航天用特殊材料加工技術(shù)

1、航天用特殊材料加工技術(shù)09機(jī)自A1 王駿超 0948101881、 選擇材料石英1.1簡(jiǎn)介石英是一種礦物質(zhì)晶體，具有壓電效應(yīng)。本身具有極其穩(wěn)定的固有振動(dòng)頻率，在振蕩電路中相當(dāng)于一個(gè)電感和電容。在石英表石英鐘中石英晶體作為振蕩電路的核心元件，再通過(guò)分頻電路產(chǎn)生1Hz或2Hz的頻率，通過(guò)電機(jī)推動(dòng)指針或電路驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。由于以石英晶體作為振蕩電路的核心元件使得振蕩電路的振動(dòng)頻率非常穩(wěn)定，就可以保證分頻得到的1Hz或2Hz的頻率非常精確，進(jìn)而使石英表石英鐘也獲得極高的計(jì)時(shí)精度。由于石英晶體振蕩電路的振動(dòng)頻率非常穩(wěn)定，石英晶體振蕩器也廣泛地應(yīng)用于需要時(shí)鐘的各類數(shù)字電路中。常見(jiàn)的電視、遙控器、手機(jī)、電腦

2、、數(shù)碼相機(jī)中都使用了一塊或多塊石英晶體。石英是硅的氧化物之一，其化學(xué)組成為SiO2，三方晶系。半透明或不透明的晶體；含有雜質(zhì)時(shí)顏色不一，無(wú)色透明的晶體稱水晶，乳白色的稱乳石英，淺紅色的稱薔薇石英，紫色的稱紫水晶，黃褐色的稱煙晶、茶晶，黑色的稱墨晶。純潔的石英能夠讓一定波長(zhǎng)范圍的紫外線、可見(jiàn)光和紅外線通過(guò)，具有旋光性、壓電和電致伸縮等性質(zhì)。石英的完整晶體產(chǎn)于巖石晶洞中，塊狀的產(chǎn)于熱葉脈礦中，粒狀的則是花崗巖、片麻巖和砂巖等各種巖石的重要組成部分。石英是大陸地殼數(shù)量第二多的礦石，僅次于長(zhǎng)石，質(zhì)地堅(jiān)硬，是花崗巖的主要成分。是SiO2的十余種天然同分異構(gòu)體中唯一在常溫常壓下穩(wěn)定的變體。石英有很多種變體

3、，其中一些是半珍貴的寶石。尤其在歐洲和中東地區(qū)，自古以來(lái)石英被廣泛用作制作珠寶和硬石雕刻。石英晶體也可用人工方法生長(zhǎng)；石英也能做為玻璃的制作材料之一。1.2分類石英按品質(zhì)可分為普通石英砂，精制石英砂，高純石英砂，熔融石英砂。1，普通石英砂：SiO29099%，F(xiàn)eO 0.060.02%，耐火度17501800，外觀部分大顆粒，表面有黃皮包囊。粒度范圍5220目，可按用戶要求粒度生產(chǎn)。主要用途：冶金，墨碳化硅，玻璃及玻璃制品，搪瓷，鑄鋼，水過(guò)濾，泡花堿，化工，噴沙等行業(yè)。2，精制石英砂：SiO29999.5%，F(xiàn)e2O30.020.015%，精選優(yōu)質(zhì)礦石進(jìn)行復(fù)雜加工而成。粒度范圍用5480目，可

4、按用戶要求生產(chǎn)，外觀白色或結(jié)晶狀。主要用途：高級(jí)玻璃，玻璃制品，耐火材料，熔煉石類，精密鑄造，砂輪磨材等。3，高純石英砂：SiO299.599.9%，F(xiàn)eO0.005%，是采用13級(jí)天然水晶石和優(yōu)質(zhì)天然石類，經(jīng)過(guò)精心挑選，精細(xì)加工而成。粒度范圍10.5mm, 0.50.1mm，0.10.01mm，0.010.005mm 不等。4，熔融石英砂化學(xué)成份： SiO2：99.999.99%；Fe2O3：10PPM25PPM； Max Li2O 含量：12PPM；Max Al2O3 含量：2030PPM；Max K2O 含量：2025PPM；Max Na2O 含量：1020PPM。物理性能：外觀為無(wú)色透

