压电陶瓷液体压力激波发生器系统关键技术基础研究

论文摘要

探索高效的材料加工方法是先进制造技术的优先发展方向之一,在已有高能束加工的基础上,本文首次提出了基于脉冲超声波聚焦的液体压力激波加工技术,即以脉冲超声波聚焦技术为基础,采用大功率压电陶瓷激波发生器,在液体介质中产生高能、瞬时压力激波,使位于聚焦区域的材料产生变形、断裂或去除等。该技术将超声技术、先进制造技术和材料科学结合起来,将为材料加工提供新的技术手段,而且其具有能量可控性好、成本低、安全洁净和应用范围广等优点,将在机械制造领域拥有广阔的应用前景。论文从压电陶瓷激波发生器、激励电源、相应的测试系统等方面对压电陶瓷激波发生器系统的关键技术进行了研究。本文应用自主研制的试验系统对液体压力激波在纳米颗粒分散和复合材料制备领域的应用进行了初步探讨。本文主要研究内容如下:1.压电陶瓷激波发生器是液体压力激波发生器系统中最具特色也是最关键的器件。脉冲超声聚焦是激波发生器工作的基础,论文从线性声学的基本原理出发,对透镜式单元激波发生器声压场分布及焦域形态作了系统的研究。在前人研究的基础上设计了多阵元激波发生器,该多阵元激波发生器将多个透镜式单元激波发生器安装在一个球壳面上,使单元的声焦点与球壳面的球心重合。利用坐标变换方法对该多阵元激波发生器的声场进行了计算,并用MATLAB对其声场进行数值模拟,主要讨论了频率、阵元面积、阵元数量等对其声压和聚焦性能的影响,为压电陶瓷激波发生器的设计提供了理论依据。2.论文探讨了匹配层厚度理论和匹配层厚度对激波发生器频率的影响,设计制作了单、多阵元激波发生器,总结了设计、制作激波发生器的工艺流程,为激波发生器获得良好的性能提供了一定的保障。利用ANSYS软件对频率较高的透镜式单元激波发生器进行了压电分析,对压电陶瓷激波发生器激励电源的设计和工作频率的选择具有指导意义。3.论文初步探讨了激波发生器系统的能量转化过程。利用电力分析仪测量了压电陶瓷激波发生器激励电源的输入、输出功率,结果表明:激励电源工作稳定。设计了锥面反射靶和吸收靶相结合的辐射力测量装置,为研究激波发生器的工作性能提供了一种手段。利用压力传感器测量了焦点处的声压,为进一步研究液体压力激波独特的能量转化过程奠定了良好的基础。4.论文提出了应用液体压力激波进行纳米颗粒在不同液相中分散的方法,利用该方法分别对纳米SiO2颗粒、纳米蒙脱土、碳纳米管在不同液相中进行了分散试验。利用分光光度计、X射线衍射仪、透射电镜等手段对分散效果进行了检测,结果表明该技术分散效率高、效果好。在此基础上,利用液体压力激波技术对纳米SiO2在环氧树脂中进行了分散,制备了纳米SiO2/环氧树脂复合材料。利用巴柯尔硬度计、工具测量显微镜、红外光谱仪等手段对制备的复合材料性能进行了分析,这为液体压力激波技术在纳米颗粒分散中的初步应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 先进制造技术发展概述
• 1.2 高能束加工及其发展历程
• 1.3 激波产生方式及在加工中应用的研究现状
• 1.4 课题来源及其研究意义
• 1.5 相关领域国内外研究发展和现状
• 1.5.1 压电式激波发生器的发展和现状
• 1.5.2 激波发生器电源技术的发展和现状
• 1.5.3 相关测试技术的国内外现状
• 1.6 本文的主要研究工作
• 1.7 本章小结
• 第二章 单元激波发生器声场基本理论及数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 声场基本理论
• 2.3 声透镜聚焦声场
• 2.3.1 声透镜聚焦的条件及材料的选择
• 2.3.2 声透镜聚焦的焦点位置
• 2.3.3 透镜式单元激波发生器聚焦区域大小的确定
• 2.4 透镜式单元激波发生器声场理论
• 2.5 透镜式单元激波发生器设计参数对焦域形态和相对声压的影响
• 2.5.1 f 对κ和p max 的影响
• 2.5.2 a 对κ和Pmax 的影响
• 2.5.3 R 对κ和p max 的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 多阵元激波发生器的设计与声场模拟
• 3.1 引言
• 3.2 多阵元激波发生器的设计与声场数值模拟
• 3.2.1 多阵元激波发生器的设计
• 3.2.2 基于坐标变换的多阵元激波发生器声场计算
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 大振幅声波在液体中的非线性传播
• 3.4 本章小结
• 第四章 压电陶瓷激波发生器的设计与压电分析
• 4.1 引言
• 4.2 压电陶瓷的物理性质及其压电方程
• 4.2.1 压电陶瓷的物理性质
• 4.2.2 压电方程
• 4.2.3 压电陶瓷片振动模式的选择
• 4.2.4 压电陶瓷的几个重要参数
• 4.2.5 压电陶瓷激波发生器的主要性能参数
• 4.3 压电陶瓷激波发生器的设计制作工艺
• 4.3.1 单元压电陶瓷激波发生器设计流程
• 4.3.2 压电陶瓷激波发生器的制作工艺
• 4.4 透镜式单元激波发生器的压电分析
• 4.4.1 压电陶瓷的有限元模型
• 4.4.2 透镜式单元激波发生器的压电分析
• 4.5 激波发生器设计软件模块
• 4.6 本章小结
• 第五章 压电陶瓷激波发生器激励电源的研制
• 5.1 表征激波发生器激励电源性能的基本参数
• 5.2 激波发生器的阻抗特性和等效电路分析
• 5.3 压电陶瓷激波发生器对激励电源的要求
• 5.4 激波发生器电源的总体设计
• 5.5 激波发生器激励电源的主要组成电路
• 5.5.1 信号发生电路
• 5.5.2 功放电路及原理
• 5.5.3 压电陶瓷激波发生器激励电源的控制
• 5.6 压电陶瓷激波发生器激励电源电路波形
• 5.7 本章小结
• 第六章 压电陶瓷激波发生器系统能量转化过程基础实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 激励电源输入输出功率测量
• 6.3 激波发生器辐射力初步测量
• 6.3.1 透镜式单元激波发生器辐射力计算理论公式
• 6.3.2 辐射力测量装置组成及原理
• 6.3.3 透镜式单元激波发生器辐射力测量
• 6.4 单元激波发生器聚焦区域声压测量
• 6.5 本章小结
• 第七章 激波在纳米颗粒分散及纳米复合材料制备中的基础应用研究
• 7.1 引言
• 7.2 纳米颗粒分散性基础试验
• 7.2.1 实验部分
• 7.2.2 结果与讨论
• 2/环氧树脂复合材料制备中的基础应用试验'>7.3 激波在纳米SiO₂/环氧树脂复合材料制备中的基础应用试验
• 7.3.1 试验
• 7.3.2 结果与讨论
• 7.4 本章小结
• 第八章 本课题研究总结与展望
• 8.1 论文完成的主要研究工作
• 8.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录