（机械电子工程专业论文）竹陶瓷砂轮的电化学性能及新型elid磨削液的研究.pdf

删1 1 l i | 1 1 l | | ! 1 1 1 i i l l | i i l l l f f | | i | y 17 7 6 2 2 3 c h n o l o g y s t u d yo ne l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c e o fb a m b o oc h a r c o a lb o n d e dg i u n d i n g w h ee la n dn e we l i dg r i n d i n gf l u i d c a n d i d a t e ：b a o g o n gg e n g a d v i s o r ：p r o f w e il i c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y m a y 2 0 1 0 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 名：哥锄 嗍年川目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 。f 一 2 、不保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙，护年莎月日 日期勿矿月日 竹陶瓷砂轮的电化学性能及新型e l id 磨削液的研究 摘要 随着电子、机械、光学等行业的快速发展，对于单晶硅、不锈钢、硬质合金等硬脆材 料的加工表面质量及加工效率提出了越来越高的要求。这些硬脆材料一般均由研、磨、抛 加工完成，其中可实现高效率、超光滑表面加工的e l i d 超精密磨削方法受到了科研与企 业界的广泛重视。 目前e l i d 技术主要采用金属结合剂砂轮，但这种砂轮存在制作困难，成本昂贵，并 且对于功能材料的洁净表面加工容易造成污染等诸多问题。针对这些问题，提出一种以竹 炭、树脂为结合剂的竹陶瓷砂轮，这种砂轮具有制作简单、成本低，并且可以实现无污染、 高效、高精度的镜面磨削加工。探讨竹陶瓷砂轮的e l i d 磨削加工机理、以及针对竹陶瓷 砂轮的e l i d 磨削，研究新型的e l i d 磨削液，使磨削加工达到最优的效果是本文研究的重 点。本文的主要研究工作和成果如下： 1 分析了竹陶瓷砂轮的电化学性能，可以得出结论：竹陶瓷砂轮具有良好的导电性 能，并且通过电解作用后在表面产生一层钝化膜，为e l i d 技术的实现打下基础。 2 磨削液作为磨削加工中的关键因素，从其防锈性能、冷却性能、润滑性能以及电 解性能各方面综合分析，得出一种配方配比，能够很好的应用到e l i d 磨削加工中。 3 磨削液的导电性在很大程度上决定着钝化膜的形成，采用b p 神经网络和m a t l a b 联合仿真，建立磨削液导电率的预测模型，可以实现不同的磨削条件。 4 最后，采用研制的新型e l i d 磨削液进行了对不锈钢的磨削实验，通过对比实验结 果，分别得到对于不锈钢粗加工和精加工的加工工艺，使加工效率和精度达到最优。 关键词：竹陶瓷砂轮，电化学，钝化膜，e l i d 磨削，磨削液 本文获国家自然科学基金( 5 0 7 7 5 2 0 7 ) 资助 h i 曲s u r f a c eq u a l 时a i l dm a c h 埘i l ge m c i e n c yo fh a r da 1 1 db r i t t l em a t e r i a l ss u c h 2 l ss i n g l e c r y s t a ls i l i c o n ，s t a i n l e s ss t e e l ，t i m g s t e n c a r b i d ea r er e q u i r e da st 1 1 er 印i dd e v e l o p m e n to f e l e c t r o m cm e c h a i l i c a la 1 1 do p t i c a lm a t e r i a l s e l e c t r 0 1 y t i ci i l - p r o c e s sd r e s s i n g ( e l i d ) ，w h i c h c o u l da c l l i e v eh i 曲e f ! e