5、明塊狀，顆?；虬咨勰?。真比重：2.21； 莫氏硬度：7.0；PH值：6.05，硅微粉硅微粉：外觀為灰色或灰白色粉末。耐火度1600。容重：200250千克/立方米。石英砂是重要的工業(yè)礦物原料，廣泛用于玻璃、鑄造、陶瓷及耐火材料、冶金、建筑、化工、塑料、橡膠、磨料等工業(yè)。1.3應(yīng)用領(lǐng)域及用途：1，玻璃平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等）、光學(xué)玻璃、玻璃纖維、玻璃儀器、導(dǎo)電玻璃、玻璃布及防射線特種玻璃等的主要原料2，陶瓷及耐火材料瓷器的胚料和釉料，窯爐用高硅磚、普通硅磚以及碳化硅等的原料3，冶金硅金屬、硅鐵合金和硅鋁合金等的原料或添加劑、熔劑4，建筑混凝土、膠凝材料、筑路材料

6、、人造大理石、水泥物理性能檢驗(yàn)材料（即水泥標(biāo)準(zhǔn)砂）等5，化工硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，無(wú)定形二氧化硅微粉等6，機(jī)械鑄造型砂的主要原料，研磨材料（噴砂、硬研磨紙、砂紙、砂布等）7，電子高純度金屬硅、通訊用光纖等8，橡膠、塑料填料（可提高耐磨性）9，涂料填料（可提高涂料的耐候性）10，航空、航天其內(nèi)在分子鏈結(jié)構(gòu)、晶體形狀和晶格變化規(guī)律，使其具有的耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、高度絕緣、耐腐蝕、壓電效應(yīng)、諧振以及其獨(dú)特的光學(xué)特性。航天航空器材，一般都使用金屬材料做骨架的。而金屬材料有個(gè)特性是靜電屏蔽，就是不透過(guò)電磁波。而飛機(jī)或?qū)椈鸺龋夹枰姶挪▉?lái)控制或傳輸信號(hào)，這樣就需要一個(gè)窗口，這個(gè)

7、窗口不能用金屬材料，要用石英玻璃纖維做成的復(fù)合材料做。這就是石英玻璃在航天航空的主要用途。飛機(jī)的頭部，很大面積都是用石英纖維布做的復(fù)合材料。2、材料分類、性能、加工性2.1石英材料的性能1. 組分單一SiO2定義：SiO2含99.5%以上的玻璃體稱為石英玻璃；不透明石英玻璃SiO2含 99.5；氣煉石英玻璃99.97；電子級(jí)石英玻璃99.99%；高級(jí)石英玻璃99.999以上；最高級(jí)99.9999% ，Heraeus產(chǎn)品。石英玻璃（quartz glasss，fused quartz）分玻璃；國(guó)際上也稱硅玻璃Silica glass。一般的講：根據(jù)原料不同，稱法也不一樣天然石英晶體（水晶） fu

8、sed quartz天然石英礦石（硅石） fused silica人工合成石英晶體 Synthetic quartz人工合成硅的鹵化物Si Synthetic quartz可以根據(jù)對(duì)方提供的圖紙上的材料一攔說(shuō)明，認(rèn)出是何種石英玻璃。2. 硬度高莫氏硬度7。硬的物質(zhì)一定脆、易碎，所以加工一定得當(dāng)心，石英玻璃有了裂紋，就容易滲進(jìn)未開(kāi)裂之處，裂紋延伸、擴(kuò)大。3. 耐高溫性能好，是石英玻璃另一個(gè)重要基本性能能承受1300左右的高溫，可以在11001200條件下長(zhǎng)期工作；抗高溫形變：石英玻璃管在120010 恒溫24h；其形變率：4%，120mm6%，120mmSiO鍵強(qiáng)106千卡/摩爾石英玻璃的耐高溫

9、性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何一種玻璃石英玻璃的耐高溫性能與其生產(chǎn)工藝不同而各有差異。電熔法優(yōu)于氣煉法，等離子優(yōu)于電熔法，氣煉法優(yōu)于連熔法，其原因是OH-含量不同。表征石英玻璃性能的三個(gè)主要溫度點(diǎn)： 退火溫度： 這個(gè)溫度下，15min內(nèi)，內(nèi)部應(yīng)力基本釋放空，對(duì)應(yīng)lg13，11401180。 軟化點(diǎn)溫度：在這個(gè)溫度下，石英玻璃將在其自重情況下變形，對(duì)應(yīng)lg7，15801650。 熔化溫度：石英玻璃 固體狀態(tài)17131756。理論上，石英玻璃能承受1000以上高溫，短時(shí)間使用1450， GE-214型1100長(zhǎng)期使用，1300短時(shí)間使用。為了進(jìn)一步提高石英玻璃耐高溫性能，各公司竟相研制新產(chǎn)品；如我國(guó)Al2O3涂

