o p e dr a p i d l y ，w h i c hh a sb e c o m et h e 仔o n t i e ro ft h er e s e a r c ho 仆i 曲一t e c hc e r a m i c t h es h a p i n gt e c l l i l o l o g yo fi n j e c t & c o n g e a lo fc e r 锄i cm a 仃i ) 【c o m p o s i t ew a s o r i g i i l a t e di nt h eu s a i nt h e9 0 sl a s tc e n t u r y i t st h em o s ta c t i v ef i e l do f t h es t u d y o fm a t e r i a li nm o d e mt i i l l e s i t sak i n do ft e c l l i l 0 1 0 9 yw i t hl o wc o s ta i l dh i 曲q u a l 咄 w h i c hs t a n d st 1 1 ec h a i l c e0 fi n d u s 仃i a l i z a t i o np r o d u c t i o ni l lt h en e a r 缸t u r e a n e q u i p m e n to fh l d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c t i o n mt h en e a r 如t u r ei s s u p p o s e dt ob e d e s i 弘e db yt 1 1 es t u d y0 nl o w c o s ts h 印i n gt e c l l l l o l o g yi 1 1t h i sp a p e r 1 1 1 er e s e 2 u r c ha i l d a c h i e v e m e n t sc o n c l u d e ： ( 1 ) t h eu n i f 0 舯i t ) rd i s p e r s i o no ft o u 曲一s t r e n g t h e n i n gm a t e r i a l si 1 1 t h ec e r 舭l i c b a s ei st h ek e yt op r o d u c ec e r 锄i cm a 缸i ) ( c o m p o s i t e so 仆i g l lq u a l i 够aa p p r o p r i a t e s t i r r i n ge q u i p m e n tf o rc e r a m i cs l u i t yi sd e s i g n e da c c o r d i n gt om ed e s i g np r i n c i p l eo f s t i 盯i n ga i l dm i x i l l ge q u i p m e n t ；廿l e nb a s e do nm ep r i i l c i p l eo ff l u i dm e c h a n i c s ，t h e f l o wf i e l di 1 1 s i d et h es t i l l r e dt a r 出i sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yu s i n gt l l ec f dp a c k a g e f l u e n tw i t hm em e t l l o do fm i t fi 1 1t 1 1 es t e a d ys t a t e t h es i m u l a t i o ni n c l u d e st h e c o m p a r i i l go f t h ef l o wf i e l di 1 1t h ec o n d i t i o n so f d i f r e r e n ts t i i t i n gp a d d l et y p e ，d i f r e r e n t s t i n i n gp a d d l ed i 锄e t e r ，d i f i e r e n td i s t 锄c et ot 1 1 eb o t t o ma n dt h ee 行e c tt om es t i 丌i n g c a p a c i t ) ，f a c t o ri nn l e s ed i f l e r e n tc o n d i t i o n s a c c o r d i i l gt 