i c i e n c ya 1 1 ds u p e r - s m o o t l ls u 概e ，h a sb e e na n a c h e dm u c hi r n p o r t a n c ei n s c i e n c er e s e a r c ha n di n d u s t d ，f ie ；l d sg r a d u 2 l 1 1 y m e t a lb o n d e dw h e e l si st l l em a i l lt 0 0 1i ne l i db u ti t sd i m c u l tt op r o d u c ea n de x p e n s i v e a n dc o u l dc o n t 锄i n a t et h ec l e a ns u r f a c eo ff l l n c t i o nm a t e r i a l s t bs 0 1 v em e s eq u e s t i o n s ，m i s p 印e rp u t sf o n a r da n e wb 锄b o oc h a r c o mb o n d e d 野n d i n gw h e e lw h j c hh a sg o o dp e 响n 1 1 a n c e s s u c ha se a s yp r o d u c e ，1 0 wc o s t ，n op o l l m i o n r e s e a r c h 也ep r i n c i p i u i l lo fe l i da n dn e wg r i n d i n g n u i da r et 1 1 e 沛p o n a 呲p a r t so ft h ep a p e r a sf o l l o wa r em a i nw o r k sa n da c h i e v e m e n t so ft h i s p 印e r 1 a n a l y z i n g 也ee l e c 仃o c h e i i l i s 廿yp e 墒咖a 1 1 c eo f b 锄b o oc h a r c o a lb o n d e d 研n d i n g w h e e l ， i th a sg o o de l e c t r i cp e r f - o n l l a l l c ea 1 1 dc a np r o d u c eap a s s i v a t i o nl a y e r b ye l e c t r o a l l a l y s i s i t sm e b a s et or e a l i z et h et e c h n i q u eo fe l i d 2 a st 1 1 em a i n l c t o ro f 醇n d i l l g ，廿1 ep e r f o n n a n c eo f 酊n d i n gf l u i di sv e 巧i m p o r t a n t f i n d a 虹n do fg o o dp r e s c r i p t i o n 矗o mi t sa n t i c o 玎o s i v e ，l u b r i c a t e ，c o o l i n ga n de l e c 仃o l y s e ，m a k e 也e p r o c e s so fg r i n d i n gw e l l 。 3 f o u n dam o d e it of o r e c a s tg r i n d i n gn u i d se l e c t r i cp e r f o 衄a n c eb yb pn e u r a ln e 柳o r k a n ds o 竹w a r eo fm a t l a b t h i sp a p e ri ss u p p o n e db yn a t u r a is c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 5 0 7 7 5 2 0 7 ) 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 目勇乏v 第一章绪论1 1 1课题背景与研究意义1 1 2 e lld 磨削技术2 1 3 1 4 1 5 1 6 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 1 2 1 e ld 磨削技术的原理2 1 2 2e l f d 磨削技术的典型应用和性能特点：3 国内外研究现状。