10、層管，SiC涂層管。4. 熱膨脹性能熱膨脹系數(shù)極低，僅為普通玻璃的1/4。=5.1010-7/（常溫下）。5. 熱穩(wěn)定性好石英玻璃具有承受高溫巨變的能力。TCT597-1995石英玻璃在1100恒溫15min，置于205水中急冷，不得出現(xiàn)裂紋、缺口。大件制品在1100恒溫 15min，置于空氣中冷卻，不炸裂、無(wú)缺口。石英玻璃的熱穩(wěn)定性還取決于玻璃的熱歷史，還和它的物理性能如線脹系數(shù)、彈性抗張強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、熱容量有關(guān)，還有內(nèi)應(yīng)力、制品表面微裂紋、形狀尺寸、加熱冷卻條件等。6. 粘度石英玻璃的粘度與生產(chǎn)工藝、所用材料、含金屬雜質(zhì)、OH含量及其之不純物相關(guān)。石英玻璃粘度大：成型操作范圍很窄，溫度高了

11、，揮發(fā)量大；溫度低了，粘度大，拉不動(dòng)。選擇適當(dāng)?shù)募庸囟群苤饕?. 結(jié)晶性結(jié)晶性：透明石英玻璃在特定的溫度下析出晶體造成失透。石英玻璃長(zhǎng)期在高溫下使用，由表及里蔓延，擴(kuò)大而脫落。原因：產(chǎn)生了方石英。影響析晶的因素：溫度、時(shí)間、雜質(zhì)（內(nèi)因加外因）透明石英玻璃析晶從1000開(kāi)始，1200顯著，1525最大值，時(shí)間越長(zhǎng)，析晶越嚴(yán)重，方石英生產(chǎn)量越多，石英玻璃內(nèi)部的雜質(zhì)離子和表面玷污是析晶的內(nèi)因，雜質(zhì)越多，析晶越快越多。通常，析晶總是從表面上或多或少的污染點(diǎn)開(kāi)始，在向內(nèi)部擴(kuò)展，堿金屬和堿土金屬離子對(duì)析晶有極大影響，約可以降低析晶開(kāi)始溫度200300。石英玻璃的其它性能，如：光譜特性、高透過(guò)率、耐 性

12、能、機(jī)械性能、化學(xué)性能、耐酸不耐堿、電學(xué)性能等不展開(kāi)討論。3、激光加工回顧20世紀(jì)對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生重大影響的科技發(fā)明，激光器的誕生無(wú)疑是一個(gè)極為耀眼的亮點(diǎn)，激光以其無(wú)與倫比的技術(shù)優(yōu)勢(shì)正繼微電子技術(shù)之后，推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。發(fā)達(dá)國(guó)家為了在全球競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中占據(jù)世界信息技術(shù)的制高點(diǎn)，贏得主動(dòng)權(quán)，紛紛加緊實(shí)施激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃，如美國(guó)的“激光核聚變計(jì)劃”，德國(guó)的“激光2001行動(dòng)計(jì)劃”，英國(guó)實(shí)施“阿維爾計(jì)劃”，日本啟動(dòng)“激光研究五年計(jì)劃”等。這些項(xiàng)目的實(shí)施，有效推動(dòng)了全球激光產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。3.1激光加工技術(shù)的工作原理激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化氣化而進(jìn)行穿孔、切割

13、和焊接等的特種加工。早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀(jì)70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、 高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對(duì)激光加工機(jī)理和工藝的深入研究，激光加工技術(shù)有了很大進(jìn)展，使用范圍隨之?dāng)U大。數(shù)千瓦的激光加工機(jī)已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設(shè)備競(jìng)相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了激光加工機(jī)的自動(dòng)化水平和使用功能。 從激光器輸出的高強(qiáng)度激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦到工件上，其焦點(diǎn)處的功率密度高達(dá)10(10(瓦/厘米(，溫度高達(dá)1萬(wàn)攝氏度以上，任何材料都會(huì)瞬時(shí)熔化、氣化。激光加工就是利用

