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文档简介

1、纳米a1n陶瓷超塑性的有限元模拟研究安晓燕(河北建材职业技术学院,秦皐岛,066004)摘要:复杂形状的a1n陶瓷零件应用越来越广泛,这给a1n陶瓷的加工技术提 出了新的课题,a1n陶瓷的纳米化有助于解决这一难题。本文采用superform 有限元软件对纳米a1n陶瓷超塑性挤压过程进行了数值模拟,为a1n陶瓷的超 塑性近净成形技术奠定基础。关键字:纳米a1n陶瓷;超塑性;数值模拟屮图分类号:tq174the study of fem simulation to nano-sized ain ceramicsan xiaoyan(hebei vocational & technical

2、college of building materials,qinhuangdao 066004, china) abstract: complex shapes of ain ceramic parts applied more widely, which raised new issues to ain ceramic processing technology, ain ceramic nano-technology help to solve this problem. in this paper, based on superform, simulated the combined

3、extrusion of nano-sized ain ceramic, and established the foundation of ain ceramic superplastic near-net forming.keywords: nano-sized ain ceramics; superplasticity; simulation1. 引言近二三十年来,随着微电子技术的飞速发展,尤其是混合集成电路(hic)和 多芯片组件(mcm)对封装技术提出了越来越高的要求,作为电路元件及互连线承 载体的基片也获得了相应的进步",a1n陶瓷因具冇高热导率、低介电常数、 与硅相匹配

4、的热膨胀系数、绝缘、无毒等特点,成为一种理想的电了封装材料, 应用前景十分广阔,复杂形状的a1n陶瓷零件应用越來越广泛,这给a1n陶瓷 的加工技术提出了新的课题。然而到口前为止,氮化铝陶瓷的須性还是非常有限 的,1994年j.p.michel临等人在109mpa的应力作用下只获得了 a1n陶瓷2.2% 的压缩率,而a1n陶瓷的超塑性还没冇被报道。进入80年代以来,一个新兴的材料科学领域纳米结构材料(nanostructured materials)越来越引起人们的兴趣。著名的诺贝尔奖获得者fcyncman在20世纪60年代曾经预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以 某种控制的话,我们就能使物

5、体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性 能产生丰富的变化。本文采用superform有限元软件对纳米a1n陶瓷超塑性挤 压过程进行了数值模拟,为a1n陶瓷的超塑性近净成形技术奠定基础。2. 超塑性有限元模拟2数值模拟分析平台的建立数值模拟技术作为重要的科研手段、科研工具和科研方向,近些年得到了飞 速的发展。以有限单元法(fem)为代表的大型商业化软件包如ansys、marc、 abaqus、forge、derorm等得到了进一步的普及和应用。这些商业软件的 特点是普遍采用图形一用户界面(gui),便于理解和操作;且功能强大,能求解 较大规模的实际问题。目前这些商业软件的核心算法已经日趋稳

6、定和成熟,计算 效率和精度随着计算机硬件能力的增强而不断提高和改善。但是,在大变形的塑 性成形领域,有限单元法仍然没右完全解决制约它进一步发展与应用的“瓶颈” 问题,即成形过程屮的单元畸变与网格自动重划分问题。因而在求解复杂的成形 工艺问题,尤其是以精度为目标的精密塑性成形工艺时,面临着严重的计算精度 与计算效率低下的困难,右时甚至根本无法运行。应该说在突破这一 “瓶颈”前, 有限单元法在复杂锻件成形模拟上述难尽人意。与上述有限元模拟分析软件不同,在近两年以右限体积法为核心算法的 msc.superfonn软件在复杂锻件成形领域的应用正不断得到认可。目前,一般的 模拟分析软件在造型中还达不到专