4 竹炭的基本性能。4 竹陶瓷砂轮样品的制备6 1 5 1竹陶瓷砂轮的配方设计7 1 5 2 竹陶瓷砂轮的制备过程8 研究内容与研究目标。9 竹陶瓷砂轮样品导电性的研究一1 1 竹炭的导电性分析1 1 2 1 1 竹炭的结构12 2 1 2 竹炭的化学组成。1 2 2 ，1 3 竹炭的导电机理分析1 3 竹陶瓷砂轮样块电导率的测定1 3 2 2 】 实验准各13 2 2 2 竹陶瓷砂轮导电率的测量15 炭化温度对竹陶瓷砂轮导电性能的影响1 6 2 3 1 竹陶瓷砂轮的结构分析1 7 2 3 2 竹陶瓷砂轮的微观形貌1 9 本章小结2 l 竹陶瓷结合剂砂轮的电解特性2 2 实验准备以及实验条件2 2 实验过程及分析2 3 本章小结2 8 新型e l i d 磨削专用电解磨削液的配方设计2 9 e lid 磨削的关键技术分析2 9 4 1 1 竹陶瓷砂轮e l i d 屠削的电化学原理2 9 4 1 2 钝化膜的作用。2 9 新型e l i d 磨削电解磨削液成分的确定3 0 4 2 1 磨削液的分类和特点一3 0 4 1 2 磨削液的作用机理3 1 4 1 3e l l d 磨削加工中对磨削液的要求3 2 3 3 3 4 35 3 7 4 3 3电解磨削液钝化性能的测试_ 3 9 4 3 4电解磨削液润滑性能的测试4 0 4 4 本章小结4 1 第五章采用b p 神经网络模型对新型e l i d 磨削液电解性能的预测研究4 2 5 1j ；i 言z i ：1 5 2 神经网络简介4 3 5 2 1神经网络的特点4 3 5 2 2 神经网络模型4 3 5 3b p 网络及m a t l a b 的实现4 4 5 - 3 1阻网络简介4 5 5 32网络层数的确定4 6 5 3 3 隐含层的节点数确定4 6 5 4b p 神经网络预测模型的建立4 7 5 4 ib p 结构的建立和数据初始处理4 7 5 4 2b p 网络的预测与测试5 0 5 5 本章小结5 3 第六章竹陶瓷砂轮e l i d 磨削不锈钢片的工艺实验研究5 4 6 1不锈钢材料的性质5 4 6 2 竹陶瓷砂轮的e l i d 磨削机理5 4 6 3实验设计5 6 6 3 1 实验设计思路一5 6 6 3 2实验设备参数及实验准备5 7 6 4 e l i d 磨削对不锈钢片粗加工的实验研究一5 8 6 4 1 实验设计一5 8 6 4 2 实验过程及分析5 9 6 4 3 实验结果分析一6 6 6 5e l i d 磨削对不锈钢片精加工的工艺优化6 7 6 5 1 实验目的6 7 6 5 2 实验过程及其结果分析6 7 6 6 本章小结6 9 第七章结论与展望7 0 7 1 结j 沦7 0 7 2展望7 1 参考文献7 2 致 射7 6 攻读学位期间参加的科研项目和成果7 7 1 1 课题背景与研究意义 目前，精密和超精密加工已经成为国际竞争中取得成功的关键技术，因为许多现代产 品需要很高的制造精度。发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业都需要精密和超 精密加工零部件。当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是明 天技术的基础【1 2 1 。特别是随着电子、光学等行业的快速发展，对于单晶硅、铌酸锂、水晶 等硬脆材料的加工表面质量及加工效率提出了越来越高的要求，也带来超精密加工领域新 技术、新装备的广泛研究以及大量新成果涌现【孓5 | 。 超精密磨削技术是近年来发展起来的一种新的用于脆性材料超精密加工的方法，它是 在高刚度超精密磨床上，用金刚石砂轮对材料表面进行磨削加工。实现对脆性材料的超精 密磨削，其关键是使材料以塑性变形方式去除【6 7 】。超精密镜面磨削可以加工超精密切削无 法加工的非金属硬脆材料和淬硬黑色金属材料。与超精密研磨相比，超精密镜面磨削加工 效率高，而且可以实现自动化与在线测量。但是面临的问题是对金刚石砂轮的修整困难， 很大程度上降低了生产效率。针对这一情况，1 9 8 7 年，日本理化研究所大森整博士等人提 出的在线电解修整( e l i d ，e 1 e c t r 0 1 y t i ci n p r o c e s sd r e s s i n g ) 铸铁结合剂超微细粒度 金刚石砂轮的方法，很好地解决了这一难题0 1 ，并采用普通机床在磨削过程中进行砂轮 的在线修整，实现了硅片的精密镜面磨削。