14、這種光能的熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器和氣體激光器。從激光器輸出的高強(qiáng)度激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦到工件上，其焦點(diǎn)處的功率密度高達(dá)1071012瓦厘米2，溫度高達(dá)1萬(wàn)攝氏度以上，任何材料都會(huì)瞬時(shí)熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器（圖1）和氣體激光器（圖2）。使用二氧化碳?xì)怏w激光器切割時(shí)，一般在光束出口處裝有噴嘴，用于噴吹氧、氮等輔助氣體，以提高切割速度和切口質(zhì)量。由于激光加工是無(wú)接觸式加工，工具不會(huì)與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對(duì)象受熱影響的范圍

15、較小而且不會(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。加工過(guò)程大體上可分為如下幾個(gè)階段：1.激光束照射工件材料（光的輻射能部分被反射，部分被吸收并對(duì)材料加熱，部分因熱傳導(dǎo)而損失）；2.工件材料吸收光能；3.光能轉(zhuǎn)變成熱能是工件材料無(wú)損加熱（激光進(jìn)入工件材料的深度極淺，所以在焦點(diǎn)中央，表面溫度迅速升高）；4.工件材料被熔化、蒸發(fā)、汽化并濺出去除或破壞；5.作用結(jié)束與加工區(qū)冷凝。3.2激光加工的特點(diǎn)激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢(shì)：1、光點(diǎn)小，能量集中，熱影響區(qū)??； 2、不接觸加工工件，對(duì)工件無(wú)污染； 3、不受電磁干擾，與電子束加工相

16、比應(yīng)用更方便； 4、激光束易于聚焦、導(dǎo)向，便于自動(dòng)化控制。 5、范圍廣泛：幾乎可對(duì)任何材料進(jìn)行雕刻切割。 6、安全可靠：采用非接觸式加工，不會(huì)對(duì)材料造成機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力。 7、精確細(xì)致：加工精度可達(dá)到0.1mm 8、效果一致：保證同一批次的加工效果幾乎完全一致。 9、高速快捷：可立即根據(jù)電腦輸出的圖樣進(jìn)行高速雕刻和切割，且激光切割的速度與線切割的速度相比要快很多。 10、成本低廉：不受加工數(shù)量的限制，對(duì)于小批量加工服務(wù)，激光加工更加便宜。 11、切割縫細(xì)?。杭す馇懈畹母羁p一般在0.1-0.2mm。 12、切割面光滑：激光切割的切割面無(wú)毛刺。 13、熱變形?。杭す饧庸さ募す飧羁p細(xì)、速度快、能量

17、集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。 14、適合大件產(chǎn)品的加工：大件產(chǎn)品的模具制造費(fèi)用很高，激光加工不需任何模具制造，而且激光加工完全避免材料沖剪時(shí)形成的塌邊，可以大幅度地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本提高產(chǎn)品的檔次。 15、節(jié)省材料：激光加工采用電腦編程，可以把不同形狀的產(chǎn)品進(jìn)行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率，大大降低了企業(yè)材料成本3.3激光切割的特點(diǎn)1、切割縫細(xì)：激光切割的割縫一般在0.100.20mm。2、切割面光滑：激光切割的切割面無(wú)毛刺，表面粗糙度一般控制在Ra：12.5以上。3、速度快：激光切割的速度與線切割的速度相比要快很多。4、熱變形?。杭す饧庸さ募す飧羁p細(xì)

18、、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。5、激光切割不會(huì)與材料表面相接觸，保證產(chǎn)品不劃傷。6、適合大件產(chǎn)品的加工：大件產(chǎn)品的模具制造費(fèi)用很高，激光加工不需任何模具制造，而且激光加工完全避免材料沖剪時(shí)形成的塌邊，可以大幅度地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本提高產(chǎn)品的檔次。7、非常適合新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)：一旦產(chǎn)品圖紙形成后，馬上可以進(jìn)行激光加工，你可以在最短的時(shí)間內(nèi)得到新產(chǎn)品的實(shí)物。8、節(jié)省材料：激光加工采用電腦編程，可以把不同形狀的產(chǎn)品進(jìn)行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率。9、適合激光加工的材料：激光可以對(duì)鋼板、不銹鋼、鋁合金板、硬質(zhì)合金等進(jìn)行加工。10、激光加工應(yīng)用行業(yè)：（