0t l l es i i n u i a t i o nr e s u l t ，t h e a b s t r a c t s t n j c t u r eo ft h ee q u i p m e n ti so p t i m u l l ld e s i 朗e da n dt h eb e s ts u i t a b l es t i 玎i 1 1 9p a d d l ei s s e l e c t e d ( 2 ) a st h ef l o w i n gq u a l i 够o ft h ec e r 锄i cs l u r 叮i sb a d ，as u i t a b l ev a c u 啪s y s t e m i s d e s i 盟e dt os o l v e st h i sp r o b l e mb yu s m gs u c t i o np r e s s u r ec o n d u c t i o nt e c l l l l i q u e b e s i d e s ，as i m p l es h a l ( i n gd e v i c ea n dah e a t i n gs y s t e ma r ed e s i g n e di nt h es h a p i n g m a c h i i l et oa s s u r a n c et h es h a p i n gp r o c e s sa n dg e tt h ep r o d u c t i o nw i mh i 曲q u a l i 够 ( 3 ) d u r h l gt h ew o r k i n gp r o c e s s ，s o m ep h y s i c a lq u 锄t i t i e sl i k et h er o t a t i o ns p e e d o fm i x i i l gs h a f ta n de c c e n t r i cw h e e l ，t h et e m p e r a t u r eo ft h eh e a t i n gs y s t e m ，w o r k i n g t i m en e e dt ob ec o n 仃o u e d t h em i t s u b i s h ip l ci su s e da st h em a i nc o n t r o l l e r - t h e r o t a t i o ns p e e di sa d j u s t e db y 行e q u e n c y c o n v e r t e rc o n t r o l l e db yp l c t h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mi s c o m p o s e do ft i l e m o m e t r i ce l e m e n t ，t e m p e r a t u r e 仃i m s d u c e r ， s i l i c o n c o n 仃o n e dr e c t i f i e r t h ew o r k i n gp r o c e s sc o n t r o li sa c h i e v e db yu s i l l gp l c c o n t r o l l i n gt h em o t i o no fe l e c t l - o m a 印e t i cv a l v e so nm em a c h i n e k e y w o r d s ：c e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e ；i 巧e c t & c o n g e a ls h a p i n g ；e q u i p m e n t ； f l u e n t ：p l c 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究背景 陶瓷基复合材料是8 0 年代逐渐发展起来的新型材料，由于它具有耐高温、 耐磨、抗高温蠕变、导热系数低、热膨胀系数低、耐化学侵蚀性好等特点，在树 脂基和金属基复合材料不能满足性能要求的工况条件下可以得到广泛的应用，因 此是结构复合材料中最活跃的研究领域，广泛应用于机械加工材料、耐磨材料、 高温发动机燃烧室及连接杆、航天器保护材料、高温热交换器材料、高温耐蚀材 料、轻型装甲材料、分离或过滤材料等。1 1 。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作 结构材料使用时缺乏足够的可靠性，因而改善陶瓷材料的脆性己成为陶瓷材料领 域亟待解决的问题之一乜1 。