因此e l i d 技术被世界著名权威机构c i r p 评价 为2 1 世纪超精密镜面磨削技术的典型代表。 迄今为止e l i d 磨削主要采用铸铁基结合剂金刚石或c b n 砂轮，依靠铸铁结合剂材料 经过电解在砂轮表面形成氧化膜，使金刚石磨粒露出砂轮表面，产生在线电解修锐的效果。 这种方法尚存在以下问题： 1 ) 铸铁结合剂金刚石砂轮制造需要特殊的烧制工艺与设备，以及在氮气体保护下高 达1 1 0 0 的烧结炉内高压烧结，成本昂贵，制作大型砂轮异常困难。 2 ) 铸铁结合剂金刚石砂轮刚性较高，加工过程中的振动和冲击易造成工件表面的损 伤，对于加工设备与工艺有较高要求。 浙江工业大学硕士学位论文 3 ) 铸铁氧化膜形成需要较大的电解电流及较长的预电解时间，需要较大功率的电解 电源，以及较长的预电解时间。 4 ) 对于单晶硅、铌酸锂等功能材料的超光滑表面加工，要求加工表面具有极高的表 面完整性及洁净度，e l i d 磨削过程中工件加工表面有受到砂轮中的铁、钼等金属元素污染 的可能性。 针对以上问题，研究人员相继提出各种新型e l i d 磨削方式以及采用新材料制作的新 型磨具。本研究以此为基础研制开发出一种采用竹炭为基本结合剂材料，并辅以酚醛树脂 等作为粘结剂，进行高温烧结试制性能优良的环保型e l i d 磨削用b c b ( b a m b o oc h a r c o a l b o n d e d ) 金刚石砂轮。最后结合磨削实验探讨此种新型砂轮的磨削机理及其性能评价，为 采用e l i d 磨削进行更为精密的加工提供新途径。 1 2e lld 磨削技术 e l i d 磨削技术为采用电解修整方法修锐砂轮表面，获得高效率，高精度的先进磨削加 工技术，已在日本的磨具，光学零件等精密加工企业取得了较为广泛的应用。e l i d 磨削可 应用于各种类型磨削加工中，尤其对于陶瓷、光学玻璃等硬脆材料的高效超精密加工具有 独特的优越性。某些精密零件最终表面加工采用e l 工d 磨削可代替传统的抛光加工，所获 得的超光滑加工表面可直接满足精密零件高精度、超光滑加工表面要求，这种先进的磨削 加工技术将成为今后超精密磨削加工的主要发展方向与手段之一。 1 2 1e l i d 磨削技术的原理 实现e l i d 磨削的必备装置如图卜1 包括：铸铁结合剂金刚石砂轮、高频脉冲电源及 电解装置( 包括正负电极) 、电解液( 磨削液) 和磨床等四个要素，称之为e l i d 磨削修整 系统。用超细磨粒金属结合剂砂轮作阳极，工具电极作为阴极，两电极之间供给磨削液。 通电后，阴阳电极之间构成电场，作为阳极的金刚石砂轮发生电解作用，砂轮表面的金属 结合剂被去除，在其工作表面形成一层绝缘氧化膜。由于氧化膜的绝缘保护作用，电解几 乎暂时停止。而随着磨削的进行，磨粒和氧化膜不断地磨损及脱落，使得砂轮表面的电阻 减小，新的一轮电解修锐过程开始，如此循环往复，使磨粒始终保持锐利状态，避免了传 统磨削工艺由于超细磨粒砂轮极易钝化、堵塞所引起的加工表面脆性破坏，实现高效镜面 2 图卜le l i d 磨削的必备装置 在硬脆材 由e l i d 磨削原理可看出，e l 工d 技术的优势在于：利用电解作用使砂轮表面导电基体 即金属结合剂不断发生电解成膜，使磨料露出、砂轮容屑空间加大，从而保证金属基结合 剂砂轮在整个磨削过程中始终保持锐利。 1 2 2e l i d 磨削技术的典型应用和性能特点： e l i d 磨削技术是对金属结合剂的超硬磨料砂轮在线修整、修锐的复合磨削技术，有别 于电解磨削、电火花磨削，具有自身特点，在精密加工领域独树一帜。 与传统的磨削方法相比，e l i d 磨削技术具有以下特点【1 3 - 1 6 】： 1 、装置简单，适合推广 2 、适应性广 3 、适应材料广泛 4 、可以实现稳定的、低应力磨削 5 、磨削效率高 6 、 金刚石砂轮不会过快磨耗 7 、可优化的磨削过程 日本的e l i d 磨削技术发明人大森整博士对于e l i d 磨削技术进行了长达近2 0 年的深 入研究开发与实际应用，相继开发出了钴基金刚石砂轮以及添加有树脂结合剂的具有半导 体性能的多种e l i d 磨削用砂轮，以及新开发出的断续电解的e l i d i i 和无电极电解的 e l 工d 一等新型电解方式，实现各种不同材料与型面的特殊加工要求，取得了较好的效果 f 1 7 ，18 1 。