19、1） 目前開(kāi)展激光加工的方面主要是電梯、自動(dòng)扶梯、紡織機(jī)械、食品機(jī)械、輕工機(jī)械、冷凍機(jī)械、印刷機(jī)械、復(fù)印機(jī)械、交通機(jī)械、港口機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、船舶機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、筑路機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械、環(huán)保機(jī)械及礦山、冶金機(jī)械等等的板金加工。（2） 其次是電子、電器業(yè)包括醫(yī)療儀表、器械以及控制柜箱等板金加工（3） 電機(jī)制造業(yè)中各類轉(zhuǎn)子、定子、葉片的切割成型。（4） 量具、刃具業(yè)中各類鋸條鋸片等切割成型。（5） 汽車制造業(yè)包括零件、總裝合成和流水線中部件的制造。（6） 廣告、裝潢及工藝品制造業(yè)。3.4激光切割的合理工作參數(shù)除精細(xì)切割如切割硅片可用YAG固體激光器外，激光切割一般采用CO2激光器，其工作參數(shù)主要有切割速

20、度、切縫寬度和切割厚度。1、激光切割速度 它隨激光功率和噴氣壓力增大而增加，而隨被切材料厚度增加而降低。切割6mm厚度碳素鋼鋼板的速度達(dá)到2.5m/min，而厚度為12mm的鋼板僅為0.8m/min。切割15.6mm厚的膠合板為4.5m/min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度則達(dá)27m/min。2、切縫寬度 一般在0.5mm左右，它與被切材料性質(zhì)及厚度、激光功率大小、焦距及焦點(diǎn)位置、激光束直徑、噴吹氣體壓力及流量等因素有關(guān)，其影響程度大致與對(duì)打孔直徑的影響相似。切割精度可達(dá)0.020.01mm。3、切割厚度 它主要取決于激光輸出功率。切割碳素鋼時(shí)，1kW級(jí)激光器的極限切割厚度為9mm，1.5

21、kW級(jí)為12mm，2.5kW級(jí)為19mm；2.5kW級(jí)切割不銹鋼的最大切割厚度則為15mm。對(duì)于厚板切割則需配置3kW以上的高功率激光器。4、輔助氣體提高切割效率和切口質(zhì)量 由于金屬表面的激光反射率可高達(dá)95%，使激光能量不能有效地射入金屬表面。噴吹氧氣或壓縮空氣能促進(jìn)金屬表面氧化，可提高對(duì)激光的吸收率來(lái)提高切割效率。增加吹氧壓力還可使切縫減小，切割石英時(shí)，吹氧可防止再粘結(jié)。切割易燃材料時(shí)，可噴惰性氣體防止燃燒，切割帶有金屬夾層的易燃材料，宜采用壓縮空氣。當(dāng)吹氣壓力未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，增加壓力可增大切割厚度。對(duì)于熔點(diǎn)低、分解點(diǎn)低及導(dǎo)熱性差的塑料、纖維、木材、布料等，一般應(yīng)采用長(zhǎng)焦距的鍺透鏡來(lái)聚焦

22、激光束。3.5優(yōu)點(diǎn)激光束聚焦后形成具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)，把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，可提供（1） 狹的直邊割縫（2） 最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)（3） 極小的局部變形其次，激光束對(duì)工件不施加任何力，它是無(wú)接觸切割工具，這就意味著：（1） 工件無(wú)機(jī)械變形；（2） 無(wú)刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問(wèn)題；（3） 切割材料無(wú)須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性強(qiáng)，并有高的適應(yīng)性和柔性，因而（1） 與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合很方便，容易實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程自動(dòng)化；（2） 由于不存在對(duì)切割工件的限制，激光束具有無(wú)限的仿形切割能力；（3） 與計(jì)算機(jī)結(jié)合，可整張板排料，節(jié)省材料。3.6缺點(diǎn)：1：成本較高，必須有輔助氣體。2：無(wú)法完成成型拉伸。（現(xiàn)在有激光沖壓復(fù)合機(jī)，不過(guò)好像太貴）3：速度相對(duì)數(shù)控沖床低一些。 3.7加工方法反應(yīng)氣體輔助加工法在激光切割過(guò)程中，采用氧氣作為輔助氣體，利用氧氣與被切割材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，使得被切割材料在反應(yīng)氣體中燃燒生成火焰，可大大增強(qiáng)激光切割能力，在切縫中形成流動(dòng)液態(tài)熔渣，這些熔渣被高速氧氣流連續(xù)不斷的棚舍清楚。此法切割效率高、成本低，故應(yīng)用廣泛，適合于各種金屬材料及某些可融化非金屬