改善陶瓷材料脆性的方法主要有粒子弥散增韧、氧化 锆相变增韧和晶须或短纤维增韧哺1 。要研制出性能优良的高韧性陶瓷基复合材料 必须解决三个问题：一是增韧材料在陶瓷基体材料中的均匀分散，二是在陶瓷基 复合材料的制备过程中增韧材料不受损伤，三是陶瓷基复合材料的相容性和控制 适度的界面结合。这些问题对陶瓷基复合材料的成型工艺及其设备提出了极高的 要求，所以开发新型可靠的成型工艺及设备，保证增韧材料在基体中均匀分布， 减轻增韧材料的损坏对制备高质量的陶瓷基复合材料至关重要= 3 棚。 本课题为江苏省高校省级重点实验室开放课题，由南京工业大学机械学院申 请，与本校材料学院共同合作。本课题要求研制出低成本成型技术和方法，获得 一种具有产业化应用前景的高韧性陶瓷基复合材料的制备技术及其设备，要求成 型工艺简易，设计出的设备结构简单，易于控制，能用于制备多种形状及规格 的材料，便于工业化推广。 1 2 国内外成型工艺研究现状 陶瓷是一门粉体科学技术，国内外现行的成型方法可分为干法和湿法两大 类。其中干法成型主要方法是干压成型。湿法成型方法较多，主要有：注浆成型、 挤压成型，流延成型、热压铸成型、注射成型、原位凝固胶态成型等。由于湿法 成型的陶瓷料是由陶瓷原粉料和其他介质( 水，有机物等) 组成的胶态体系，因 此，湿法成型也可以称为胶态成型h 9 1 。 1 2 1 干压成型 干压成型又称模压成型，是将粉料填充到模具内部后，通过单向或双向加压， 第1 章绪论 将粉料压成所需形状。这种方法操作简便，生产效率高，易于自动化，是最常用 的方法之一。但干压成型时粉料容易团聚，胚体厚度大时内部密度不均匀，制品 形状可控精度差，且对模具质量要求高，复杂形状的部件模具设计比较困难。干 压成型的粉料含水量应严格控制，一般应干燥至含水量不超过1 2 ( 质量分 数) 为宜。干压成型过程中为了改善胚料的流动性，通常要加入各种有机粘合剂， 这些粘合剂的加入量对瓷料的强度、电性能等都有很大的影响。 1 2 2 胶态成型 陶瓷基复合材料胶态成型方法较多，与干法成型相比，可成型大尺寸、复杂 形状的部件，并且特殊的胶态成型工艺可以很好地控制成型过程中部件内部的各 种杂质( 夹杂物、团聚物等) ，制备出高可靠性的陶瓷部件。胶态成型的主要生 产工艺过程为：陶瓷原料与介质的混合一成型( 凝固) 一排除介质一千燥一烧结 u 。由于选用的介质不同，成型凝固的机理不同，各种胶态成型方法差别很大， 并且不断有新的成型方法。 ( 1 ) 几种传统的胶态成型： 注浆成型是一种最古老的成型工艺，是在石膏模中进行的，即把一定浓度的 浆料注入石膏模中，与石膏相接触的外围层首先脱水硬化，粉料沿石膏模内壁成 型所需形状。采用注浆成型时浆体应在高固体含量的同时粘度要低，浆体的悬浮 性可通过调整各自组分的p h 值，使晶须与基体粉末带同种电荷的高z e t a 电位实 现。由于这种工艺可成型形状相当复杂的制品，而越来越多地被引入精细陶瓷的 制造中。如近年来用注浆成型法成型形状复杂的发动机陶瓷部件。但是，注浆成 型制出的坯体脱蜡时间过长( 数天) ，脱出物对环境有污染，且很难成型大尺寸 的陶瓷部件。 流延成型与注浆成型类似，不同之处在于所成型的制品形状、尺寸及溶剂排 除方式不同。它是将超细粉中混入适当的粘合剂制成流延浆料，然后通过固定的 流延嘴及依靠浆料本身的自重将料浆刮成薄片状流在一条平移转动的环形钢带 上，经过上下烘干道，钢带又回到初始位置时就得到所需的薄膜坯体。该方法的 优点是生产效率高，易于连续自动化生产，但其通常只能成型薄板部件且该工艺 对有机溶剂的选择比较敏感，同时含水量及水质对料浆流变性、坯体密度、产品 部件的拉伸强度均有较大的影响1 ，9 1 刎。 2 硕士学位论文 挤压成型又称挤制或挤出成型，是利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤 出，模具形状就是成型胚体的形状。一般短柱状、纤维状、空心管状体及厚板状 胚体等沿挤出方向外形平直的制品均可采用此方法。这种方法要求陶瓷粉料具有 可塑性，即受力时具有良好的形变能力，而且要求成型后粉体能保持原形或变形 很小。目前这种工艺已用于a 1 ：o 。钠蒸灯管、蜂窝状触媒载体及m g o 真空管等的 成型。美国a r g o r h l e 国家实验室采用此法制出了超导材料“。该方法生产效率 高、产量大、操作方便，但不适合制备复杂形状部件。挤压成型是在挤压机上进 行的，一般分为卧式和立式挤压机两种。前者用于挤压比较大型的瓷棒或瓷管； 后者用于挤压小型瓷棒或瓷管。 、 热压铸成型是将粉料与蜡或有机高分子粘合剂混合后，加热使混合物料具有 一定的流动性，然后将混合料加压注入模具，冷却后即可得到致密的较硬实的坯 体。