7、业cad软件的水平,尤其是在具有复杂儿何 形状的造型屮。因此采用目前较为常用的cad软件pro/engineer作为自己的造 型工具,通过上述多软件联合的方式构建用于纳米a1n陶瓷超塑性挤压工艺数 值模拟分析的平台,以期通过充分发挥各软件的自身优势达到对工艺过程进行精 确分析的目的。综上所述,pro/engineer(cad软件),msc.mentat(前后处理软件), msc.superform(fem)构成了纳米a1n陶瓷超塑性挤压工艺数值模拟分析的软件 平台,如图1所示。有限元分析模块msc.marccad造型中性接口pro/en匕mentat、工件变形分析软件msc.superform

8、图1软件平台fig.l software platform2.2纳米a1n陶瓷超塑性挤压工艺数值模拟中的建模在数值模拟分析中,模型的建立是一个比较重耍的环节。在当前冇限元模拟 算法相对稳定的情况f,模型的建立就更显重要,其准确性直接影响模拟结杲的 精度英至模拟的成败。2.3几何模型毛坏儿何尺寸按图2中的毛坏尺寸建立相应的儿何模型,如图4所示。在以 净形或近净形为目标的挤压成形工艺屮,模具的型腔尺寸精度直接决定着挤压件的尺寸精度。同样,在纳米a1n陶瓷超塑性挤压工艺数值模拟中,模具几何模 型的精确性也将直接影响到模拟结果的精确性和误差评估。曲于挤压件结构及受 力情况的对称性,计算屮可以将三维立体

9、计算转化为二维平面建模计算。/21 diui1.030 一图2热压烧结模具图1.烧结套2.梨片3冲头fig.2 drawing of the die for hot-pressing sintering图3热压烧结模具照片fig.3 picture of the die for hot-pressing sintering图4用于挤压成形的计算分析模型fig.4 computation analysis model for extrusion forming2.4材料模型2.4.1流动应力应变曲线材料为以mosi2为烧结助剂,采用真空热压烧结制备 的纳米a1n陶瓷,模拟温度为1550°

10、;c和1600°c,采用弹塑性材料模型。材料的 流动应力-应变曲线通过对照图5的数据手工输入superform软件(该软件的材料 库没有纳米a1n陶瓷的相关资料)。i i i i i i i01020304050607080oo4o o3 2 eds洽 saj-s50 匚nominal strain/%图5不同压缩温度下的应力-应变曲线fig.52.4.2泊松比的选取the curves of stress vs strain at different temperatures在弹嫂性材料挤压工艺的数值模拟屮,泊松比卩的选取很重妾。对于陶瓷材料泊松比卩取为1/41/3左右,在室温状态

11、下泊松比一般取为0.3。但是由丁其在高温下的数据也很缺乏,因此通常也需要采取外推插值法或估算法选取。这样泊松比的选取值就容易出现两种情况:一是过小,接近常温值;二是过大,接近0.5。泊松比过小,最明显的影响是造成弹蜩性材料的体积损失过大;泊松比过大 通常会产生异常变形,甚至无法计算。在许可范围内,材料泊松比尽量取大。所 谓许可范围即指泊松比的取值必须满足与材料弹性模量z间的代数关系。通过试 算比较,纳米a1n陶瓷在1550°c和1600°c的泊松比取为0.25。243杨氏模量的选取 杨氏模量玖或称弹性模量)是模拟计算中最常用的材料弹 性参数之一。口前各性能手册屮,有关纳米a

12、1n陶瓷的杨氏模量数据都极端匮 乏。室温时纯a1n陶瓷的杨氏模量为e=350gpao通过纳米压痕试验测定1600°c 时纳米a1n陶瓷对应的杨氏模量是101.82gpao 1550°c对应的杨氏模量80gpao 2.5边界模型在锻造过程中,工件通常是在高温高压下成形,工件与模具在接触边界发生 剧烈的摩擦和热交换,接触界面工况十分复杂。在数值模拟过程屮,准确地描述接触边界的工作状态对工件材料的流动、变形载荷、工件与模具的温度场和应力 场的计算都十分必耍。在塑性成形工艺中,工件与模具z间的摩擦是一个重要的 边界条件,对成形过程的影响很大,机理十分复杂。人们建立了很多简化的模型