最近日本的根本等人又开发出了环保型e l 工d 磨削用r b ( 米糠) 结合剂金刚石砂轮 【1 9 ，2 0 1 ，这种砂轮是将脱脂米糠和酚醛树脂加以混合，在氮气雾中于9 0 0 进行碳化烧成， 利用米糠炭低密度，多孔结构，摩擦小，耐磨性好，导电性高等特点，结合在线电解修整 实现e l 工d 高效精密加工。加工实验表明，利用8 0 0 0 # r b 结合剂金刚石砂轮可高品质加工 单晶硅、工具钢、硬质合金等材料，加工表面粗糙度可达r y 3 0 n m 。但是与铸铁结合剂金刚 石砂轮相比，r b 结合剂砂轮的比磨损量较大，此外，对于以r b 结合剂在电解作用下的绝 缘膜的形成原理与控制未做出更深入的研究与应用【2 1 2 2 1 。 我国早在9 0 年代初就开始了e l i d 磨削技术的研究与应用，首先由哈工大e l i d 研究 小组开发出了e l i d 磨削系统，实现了陶瓷、光学玻璃等硬脆材料的高效精密磨削加工， 并在航天材料的精密磨削加工中得到了实际应用。目前天津大学，湖南大学，北京工业大 学等多科研部门都在e l i d 磨削技术方面投入了较多的人力物力进行这方面的科研工作， 并取得了多种材料，多种加工的精密加工与优化控制等方面的成果f 2 3 上4 1 。 竹炭含有大量的钾、镁、钙、铁、铜和锌等元素，在e l i d 磨削过程中依靠电解反应 生成绝缘层。这种氧化物形成的绝缘层的成分与结构，在e l i d 磨削过程中将产生怎样的 影响与效果，以及竹陶瓷砂轮e l i d 磨削过程中如何产生半固着e l i d 磨削加工效应，并完 善这一新的e l 工d 磨削加工理论，这是本课题所要研究的重点内容。 1 4 竹炭的基本性能 竹炭是竹材热解得到的主要产品，目前我国烧制竹炭的方法主要有两种：干馏热解法 和土窑直接烧制法【2 5 】。 1 、干馏热解法：其设备从目前看主要是外热式立式千馏釜，这种干馏釜在烧制竹炭时， 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 既可使用预干至含水率为2 0 2 5 的竹材，也可使用未经预干的竹材，但以使用经预干的 竹材为佳。由于在烧制过程中基本不存在竹炭氧化问题，因此竹炭得率较高，一般为2 5 左 右，高者可达3 5 ，烧制周期一般在4 8 7 2 小时。但精炼温度提不高，影响竹炭密度：干馏釜 容积小，竹炭产量低。浙江省有些厂家就采用这种立式干馏釜烧制竹炭。 2 、土窑烧制法：它是采用燃料( 木材) 直接加热方式，即窑口由燃料燃烧产生的热量上 升到窑顶后，向窑内扩散，其中大部分热气流流动在上层，有小部分热量向四周辐射，由上 往下缓慢干燥并达到预炭化：燃烧窑内部分竹材使窑内温度继续升高，除去挥发性物质，此 时窑内烟气循环流动，各点热量和温度基本均匀，完成炭化和精炼阶段，得到结构致密的竹 炭。土窑烧制法通常有烟熏预干燥、干燥、预炭化、炭化、煅烧( 精炼) 、自然冷却等阶段。 各个阶段有不同的温度，烟熏预干燥阶段为6 0 1 0 0 ，干燥阶段为1 0 0 1 5 0 ，预炭化阶 段为1 5 0 2 7 0 ，炭化阶段为2 7 0 4 5 0 ，煅烧阶段为4 5 0 至1 0 0 0 左右。从目前土窑 烧炭的过程来看，各阶段的温度和炭化速度是通过操作者“眼观鼻嗅 ，一是观察烟囱及 窑门出烟口烟的变化：二是通过闻烟味来确定。土窑用的鲜毛竹，一般在室外放置一周左右， 在放入窑中进行烟熏预干燥，大约要1 周，而自然冷却至窑口温度5 0 6 0 时也需要一周， 出窑一般也要2 天。所以从装窑到出炭一般要2 5 3 0 天，竹炭得率一般为2 0 左右。工艺 合理，后期氧化燃烧的量少则得率超过2 0 ，否则会低于2 0 ，甚至更低( 因空气漏入或空气 量进入过大) 。土窑造价便宜，精炼温度高，竹炭密度大，但质量稳定性差，得率不高。近年 来，竹炭的研究已经成为炭材料研究领域中的一个热点【2 引。竹炭的机械强度较高，孔结构 发达，导电性能良好，可以用作吸附剂、导电材料等。目前国内外的研究工作主要围绕以 下几个方面：竹材的热解过程，包括热解过程中组分、孔结构的变化；竹炭的制备及改性， 包括活性竹炭的制备；竹炭的表征，包括竹炭的组成、形貌和孔结构的表征；竹炭的性能 研究，包括竹炭的吸附性能和导电性能等；竹炭的应用开发，包括用于水处理、空气净化 和超级电容器等。本文着重介绍了竹炭的电化学性能和应用的研究进展【2 7 之9 。 