这种方法适用于形状比较复杂的部件，易于工业规模生产，缺点是坯体中的 蜡含量较高，烧成时排蜡周期长，薄壁且大而长的制品易变形弯曲。 注射成型是把陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到的混合物在注射 机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出胚体。成型时间数 十秒，然后经脱脂可得到致密度达6 0 的素胚体。其主要有点是适合大批量生产 陶瓷部件，且大批量生产时成本可很低，成品的最终尺寸可以控制，一般不必再 修整，易于经济得制作具有不规则表面、孔道等复杂形状的制品，但脱脂时间长 是其最大缺点且不适于大尺寸部件的成型1 9 ，1 0 1 2 。 压力渗滤成型是在注浆成型基础上发展起来的，它的基本过程是将陶瓷浆料 通过静压输入多孔模型腔内，让液态介质部分通过多孔模型壁排出，而使陶瓷颗 粒固化成坯体。压力渗滤成型是在湿态直接成型，因为不经过干燥，可避免一般 工艺中发生的超细粉团聚和重力再团聚现象，并可获得较高的生胚密度。这种方 法特别试用于晶须或纤维补强的复合材料的成型。但这种工艺过程控制难度较 大，并且在制备实心大截面陶瓷胚体时，由于滤阻力大及压力损失等问题，易使 胚体产生密度不均匀9 1 训。 ( 2 ) 原位凝固胶态成型 随着陶瓷工业的发展及其在现代工业领域中应用的不断扩大，传统的胶态成 型方法因其或多或少的缺点已经不能市场的需要，特别是陶瓷材料烧结后很难进 3 第1 章绪论 行机械加工，故陶瓷研究者一直在寻求复杂形状陶瓷元件的净尺寸成型方法，9 0 年代出现的原位凝固胶态成型的技术很好的解决了净尺寸成型的问题。原位凝固 胶态成形工艺与其它胶态成形工艺的区别在于凝固技术的不同：原位凝固颗粒在 悬浮液中的位置不变，依靠颗粒之间的作用力或者悬浮液内部的一些载体性质的 变化，从而使悬浮体从液态转变为固态。在液态变为固态的过程中坯体没有收缩， 介质的量没有改变，所用的模具为非孔模具。它的基本原理是胶体稳定性的d l v o 理论，依靠颗粒在介质中稳定存在的静电稳定机制和空间稳定机制。目前原位凝 固胶态成形工艺主要包括以下4 种：凝胶注模成型工艺、直接凝固注模成型( d c c ) 工艺、温度诱导絮凝成型工艺、胶态振动注模成型工艺。 凝胶注模成形技术( 注凝成型) 是由美国橡树岭( 0 a kr i d g e ) 国家实验室 r 1 1 j a n n e y 和0 m a t e t e 教授发明的一种新颖的陶瓷净尺寸成形技术“”。该技术首先 将陶瓷粉料分散于含有有机单体和交联剂的水溶液或非水溶液中，制备出低粘度 且高固相体积分数的浓悬浮体( 5 0 ) ，然后加入引发剂和催化剂，将悬浮体注入 非孔的模具中，在一定的温度条件下，引发有机单体聚合，悬浮体粘度剧增，从 而导致原位凝固成形。其工艺过程如图卜1 。凝胶注模成形亦可称为注凝成型， 凝胶注模成形可分为水溶液凝胶注模成形和非水溶液凝胶注模成形2 种，前者适 用于大多数成形场合，后者主要适用于那些与水发生化学反应的材料体系。国内 主要研究了a a 1 ：o 。及z r 0 。( 3 y ) 一a 1 ：0 。复相陶瓷的凝胶注模成形工艺；重结晶碳 化硅陶瓷凝胶注模成形工艺；p c r b s c 凝胶注模成形工艺；粘土、长石一石英系 r 1 1r 1 1 硅酸盐泥浆凝胶注模成形工艺u “。谢志鹏等。用琼脂糖凝胶大分子在水溶液中 加热时溶解、冷却时凝固的物理变化的特性进行了涡轮转子等多种形状复杂陶瓷 部件的制备，已取得了进展。这种凝胶成形方法的优点是有机物添加量少( 质量 r 1c 1 含量约1 ) ，且无任何毒性和污染。谢志鹏等“利用尿素作为氢键阻断剂，阻止 热明胶溶液冷却至室温时的凝胶化转变，待球磨、真空除泡等工艺操作完成后， 再加入尿酶使尿素分解，则明胶大分子重新获得形成氢键能力，完成凝胶化转变。 4 硕士学位论文 图卜1 凝胶注模成型工艺流程图 f i g 1 一lp r o c e s sd i a 野珊o f g e lc a s t i i l g 厂司 1 _ j i 回 图卜2 直接凝固注模成型工艺流程图 f i g 1 - 2p r o c e s sd i a g r a mo fd d c 直接凝胶注模成形工艺是1 9 9 4 年由瑞士苏黎士联邦高等工业学院的 g a u c k l e r 教授及其研究小组提出的一种新颖的制造高可靠性陶瓷的胶态净尺寸 r 1 1 原位凝固成形工艺“。该成形工艺的方法为调节水基悬浮液的p h 值或加入少量 分散剂或反絮凝剂以保持颗粒间足以分散的静电排斥作用力，制备成低粘度高固 相含量的陶瓷浓悬浮体( 体积分数 5 0 ) ，然后将浆料从室温冷却至o 一5 摄氏度， 加入生物酶和底物，将悬浮体升温至2 0 5 0 摄氏度，酶的活性被激发，与底物发 生作用使悬浮体内部p h 值调节至等电点或增加悬浮体的反离子强度，使颗粒间 的排斥能下降，范德华吸引力增加，颗粒发生团聚，悬浮体的粘度剧增，从而原 位凝固。