航天用特殊材料加工技术.docx
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航天用特殊材料加工技术
航天用特殊材料加工技术
09 机自 A1 王骏超 094810188
1、选择材料——石英
1.1 简介
石英是一种矿物质晶体，具有压电效应。
本身具有极其稳定的固有振动频
率，在振荡电路中相当于一个电感和电容。
在石英表石英钟中石英晶体作为振
荡电路的核心元件，再通过分频电路产生1Hz 或2Hz 的频率，通过电机推动指
针或电路驱动液晶显示屏。
由于以石英晶体作为振荡电路的核心元件使得振荡
电路的振动频率非常稳定，就可以保证分频得到的1Hz 或2Hz 的频率非常精确，
进而使石英表石英钟也获得极高的计时精度。
由于石英晶体振荡电路的振动频
率非常稳定，石英晶体振荡器也广泛地应用于需要时钟的各类数字电路中。
常
见的电视、遥控器、手机、电脑、数码相机中都使用了一块或多块石英晶体。
石英是硅的氧化物之一，其化学组成为 SiO2，三方晶系。
半透明或不透明
的晶体；含有杂质时颜色不一，无色透明的晶体称水晶，乳白色的称乳石英，
浅红色的称蔷薇石英，紫色的称紫水晶，黄褐色的称烟晶、茶晶，黑色的称墨
晶。
纯洁的石英能够让一定波长范围的紫外线、可见光和红外线通过，具有旋
光性、压电和电致伸缩等性质。
石英的完整晶体产于岩石晶洞中，块状的产于
热叶脉矿中，粒状的则是花岗岩、片麻岩和砂岩等各种岩石的重要组成部分。
石英是大陆地壳数量第二多的矿石，仅次于长石，质地坚硬，是花岗岩的
主要成分。
是 SiO2的十余种天然同分异构体中唯一在常温常压下稳定的变体。
石英有很多种变体，其中一些是半珍贵的宝石。
尤其在欧洲和中东地区，
自古以来石英被广泛用作制作珠宝和硬石雕刻。
石英晶体也可用人工方法生长；石英也能做为玻璃的制作材料之一。
1.2分类
石英按品质可分为普通石英砂，精制石英砂，高纯石英砂，熔融石英砂。
1，普通石英砂：
SiO2≥90~99%，FeO ≤0.06~0.02%，耐火度 1750~1800℃，外观部分大颗粒，
1
表面有黄皮包囊。
粒度范围 5~220 目，可按用户要求粒度生产。
主要用途：
冶
金，墨碳化硅，玻璃及玻璃制品，搪瓷，铸钢，水过滤，泡花碱，化工，喷沙
等行业。
2，精制石英砂：
SiO2≥99~99.5%，Fe2O3≤0.02~0.015%，精选优质矿石进行复杂加工而成。
粒度范围用 5~480 目，可按用户要求生产，外观白色或结晶状。
主要用途：
高
级玻璃，玻璃制品，耐火材料，熔炼石类，精密铸造，砂轮磨材等。
3，高纯石英砂：
SiO2≥99.5~99.9%，FeO≤0.005%，是采用 1~3 级天然水晶石和优质天然石
类，经过精心挑选，精细加工而成。
粒度范围 1~0.5mm,
0.5~0.1mm，0.1~0.01mm，0.01~0.005mm 不等。
4，熔融石英砂
化学成份：
SiO2：
99.9~99.99%；Fe2O3：
10PPM~25PPM； Max Li2O 含
量：
1~2PPM；MaxAl2O3含量：
20~30PPM；MaxK2O含量：
20~25PPM；Max Na2O 含量：
10~20PPM。
物理性能：
外观为无色透明块状，
颗粒或白色粉末。
真比重：
2.21； 莫氏硬度：
7.0；PH 值：
6.0
5，硅微粉
硅微粉：
外观为灰色或灰白色粉末。
耐火度>1600℃。
容重：
200～250 千克
/立方米。
石英砂是重要的工业矿物原料，广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及耐火材料、
冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料等工业。
1.3 应用领域及用途：
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）、光学玻璃、
玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料
2，陶瓷及耐火材料
瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料
3，冶金
硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂
4，建筑
混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即
水泥标准砂）等
5，化工
2
硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，无定形二氧化硅微粉等
6，机械
铸造型砂的主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等）
7，电子