竹材由纤维素、半纤维素和少量木质素组成，竹炭就是由这3 种物质不同程度地分解 炭化而形成的。研究表明，竹材在6 0 0 以后热解逐渐变缓。基本完成炭化f 2 8 ，3 0 1 。竹材在 热解过程中伴随着微管柬、薄壁组织逐渐缩小和孔结构的变化。竹炭的显微结构与一般活 性炭的显微结构有所不同，在较低的倍数下都能看到大量的孔隙。左宋林认为，炭化温度 低于6 0 0 时，竹材孔径分布随温度的升高逐渐从0 2 5 5 0 p m 收缩到o 5 5 5 5 0 t a n ， 这种变化在3 0 0 4 0 0 表现最显著i3 l 】。可见，竹炭的炭化温度对竹炭的性能有直接的影响。 竹炭的组成简单，主要成分是碳( 7 5 9 5 ( w t ) ) ，其次是灰分( 2 1 2 ，包括n a 、k 、s i 、 浙江工业大学硕士学位论文 c a 、m n 等金属的氧化物) 和少量挥发分；竹炭以不定形炭为主。竹炭的炭含量与炭化温度 有关，灰分含量与竹子生长地的地质有关。c h e n ghm f 3 2 】等发现，3 0 0 0 下高温处理的竹 炭的x r d 图并没有明显的石墨峰，推测竹炭为难石墨化炭材料。 按竹炭的电阻大小可分为导电竹炭( 电阻率 1 0q 锄) 和不导电竹炭( 电阻率 1 0q c i l l ) 。日本采用精炼度来表示炭的电阻值大小，炭硬度越高，电阻值越小，精练度 越小，竹炭在9 0 0 炭化终点温度达最小精练度o ，可认为是一种理想的新型e l 工d 磨削用 砂轮结合剂材料。 竹炭的密度较高( 9 0 0 炭化温度为o 8 6 8 9 c m3 ) ，硬度( 1 0 1 2 ) 也高于普通本质材 料木炭( 约8 8 ) ，更优于米糠类木炭( 2 左右) 【3 3 】。因此以竹炭为结合剂将更有利于提高 砂轮的强度与耐磨性。 1 5 竹陶瓷砂轮样品的制备 砂轮是由许多细小的磨粒用结合剂或粘结剂将其粘结成固结或非固结状态对工件进 行切削的加工工具。砂轮作为人类生产生活中不可或缺的工具已经走过了几百年的历史。 目前常用砂轮按照结合剂的种类可如图1 2 所示。可按照磨粒分为，普通砂轮和超硬砂 轮；还可按照用途形状及特性等分为多种。 ，厂陶瓷结合剂砂轮 i 无机结合剂砂轮 砂轮 1 1 0 0 ) ，竹炭导电主要与 竹炭形成易石墨化结构有关。炭化最高温度进一步升高，竹炭内部结构发生物理变化，无 规则的碳及单个网平面层的比例减少，微晶在迸一步成长，微晶的取向变得整齐一致，同 时微晶重叠的方式变成规则的石墨状而构成易石墨化，导电性增强【4 1 4 5 舶】。 2 2 竹陶瓷砂轮样块电导率的测定 2 2 1实验准备 根据第一章对砂轮配方配比，及炭化温度的选择，采用热压工艺压制出竹陶瓷砂轮样 块。其中树脂含量( 质量分数) 分别占2 0 、2 5 和3 0 ，磨料含量( 质量分数) 为2 0 。 其热压模具及成型样块如图2 一l 、2 2 所示： 一1 3 - 浙江工业大学硕士学位论文 一_ ，- 一 为了测量的方便以及为了比较竹陶瓷砂轮的导电性与配方比例和炭化温度的关系，将 不同配方比例、不同炭化温度的竹陶瓷砂轮切割成统一的尺寸。如图2 2 所示。 图2 1 热压磨具 图2 2 竹陶瓷磨块 实验仪器及材料：实验采用e m l 7 1 5 型直流稳压电源，其测量原理图与实物图如下图 2 3 、3 4 所示： 4 1 直流电源 3 导电胶 图2 3 23 2 竹陶瓷砂轮样块 4 铜片 导电率测量原理图 图2 4 导电率测量实物图 为方便说明在此将树脂含量为2 0 的竹陶瓷砂轮标记为a ，树脂含量为2 5 的竹陶瓷砂 轮标记为b ，树脂含量为3 0 的竹陶瓷砂轮标记为c ，实验用电源电压为3 v ，经过试验测试 得到的各个样品的电流值如下表2 1 所示： 表2 1 测试竹阿瓷样块的电流 萼温度 巡。 5 0 07 5 09 0 0 a0 0 4 70 0 6 50 0 7 3 b0 0 5 3o 0 5 40 0 6 8 c o 0 4o 0 5 l0 0 6 2 由于实验测试用各个陶瓷磨块的形状及大小不同，故引入体积电阻率。体积电阻率是 表征材料导电性能的基本参数，其定义为材料单位厚度上的直流压降与单位面积上通过的 电流之比，可以看成是一个单位体积里的体积电阻。由上求得电阻后，利用以下公式计算 体积电阻率：p = r s 三，单位为q 姗。其中r 为各个样块的实际电阻值、s 为各个样 块的横截面积、l 为各个样块的厚度。