其工艺流程如图卜2 。该方法凝固后的坯体十分均匀且没有收缩，可形 成足以脱模的湿坯。湿坯经干燥后，烧结成所需各种陶瓷材料及制品。谢志鹏等 r 1 1 怕u 通过在a a 1 ：o 。浓悬浮体中加入微量的质量分数为o 0 2 的离子型淀粉后，增 加生坯强度( 由o 0 0 5 肝a 提高至0 0 1 4 肝a ) 。在a a l ：0 。浓悬浮体中加入微细的 a 1 0 0 h 胶粒，也可在一定程度上提高a a l 。0 。的生坯强度。司文捷8 1 利用尿素酶催 化尿素水解，增加浆料中n h 4 + 和h c o 。一的浓度，改变氮化硅及碳化硅在水中的胶 态行为与表面特性，采用直接凝固注模成形方法，使s i 3 n 4 。及s i c 陶瓷浆料凝固。 温度诱导絮凝成型( t e m p e r a t u r ei n d u c e df l o c c u l a t i o n ) 工艺是由瑞典的表 r 1 1 面化学研究所的b e r g s t r o m 教授发明的一种胶态净尺寸原位凝固成形的工艺“”。 第l 章绪论 该技术将陶瓷粉料在有机溶剂( 戊醇) 中加入分散剂( 聚酯类型) 以制备高固相体 积分散的浓悬浮体，分散剂的一端牢固地吸附在颗粒的表面，另一端伸向溶剂中， 起到空间位阻稳定的作用。该分散剂在溶剂中的溶解度随着温度的改变而变化。 随着温度降低至零下2 0 摄氏度，其分散功能失效，悬浮体颗粒团聚，粘度升高， 从而原位凝固。其工艺流程如图卜3 。 图卜3 温度诱导絮凝成型工艺流程图卜4 胶态振动注模成型工艺流程 f 逸1 3p r o c e s sd i a g 均mo ft i ff i g 1 4p r o c e s sd i a g r a mo fc v c 胶态振动注模成型( c 0 1 1 0 i d a lv i b r a t i o nc a s t i n g ) 是1 9 9 3 年由加州大学 r n l s a n t a b a r b a r a 分校f f l a n g e 教授发明的一种胶态成型方法。，这种成型方法 适于连续化，全封闭生产，减少外部杂质的引入，可成型复杂形状的陶瓷部件， 其工艺流程图如图卜4 所示。其成型原理是在固相体积分数在2 0 左右的陶瓷悬 浮液中加入电解质，使反离子浓度大于临界聚沉离子浓度，水合后的反离子不再 与颗粒紧密吸附，静电排斥力完全消失，颗粒间的水化排斥力与范德华引力共同 作用使颗粒形成一个非紧密接触的网络结构。这时颗粒处在一个较浅的势阱当 中，颗粒间的吸引力也由于水化排斥力的作用而减弱，这时的悬浮液呈一个不能 流动的密实结构。如果在外力的作用下( 如振动等) ，它可以转变为流动态，采用 压滤或离心的办法使悬浮体形成密实的结构，使固相体积含量增高至 5 0 。再采 用振动的办法，使其由坚实态变为流动态，然后注入设定形状的模腔中，当浆料 静止后它又变为密实态，湿坯经烘干后成为有一定形状的坯体w 1 制。 6 硕士学住论文 1 3 结论及分析 传统的陶瓷成型方法，如热压铸成型、注射成型、注浆成型等，在精细陶瓷 制品中都有不同程度地得到应用，但远满足不了高性能陶瓷的要求，因此各种新 的成型方法不断出现，在这些新成型方法中，净尺寸胶态成型方法特别引人注目。 上文提到的4 种原位凝固胶态成型方法，从它们的工艺流程图就可知，首先得到 高度分散的胶态浆料是它们的共同特点，也是随后工序获得高固体含量浆体或坯 体的关键所在，同时利用这种胶体( 浆体) 的稳定性除去大颗粒和团聚体、杂质 等，从而有效地控制材料的显微结构，减少材料内部的各种缺陷，提高材料的力 学性能及使用可靠性。这些胶态成型方法不仅达到了净尺寸，而且能成型复杂部 件，坯体固体含量高，工艺过程短，烧结体的气孔率低，精度高，所需设备少， 过程可靠，成本低，是高性能陶瓷成型发展的新趋势憎。根据新型成型技术的原 理和要求，并借鉴传统成型设备的设计方法，设计新型的成型设备也是急需解决 的问题。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题针对陶瓷基复合材料注凝成型的原理及工艺特点，着重于新型成型设 备的开发设计、性能的优化研究等，主要研究内容如下： ( 1 ) 搅拌器内部流场的数值模拟。利用计算流体力学f l u e n t 软件对搅拌器内 部流场进行数值模拟，通过对搅拌器内部各点流速分布的计算来研究搅拌效果的 好坏。 ( 2 ) 搅拌装置设计。通过对晶须、短纤维的分散与复合粉料的制备工艺参数 的研究，自行设计出具有优良分散能力的机电一体化分散装置，应用该装置在流 化态条件下能使s i c 晶须或a l ：o 。短纤维均匀地分散到陶瓷基体材料中。 ( 3 ) 真空系统及成型装置的设计。设计出合理的真空系统，应用负压引流技 术，将搅拌器内物料导入成型器内以克服物料较差的流动性；并设计结构简单振 动装置与成型器连接以解决物料成型过程中流动性差的问题。 ( 4 ) 设备控制系统的设计。应用p l c 控制器对设备工作流程以及工作时的转速、 温度时间等物理量进行控制。 7 第2 章搅拌罐内部流场的数值模拟 第2 章搅拌罐内部流场的数值模拟 陶瓷基复合材料注凝成型工艺要求搅拌过程得到成分均匀的浆体，这是该工 艺的关键步骤。经典搅拌理论认为，在搅拌条件下，流体达到一定速度后，质点 呈紊动状态运动，紊动越剧烈混合越充分，最佳的搅拌效果应使搅拌器内部空间 各点有均匀的流速，避免形成超饱和区域或是低饱和区。因此，对搅拌槽内部流 场的流场特性研究对于搅拌设备的结构设计，搅拌器选型以及后期的设备放大问 题有很好参考价值。 五十年代前后，根据流体力学和传质原理，应用层次分析和相似理论，奠定 了液体搅拌的理论基础。然而，搅拌设备内存在着复杂的流动现象，相似论方法 不能触及复杂过程的本质，因此始终不能满意地解决搅拌槽系统的设计和放大问 题。因此，对搅拌设备的设计和放大目前仍主要依赖于经验。搅拌理论的进一步 发展，取决于对搅拌系统内湍流现象的研究。湍流理论已使人们窥测到混合过程 的本质。最近几十年，不断采用新的研究方法和实验技术，使理论研究取得相当 的进展。目前虽然还不能建立新的搅拌理论体系，但某些最新的研究成果已为更 合理的设计与放大方法提出了有价值的指导原则。 实验研究方面，l d v p i v 测量技术的应用能够提供一些重要参数，如排量准 数、时均速度和脉动速度的分布等，但其测量是在某一测点处一段时间内进行的， 所测速度是时均定量值，通过对设备内每一点的测量可以得到整个流场，但由于 这些测量不能同时进行，因此不能用于研究非稳态流动，所以该方法不能从本质 上认识混合与流动幢剐。另外，测量搅拌设备内流场的实验装置一般都很昂贵，而 且流场测量是相当费时的工作；有时受到实验条件的限制，对某些搅拌设备的流 场是无法用实验方法测得。因此，采用计算流体力学( c f d ) 的方法，来模拟和 预测不同几何尺寸和操作条件的搅拌设备中的详细的流动和混合特性是流体混 合技术的发展趋势。c f d 方法通过建立各种条件下的基本守恒方程，加上数值计 算理论，从而实现预测各种真实过程的场的分布。把c f d 技术应用到搅拌设备的 设计中，较传统的经验设计方法有着极大的优越性。通过c f d 软件，可以直观的 显示发生在搅拌槽搅拌进行过程中流场的流动现象，进而分析流场产生的机理， 为实验提供指导，节省实验的人力、物力和时间。 硕士学位论文 2 1 搅拌罐内部流场与动力性能的c f d 模拟研究与进展 2 1 1 计算流体力学( c f d ) 方法简介 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s ，简称c f d ) 是一个涉及多种 领域的交叉学科，是在经典流体力学、数值计算方法和计算机技术的基础上建立 起来的方法。c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、 能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。它的基本思想可以归结为：把原来在 时间域及空间域上连续的的物理场，如速度场、温度场和压力场，用一系列有限 个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散 点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 求解过程的基本思路和工作步骤如图2 1 所示。 是 i 图2 1c f d 求解流程 f i g 2 1s o l v ep r o c e s so fc f d 9 第2 章搅拌罐内部流场的数值模拟 经过数十年的发展，c f d 出现了多种数值解法，这些方法的主要区别在于对 控制方程的离散方式的不同。根据离散原理的不同，c f d 大体上分为三个分支： ( 1 ) 有限差分法( f d m ) ：它将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替 连续的求解域，然后将偏微分方程( 控制方程) 的导数用差商代替，推导出含有 离散点上有限个未知数的差分方程组。求差分方程组( 代数方程组) 的解，就是 微分方程定解问题的数值近似解，这是一种直接将微分问题变为代数问题的近似 数值解法。该方法发展较早，比较成熟，但使用范围相对较窄。 ( 2 ) 有限元法( f e m ) ：它将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单 元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理( 变分或加权余量法) ， 将问题的控制方程转化为所有单元的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值 之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该 方程组就得到各节点上待求的函数值。它吸收了有限差分法中离散处理的内核， 又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的合理方法，是两种方法相互 结合、取长补短发展的结果。其使用范围广泛，但其求解速度比较慢，因此，在 商用c f d 软件中应用并不普遍。 ( 3 ) 有限体积法( f v m ) ：它又称为控制体积法，基本思路是将计算区域划分为 一系列网格并且使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解微分方程 对每一个控制体积积分得出离散方程。有限体积法的基本思想易于理解，并能得 出直接的物理解释。有限体积法是目前c f d 中应用最广泛的一种方法，大多数商 用c f d 软件都采用这种方法。 为了方便用户使用复杂的c f d 求解过程处理不同类型的工程问题，商业软件 往往将c f d 过程集成，通过一定的接口，让用户快速地输入问题的有关参数，通 过可视化窗口和用户界面来求解问题所有的商用c f d 软件都包括三个模块：前处 理( p r e p r o c e s s i n g ) 模块、求解( s o l v e r i n g ) 模块以及后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 模块。前处理模块主要负责建立描述问题的几何模型，输入各种必需的参数，最 后由软件自动生成网络；核心求解模块将根据前处理过程所生成的模型网格、所 选的数值算法、边界条件和初始条件等进行迭代求解，并输出计算结果；后处理 模块通常是对数据结果，如速度场、温度场、压力场等，进行图形显示、数据描 述以及动画处理。 l o 硕士学位论文 2 1 2 搅拌罐内部流场的数学模型及处理方法 ( 1 ) 控制方程 c f d 方法的基本思想是把原来在时间域及空间域上连续的流场用一系列有限 个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的准则和方式建立起关于这些离散 点上流场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得流场变量的近似 值。 c f d 可以看作是在流动基本控制方程下对流动的数值模拟，这些方程包括连 续方程、动量方程和能量方程： 安+ 咖( p 乙) ：o 掣+ 挑( 乏) ：咖( 矿口幽) 一窆+ 瓯 ( 2 1 ) d f 出 竽+ 咖( 云) ：咖以口咖) 一罢+ 母 ( 2 2 ) d f咖 亟碧+ 咖( p 说) ：咖( 口训一罢+ 瓯 ( 2 3 ) o io z 丝婴+ 挑( p 劢) ：咖( 土矿口刃) + 品 ( 2 4 ) o t c 其中，p 为密度，为动力粘度，t 为时间，t 为温度，p 为压力，k 为传热系 数，c 口为比热容，u 、v 、w 为速度矢量材的三个分量，瓯、鼠、& 为广义源项， 墨为粘性耗散项。 ( 2 ) 湍流模型 湍流运动是一种高度非线性的复杂流动。总体而言，目前的湍流数值模拟方法可 以分为直接数值模拟和非直接数值模拟。直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a l s i 咖l a t i o n ，简称d n s ) 是指在湍流尺度的网格内直接求解瞬态n a v i e r s t o k e s ( n s ) 方程，d n s 的最大好处是无需对湍流运动作任何简化或近似，理论上可以得 到相对准确的计算结果。这种方法仍处于发展初期，目前的应用范围有相当大的 局限性，对计算机内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法用于真正意义 上的工程计算，仅用于某些特定的简单流动。非直接数值模拟是不直接计算湍流 的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。对于工程中的多数 第2 章搅拌罐内部流场的数值模拟 湍流运动，人们仍注重于进行近似模拟。 目前主要的非直接模拟有大涡模拟方法( l e s ) 、基于r e y n o ld s 平均法( r a n s ) 的涡粘模型和r e y n o id s 应力模型、统计平均法。