13、来描述这一边界条件。口前最常用的有库仑摩擦和燃性剪切摩擦模型。在锻造工 艺的模拟中,由于工模界面的接触应力极高,可达儿千mpa,因此塑性剪切摩 擦模型通常能够给岀更合适的计算结果,公式如2ti =mr (4-3)式中ri平均摩擦剪切应力,mpat剪切应力,mpam摩擦系数(采用石墨润滑剂,摩擦系数通常取0.2)3. 纳米a1n陶瓷超塑性挤压工艺模拟结果与分析3不同温度超塑性挤压时的等效应力分析图6为不同温度下对纳米a1n陶瓷进行超塑性挤压的等效应力分布云图。可以看到两个温度下试样小部的应力分布情况与圆柱体徹粗时的不均匀变形情 况相似,出现了难变形区和大变形区。1550°c和1600&

14、#176;c的挤压(图5(a)和(b)变形 比较均匀,等效应力也较小,且应力较大处均出现在试样心部。从挤压后的飞边 长度也可以看出,1550°c和1600°c时材料的流动性非常好,说明纳米a1n陶瓷 在这两个温度下已经具冇良好的超塑性。2.78*0012.628e+0012.473«+0012.318e+0012 163«»0012.00to40011.8530011.698e+c01l.s43e+0011.388«-f001llcosel1 233001-2.783e001_2 62站0012 47310012.31810012 1

15、63ao(h2 0089*0011.85310011 6殛0011 s43e*0011 3380011 2330q1(a)1550°cequivalent von mises strem(b) 1600 °c图6不同温度下对纳米a1n陶瓷进行超塑性挤压时的等效应力分布云图fig.6 distribution contours of equivalent stress at different extrusion temperatures3.2模拟挤压成形力结果分析图7为不同温度卜对纳米a1n陶瓷进行超塑性挤压时的成形力一位移曲线。 从图中可以看到在挤压的最初和中间阶段,两条

16、曲线的走势都比较平缓11挤压成 形力随位移的增大而增大;当挤压位移量达到3.5mm至4mm吋,挤压力出现突 然增大而位移量变化不大的情形,即材料进入塑性变形阶段。1550c和1600°c 时的最大挤压力大小基本相同,但是从两条曲线的走势看来,1600°c时的曲线走 势更加平缓。基于以上分析可以知道,纳米a1n陶瓷在1600°c f的成形力特:性 应该更利于材料的超塑性成形。60504030201001600°ca 1550x:displacement/nun图7不同温度下对纳米a1n陶瓷进行超塑性挤压时的成形力-位移曲线fig.7 force vs.di

17、splacement curves at different extiusion temperatures4. 结论superform有限元软件对纳米ain陶瓷超須性挤压过程进行的数值模拟结 果显示:1550°c和1600°c时材料的流动性非常好,说明纳米a1n陶瓷在这两个 温度下已经具冇良好的超塑性。纳米a1n陶瓷在1600°c下的成形力特性最利丁 材料的超塑性成形。参考文献1郑昌琼,冉军国新型无机材料北京:科学出版社,2003:292-2942 wakai f, sakaguchi s, matsuno y. superplasticity of yttria

18、 stabilized tetragonal z1o2 polycrystals. adv ceram mater, 1986,( 1 ):259-2633 tummala p r. ceramic and glass-ceramic packaing in the 1990s j am ceram, 1991,74(5):895-8994 s.choux, i.masson, j.p.feiereiesn, a.george,j.p.michel.cavitation induced by high-temperature plastic deformation in aluminium nitride ceramics. journal of european ceramic society, 1996, (16):515-5195 m azzaz, j.p.michel, v.fcrcgotto, a.george.tem observations of dislocat

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