硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究

论文摘要

随着先进制造技术和材料科学的发展,脆性材料如陶瓷、玻璃、硅片等在信息、原子能、微电子和生物化学等新兴领域有着越来越广泛的应用。这些领域不仅需要平面的脆性材料器件,而且增加了对弯曲器件、复杂曲面器件以及微弧度曲面器件的需求。由于零件材料的脆性特征,如果采用传统的外力成形容易导致材料破坏,而且对环境温度要求较高;若采用化学手段则需要较长的制造周期,控制的难度很大且有环境污染。激光弯曲成形技术基于热态积累成形原理,利用高能激光束对零件局部加热诱发不均匀热应力,使材料产生塑性变形以获得所需的目标形状。该技术具有柔性大,无污染等优点,为复杂脆性材料微小器件的成形加工提供了手段。基于功能玻璃广阔的应用前景,本课题对在高科技领域有重要意义的硼硅酸盐玻璃材料的激光弯曲成形进行了研究,采用实验测试、数值模拟和理论分析相结合的方法,通过对不同工艺条件下玻璃薄片变形行为的研究,深入分析了样品正向与反向弯曲的成形机理以及温度场与应力场分布规律,为实现玻璃微小器件的快速精确成形提供了理论依据。论文的主要研究工作如下:（1）利用CO2激光分别对硼硅酸盐玻璃薄片进行了正向与反向弯曲成形实验,得到了适合正向及反向弯曲成形的工艺参数,并研究了各工艺参数以及样品几何尺寸对弯曲效果的影响。（2）分析了玻璃薄片正向与反向弯曲机理,并利用有限元分析软件ANSYS分别对玻璃薄片正向与反向弯曲成形进行了数值模拟,通过模拟结果分析了样品厚度方向温度梯度及应力应变场的分布,对弯曲机理进一步确认。（3）利用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜对激光扫描弯曲后的硼硅酸盐玻璃薄片微观结构变化进行了检测分析。上述研究工作解决了玻璃材料微小器件的快速成形问题,为脆性材料的柔性加工提供了理论基础,对促进玻璃材料在航空航天、微电子等高科技领域的应用具有重要的现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 激光弯曲成形技术概述
• 1.2 激光弯曲成形的国内外研究现状
• 1.2.1 激光弯曲影响因素研究
• 1.2.2 激光弯曲成形机理研究
• 1.2.3 激光弯曲材料性能检测
• 1.2.4 脆性材料激光弯曲的研究现状
• 1.3 论文的研究背景及主要工作
• 2 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形实验条件及数值模型建立
• 2.1 实验条件
• 2.1.1 激光加工设备的选择
• 2.1.2 实验样品的制备
• 2.1.3 弯曲角度的测量
• 2.2 激光弯曲成形有限元分析数值模型
• 2.2.1 有限元激光加热与传热求解
• 2.2.2 创建模型
• 2.2.3 施加载荷
• 2.2.4 求解设置
• 2.2.5 模拟过程中的相关假设
• 2.3 本章小结
• 3 硼硅酸盐玻璃薄片激光正向弯曲成形实验研究及机理分析
• 3.1 实现正向弯曲的条件
• 3.2 影响正向弯曲成形角度的主要因素
• 3.2.1 激光功率对弯曲角度的影响
• 3.2.2 扫描速度对弯曲角度的影响
• 3.2.3 扫描次数对弯曲角度的影响
• 3.2.4 样品宽度对弯曲角度的影响
• 3.3 玻璃薄片激光正向弯曲机理分析与模拟
• 3.3.1 温度梯度机理在正向弯曲中的作用
• 3.3.2 数值模拟结果与分析
• 3.4 本章小结
• 4 硼硅酸盐玻璃薄片激光反向弯曲成形实验研究及机理分析
• 4.1 实现反向弯曲的条件
• 4.2 影响反向弯曲成形角度的主要因素
• 4.2.1 扫描次数对弯曲角度的影响
• 4.2.2 样品宽度对弯曲角度的影响
• 4.3 玻璃薄片激光反向弯曲机理分析与模拟
• 4.3.1 翘曲机理在反向弯曲中的作用
• 4.3.2 数值模拟结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 激光作用对弯曲样品微观结构影响
• 5.1 检测手段简介
• 5.1.1 红外吸收光谱分析
• 5.1.2 X射线衍射法物相分析
• 5.1.3 扫描电镜观测
• 5.2 检测与分析结果
• 5.2.1 样品红外光谱特性
• 5.2.2 弯曲样品晶相变化
• 5.2.3 显微结构观测分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 部分ANSYS APDL程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