涡粘模型又可分为零方程模型、 一方程模型、两方程模型，r e y n oid s 应力模型则又可分为雷诺应力模型( r s m ) 和代数应力模型( a s m ) 。 对于低粘度物料来说，搅拌反应器内的流场以湍流为主，对于这种高度非线 性的复杂流动形式，需要对瞬态的n s 方程( 动量方程) 作时间平均处理。r a n s 中的两方程模型是目前在搅拌反应器流场模拟中应用最广泛的一种湍流模型，其 主要包括标准七一占模型、r n g 尼一s 模型、r e a i iz a bie 七一占模型，这些模型主要 是针对充分发展的湍流来建立的，也就是说，这些模型均是高雷诺数的湍流模型。 标准七一占模型先求解湍流动能k 方程和湍流耗散率占方程，然后用得到的k 和g 的值计算湍流粘度鸬，再把湍流应力表示成“的函数，最后根据b o u s s i n e s q 涡粘假设得到r e y n o i d s 应力的解，从而使r e y n o i d s 时均化方程组封闭。标准后一s 模型在求解流动问题时的控制方程包括：连续方程、动量方程、能量方程、k 方 程、s 方程及“方程。 r n gj j 一s 模型是根据重正化群( r e n o r m a iiz a t i o ng r o u p ) 理论，在标准尼一g 模型的基础上发展起来的改进形式。这种模型的k 和占的方程与标准七一占模型的 比较相似，但是r n g 七一f 模型通过对粘度项的修正体现了小尺度的影响，考虑了 平均流动中的旋转及旋流情况，因此可以更好地处理流线弯曲程度较大的流动。 相对于标准七一占模型，r n g 尼一g 模型主要做了以下改进： ( a ) 在已方程中增加了一个附加项，使得在计算速度梯度较大的流场时精度 更高； ( b ) 模型中考虑了旋转效应，因此对强旋转流动的计算精度也得到提高； ( c ) 模型中包含了计算湍流p r a n d ti 数的解析公式，而不像标准七一s 模型仅 用了用户定义的常数； ( d ) 标准七一s 模型是一个高雷诺数模型，而r n g 七一g 模型在对近壁区域进行 适当处理后，可以适用于低雷诺数情况。 基于以上优点，本文使用r n g 七一占模型对搅拌反应器的流场进行数值模拟。 ( 3 ) 流场模拟的处理方法及研究进展 1 2 硕士学位论文 从数值模拟的角度来看，模拟搅拌罐内部流场的一大难题是如何处理好运动 的桨叶和静止构件如挡板、罐壁等之间的相互作用。为解决这一问题，许多学者 提出了不同的处理方法：“黑箱 模型法、内外迭代法、多重参考系法、滑移网 格法、大涡模拟法。 “黑箱 模型法是1 9 8 2 年h a r v e r y 瞄叫首先采用的。其特点是计算时将搅拌桨 看作是一个“黑匣子”，把搅拌桨扫过的区域( 桨叶区) 从计算域中除去，同时桨 叶的作用被虚拟化，用时均的速度参量和湍流参量来代替实际的桨叶对流体的作 用，边界条件所需的数据一般靠实验方法获得。“黑箱 模型法的优点是稳态算 法，计算工作量小，不需要考虑桨叶部分的网格，处理简单。但还存在很大缺陷， 边界条件的确定离不开实验数据，一种桨叶区边界条件只能用于与实验条件几何 相似的体系，另外使用这种方法不能得到桨叶区流动的细节问题。受这些条件的 限制，c f d 仍然不能成为完全独立的模拟工具，还需要定的实验工作来配合。 内外迭代法将计算域分开考虑，即将计算域分成内环和外环两个重叠部分。 内环包括运动的搅拌桨，外环包括静止的挡板等部件，内环的计算在以搅拌桨速 度旋转的参考系内进行，外环的计算在静止坐标系下进行。通过在两个区域之间 的交替迭代计算，最终获得一个收敛结果。王卫京u u 等利用内外迭代法对 r u s h t o n 涡轮有挡板搅拌槽进行了整体数值模拟，并同实验数据进行比较，结果 基本吻合。孙海燕副用改进的内外迭代法对r u s h t o n 桨搅拌槽内的气液流动进行 了数值模拟。内外迭代法比“黑箱”模型法有很大进步，不再需要实验数据，实 现了搅拌槽内流场的整体模拟，而且对某些搅拌桨流场的计算取得了成功，证明 了这种方法完全可以用于搅拌槽流场的模拟。但这种方法在计算时仍然需要试差 迭代，收敛速度较慢，因此这种方法没有被商业软件采用。 多重参考系法是由l u o u 驯于1 9 9 4 年提出的。这种方法是一种稳态流场的计算 方法，其思想与内外迭代法相同，即采用两个参考系分别进行计算，不同的是多 重参考系法划分的两个区域没有重叠的部分，不再需要内外迭代过程。两个不同 区域内速度的匹配直接通过在交界面上的坐标系转换来实现，因而使计算变得更 加简单。多重参考系法的优点是实现了搅拌槽内流场的整体数值模拟，不再需要 实验辅助；其次，它是一种稳态算法，计算工作量小。w e e t m a u l u 刮利用该方法计 1 3 第2 章搅拌罐内部流场的数值模拟 算了a 3 1 0 搅拌桨的流动场。n a u d e