经计算得到的不同样块在各个炭化温度下的体积电 阻率如下表2 2 所示： 表2 2 竹陶瓷样块的体积电阻率 乏电： 5 0 07 5 09 0 0 口彻、 舻樊n a 2 5 1 8 2 4 3 81 9 8 7 b3 3 2 52 8 9 52 2 0 9 c3 4 6 13 1 0 42 6 0 2 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 炭化温度对竹陶瓷砂轮导电性能的影响 由测量结果可以看出砂轮的导电性是受炭化温度的变化而变化，其规律为：同一种比 例成分竹陶瓷砂轮的导电率是随着炭化温度的升高而降低，而在同一炭化温度下，竹陶瓷 砂轮的导电性随着树脂比例的增多而降低。为了探讨炭化温度对竹陶瓷砂轮导电性能的影 响，对各个配合率试样在不同炭化温度下的重量进行测量。图2 5 为各配合率试样的炭化 温度与重量变化的关系： 口 脚嘲 唰 辑 畚 5 1 5 0 4 9 4 4 4 3 02 0 04 0 06 0 08 0 010 0 0 炭化温度( ) 图2 5 不同配合率试样的炭化温度与重量变化的关系 从图中可以发现，竹陶瓷砂轮的炭化过程中主要经历了三个阶段： 1 从室温开始加热到2 0 0 左右时，主要是竹陶瓷样品中的水分及其他易挥发性成分 受热而挥发造成的质量下降，这一阶段样品内部发生的是物理变化。 2 从2 0 0 左右开始，样品的质量大幅度的下降，这一阶段样品中发生的是化学反应， 样品中的酚醛树脂发生缩聚反应而使得酚醛树脂分子逐渐的胶合在一起形成网状结构，把 样品中各部分牢牢地粘结在一起，随着炭化温度的增加样品中的酚醛树脂基本上都已经发 生了胶合反应而联结到了一起。而在酚醛树脂聚合到一起形成大分子有机物的同时也生成 水，这样导致样品质量的下降。但是随着温度的在升高，粘结在一起的酚醛树脂又发生了 裂解反应，样品中的有机结构遭到破坏而放出水及氧化物气体，只有碳留下。碳含量增加 的同时砂轮样品的导电性也得到加强，这是与实际的实验结果相吻合的。与此同时，竹炭 中的挥发性成分也开始挥发。可以看出，样品在这一阶段的质量变化速度是最大的。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 3 炭化温度在7 5 0 之后，样品的质量下降速度趋于平缓，这是因为样品中酚醛树脂 中的有机结构基本上都已经裂解完毕，残留在样品中的一些难分解物质随着温度逐渐的升 高而分解排出，可以说这时的竹陶瓷样品中只剩下碳结构，最终质量保持平衡。 由以上分析可以看出，竹陶瓷砂轮中的酚醛树脂热解温度在2 0 0 左右，随着温度的 升高，它的热解程度开始增加。当炭化温度达到7 5 0 的时候，样块的质量变化平稳，这 说明酚醛树脂中的有机结构在这个温度下已经基本分解完成，质量保持恒定。 3 5 0 3 0 0 7 ：2 5 0 t a2 0 0 斟 倒15 0 掣 鐾佃 5 0 0 网5 0 0 口7 5 0 u g d 0 不同配台率 图2 6 不同炭化温度下样块的体积电阻率 c 由图2 6 可知同一配合率的砂轮样品在不同的炭化温度下，其体积电阻率是不同的。 随着炭化温度的增加，砂轮样品的体积电阻率是逐渐降低的，而导电性逐渐增强。这是因 为随着炭化温度的升高，竹陶瓷内部的挥发性成分逐渐挥发，而酚醛树脂中的有机结构也 随着温度的升高而裂解生成水分和挥发性气体，最终只剩下碳结构残留在砂轮内部，就导 致了竹陶瓷样品导电性的增强。 2 3 1竹陶瓷砂轮的结构分析 竹陶瓷砂轮在经过高温炭化后，其重量有所下降，说明在炭化的过程中砂轮内部组成 成分产生挥发性成分，根据配方推测为酚醛树脂发生热解反应，产生水挥发出去。因此经 - 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 过高温炭化后，砂轮的导电性能得到了提高。 图2 7x 射线衍射分析仪 为了分析炭化后的砂轮样块内部组织成分和含量的变化，对相同成分比例在三种炭化 温度下炭化的砂轮样块进行了x 射线衍射分析。 试验用x 射线衍射分析仪如图2 7 所示【3 8 1 ，对于每一种结晶物质，都有其特有的结构 参数，包括点阵类型、晶胞大小、单胞中原子( 离子或分子) 的数目及位置等。这些结构 参数在x 射线的衍射花样上均有所反映。当x 射线束照射在晶体样品上时，由于晶体中原 子排列的规则性，各原子散射波互相干涉时，将会在某些方向互相加强，而在另一些方向 上互相抵消，合成波的强度随方向而变。