选区激光烧结PS/Al2O3纳米复合材料若干关键技术研究

论文题目: 选区激光烧结PS/Al2O3纳米复合材料若干关键技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 张坚

导师: 黄因慧

关键词: 选区激光烧结,纳米复合材料,纳米粒子,行为特征,工艺参数,能量密度,组织形貌,机械性能

文献来源: 南京航空航天大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在产品快速多变,竞争空前激烈的经济全球化时代,选区激光烧结的材料多样性本质越来越显示出独特的技术优势和广泛的应用前景,是受到最为密切关注的快速成型技术之一。本课题针对选区激光烧结直接制备聚苯乙烯/Al2O3纳米复合材料零件进行了探索性研究。重点研究了纳米粒子的表面改性与分散技术,纳米粒子在激光作用下的行为特征,PS/纳米Al2O3成型粉末的熔凝过程和致密化机制,工艺参数及激光能量密度对成型粉末成形质量的影响规律,烧结试件的微观形貌和主要机械力学性能等。研究中发现,纳米粒子的表面改性不仅影响分散状况,而且影响烧结过程和烧结质量;团聚态纳米粒子以及聚合物基体与无机纳米粒子的表面极性差异导致烧结体局部疏松和空洞结构。采用乳液聚合改性方法制备的以纳米Al2O3为核、PS为壳的核-壳式结构复合粒子,成功解决了纳米粒子的分散和极性差异问题。通过研究激光以及聚合物熔融过程对纳米粒子的作用机理,揭示了纳米粒子存在“微飞溅”、“扩散迁移”和“流动渗透”三种行为特征,提出了选区激光烧结具有打破纳米粒子团聚、驱散纳米粒子聚集和促进纳米粒子流动的作用机制,并运用相同成型粉末的选区激光烧结和传统热模压实验对比进行了验证。在大量工艺实验的基础上,分析了工艺参数对烧结质量的影响趋势,构建了成型粉末的优化工艺参数域;研究了激光功率与扫描速度的不同匹配对烧结熔凝过程的影响规律,提出了激光能量和作用时间共同决定烧结过程的烧结机制;讨论了激光能量密度用于揭示工艺参数综合影响规律的局限性,得出了等激光能量密度条件下的烧结非等效结论。机械性能测试结果表明:纳米复合材料试件与纯PS试件相比,拉伸强度的最大提高幅度达到200%,最大值为31.2MPa;缺口冲击韧性的最大提高幅度为60%,最大缺口抗冲击强度达到了12.1KJ/m2;耐磨性提高了约65%,最小磨损量为0.006g/mm3;而洛氏硬度提高的幅度仅5%左右,最大值为HRL 96。SEM照片显示的层状滑移和纤维状形变说明纳米粒子起到了增强、增韧作用,但相对低的纳米粒子含量对硬度的影响作用不大。总之,本课题对激光选区烧结纳米复合材料的研究成果,为拓展快速成型技术的应用领域,实现直接烧结具有特定机械物理性能的纳米复合材料零件奠定了理论和工艺技术基础。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 SLS 的基本原理

1.3 SLS 的研究与应用现状

1.4 本课题研究的意义、目的和主要内容

第二章 成型粉末制备及其选区激光烧结试验

2.1 引言

2.2 无机纳米粒子的表面改性

2.3 成型粉末的制备

2.4 成型粉末的选区激光烧结试验

2.5 本章小结

第三章 SLS 过程中无机纳米粒子行为特征的研究

3.1 引言

3.2 激光与粉末的相互作用

3.3 激光烧结混合粉末的主要烧结机制

3.4 混合粉末激光烧结致密化机制

3.5 混合粉末模压成型与SLS 成型过程纳米粒子分散差异

3.6 本章小结

第四章 激光烧结工艺参数对成型粉末成形性影响的研究

4.1 引言

4.2 工艺参数正交试验

4.3 四种因子对成型件体积密度的影响

4.4 激光功率与扫描速度对烧结成形质量的综合影响

4.5 本章小结

第五章 激光烧结纳米复合材料的结构特征研究

5.1 引言

5.2 XRD 分析

5.3 混合粉末单层铺粉时颗粒形貌特征

5.4 烧结件的微观形貌特征及烧结缺陷

5.5 本章小结

第六章 影响激光烧结件机械性能的关键因素研究

6.1 引言

6.2 激光烧结件机械性能的测试试验与分析

6.3 激光烧结工艺参数对烧结件机械性能的影响

6.4 等能量密度对烧结件力学性能的影响

6.5 纳米 Al_2O_3 的改性处理对烧结件力学性能的影响

6.6 纳米 Al_2O_3 添加量对烧结件力学性能的影响

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目

发布时间: 2006-09-05

参考文献

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