这些信其可以通过感光胶片( x 射线衍射照相法) 或计数器记录( x r d ) 下来，而得到物质的衍射花样或衍射线条谱图。多晶体衍射线条的 数目、位置及其强度，就像人的指纹一样，是每种物质的特征，因而可以成为鉴别物象的 标志。在混合物中，每种物质( 相) 的衍射线的强度，是和该物质( 相) 在混合物中的含 量成正比的。根据这一原理，还可以利用x r d 实现对混合物中个组分含量的定量分析。 图2 8 【3 8 为在三种炭化温度下炭化的磨块b 及竹炭粉的x 射线衍射分析结果对比图。 从图中我们可以看出炭化过的磨块较未炭化的竹炭粉末有着明显的区别，在于： 1 经过炭化处理后，在0 0 2 ，1 0 1 位置砂轮磨块都出现了竹炭谱图没有的波峰，说 明经过炭化处理后砂轮内部原子的排列呈现一定的规律性； 2 随着炭化温度的升高，每处的波峰值都呈增大的趋势，说明炭化温度越高竹陶瓷 砂轮内部的原子排列越规则； 竹陶瓷砂轮的组成没发生变化。 有新的成分出现， 勰 4 0鳓7 0 图2 8 竹炭粉与各磨块的x r d 分析 通过对不同砂轮样品进行x 衍射分析可知，炭化处理使得磨块内部的原子排列由无规 则向排列有序转变；炭化温度的升高会加剧这种转变，但是竹陶瓷砂轮本身的成分并没有 发生变化。 通过以上的分析，可以得出结论，在经过高温炭化后，竹陶瓷砂轮内部的酚醛树脂成 分发生热解反应，产生了挥发性的物质。并且经过炭化后竹陶瓷砂轮内部的原子排列呈现 规则排列。而在砂轮配方成分中占较大比例的竹炭粉并没有发生变化，只是其原子排列更 为规律。 2 3 2 竹陶瓷砂轮的微观形貌 扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的人射电子轰击物 质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x 射线和连续谱x 射线、背散 射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电 子空穴对、晶格振动( 声子) 、电子振荡( 等离子体) 。原则上讲，利用电子和物质的相互 1 9 黼 躐 鼢 姗 绷 黼 。 浙江工业大学硕士学位论文 作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、 电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采 用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到 有关物质微观形貌的信息；对x 射线的采集，可得到物质化学成分的信息。 本文为了观察新型竹陶瓷砂轮的微观组织结构及炭化前后砂轮的组织结构变化，分别 对样品进行扫描电子显微镜观测。实验选取c 样块的未经炭化处理和在5 0 0 、7 5 0 及 9 0 0 炭化的四个竹陶瓷磨块进行s e m 显微观测，观测结果如图2 9 所示。 图2 9 a 未经炭化c 样块的s e m图2 9 b 炭化5 0 0 后c 样块的s e m 图2 9 c 炭化7 5 0 后c 样块的s e m图2 9 d 炭化9 0 0 后c 样块的s e m 图2 9 各竹陶瓷样块s e m 照片 从图2 9 中可以看出：竹陶瓷砂轮磨块在未经过炭化处理前，其表面质地比较紧密， 无气孔出现。而经过炭化处理后，磨块的表面可以观测到很多气孔的出现，分布较多，随 着炭化温度的升高，气孔的面积逐渐增多。由此可见，炭化温度是影响竹炭形貌特征和质 量的重要因素。 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先对竹炭的导电性以及竹炭的化学组成进行了详细的说明，然后通过实验测试 计算得出不同的成分配合率的砂轮样块在不同的炭化温度下的体积电阻率。结合测重、x 射线衍射分析以及s e m 扫描电镜，分析竹陶瓷砂轮的导电机理，并对炭化温度对竹陶瓷砂 轮导电性的影响做了充分的说明。 3 1实验准备以及实验条件 结剂，进行高温 解特性以及磨削 实验采用e m l 7 1 5 型直流稳压电源，普通e l 工d 磨削液作为电解液，竹陶瓷棒做阳极， 如图3 1 所示。铜片做阴极，如图3 2 所示。 霸移黟缆鳓穿嬲铝雳豫鄹瓣嬲缪笏嘲黪叨嬲鄂嬲戮彩嬲獬黟嬲缈男巧嬲卵叨? ”餮i 黟 雷蟹蟹露露翟翟露豳辫 j 缸。，一。一。一一。t 。k 。一。一。一“。一磊 图3 1电解阳极竹陶瓷棒 。j 一。一一。，、? ? ，。t 图3 2 电解阴极