高纯度金属硅、通讯用光纤等
8，橡胶、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
其内在分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的耐高温、热膨
胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀、压电效应、谐振以及其独特的光学特性。
航天航空器材，一般都使用金属材料做骨架的。
而金属材料有个特性是静
电屏蔽，就是不透过电磁波。
而飞机或导弹火箭等，都需要电磁波来控制或传
输信号，这样就需要一个窗口，这个窗口不能用金属材料，要用石英玻璃纤维
做成的复合材料做。
这就是石英玻璃在航天航空的主要用途。
飞机的头部，很
大面积都是用石英纤维布做的复合材料。
2、材料分类、性能、加工性
2.1 石英材料的性能
1.组分单一 SiO2
定义：
SiO2 含 99.5%以上的玻璃体称为石英玻璃；不透明石英玻璃 SiO2
含99.5％；气炼石英玻璃 99.97％；电子级石英玻璃 99.99%；高级石英玻璃
99.999％以上；最高级 99.9999% ，Heraeus 产品。
石英玻璃（quartz glasss，fused quartz）分玻璃；国际上也称硅玻璃 Silica
glass。
一般的讲：
根据原料不同，称法也不一样
天然石英晶体（水晶） fused quartz
天然石英矿石（硅石） fused silica
人工合成石英晶体Synthetic quartz
人工合成硅的卤化物 SiSynthetic quartz
可以根据对方提供的图纸上的材料一拦说明，认出是何种石英玻璃。
2.硬度高
3
莫氏硬度 7。
硬的物质一定脆、易碎，所以加工一定得当心，石英玻璃有
了裂纹，就容易渗进未开裂之处，裂纹延伸、扩大。
3.耐高温性能好，是石英玻璃另一个重要基本性能
能承受 1300℃左右的高温，可以在 1100～1200℃条件下长期工作；
抗高温形变：
石英玻璃管在 1200±10℃ 恒温 24h；
其形变率：
≯4%，Φ＜120mm
≯6%，Φ＞120mm
∵ Si－O 键强 106 千卡/摩尔
∴ 石英玻璃的耐高温性能远远超过任何一种玻璃
石英玻璃的耐高温性能与其生产工艺不同而各有差异。
电熔法优于气炼法，等离子优于电熔法，气炼法优于连熔法，其原因是
OH-含量不同。
表征石英玻璃性能的三个主要温度点：
Ø 退火温度：
这个温度下，15min 内，内部应力基本释放空，对应
lgη＝13°，1140～1180℃。
Ø 软化点温度：
在这个温度下，石英玻璃将在其自重情况下变形，对
应 lgη＝7°，1580～1650℃。
Ø 熔化温度：
石英玻璃固体状态 1713～1756℃。
理论上，石英玻璃能承受 1000℃以上高温，短时间使用 1450℃， GE-214
型 1100℃长期使用，1300℃短时间使用。
为了进一步提高石英玻璃耐高温性能，各公司竟相研制新产品；如我国
Al2O3 涂层管，SiC 涂层管。
4.热膨胀性能
热膨胀系数极低，仅为普通玻璃的 1/4。
α=5.10×10-7/℃（常温下）。
5.热稳定性好
石英玻璃具有承受高温巨变的能力。
TC／T597-1995
石英玻璃在 1100℃恒温 15min，置于 20±5℃水中急冷，不得出现裂纹、
缺口。
大件制品在 1100℃恒温 15min，置于空气中冷却，不炸裂、无缺口。
石英玻璃的热稳定性还取决于玻璃的热历史，还和它的物理性能如线胀系
数、弹性抗张强度、导热性、热容量有关，还有内应力、制品表面微裂纹、形
状尺寸、加热冷却条件等。
6.粘度
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石英玻璃的粘度与生产工艺、所用材料、含金属杂质、OH 含量及其之不纯
物相关。
石英玻璃粘度大：
∵成型操作范围很窄，温度高了，挥发量大；温度低了，粘度大，拉不动。
∴选择适当的加工温度很主要。
7.结晶性
结晶性：
透明石英玻璃在特定的温度下析出晶体造成失透。
石英玻璃长期在高温下使用，由表及里蔓延，扩大而脱落。
原因：
产生了 α－方石英。
影响析晶的因素：
温度、时间、杂质（内因加外因）
透明石英玻璃析晶从 1000℃开始，1200℃显著，1525℃最大值，时间越长，
析晶越严重，α－方石英生产量越多，石英玻璃内部的杂质离子和表面玷污是
析晶的内因，杂质越多，析晶越快越多。
通常，析晶总是从表面上或多或少的污染点开始，在向内部扩展，碱金属
和碱土金属离子对析晶有极大影响，约可以降低析晶开始温度 200～300℃。
石英玻璃的其它性能，如：
光谱特性、高透过率、耐性能、机械性能、化学性能、耐酸不耐碱、电
学性能等不展开讨论。
3、激光加工
回顾20世纪对人类社会产生重大影响的科技发明，激光器的诞生无疑是一
个极为耀眼的亮点，激光以其无与伦比的技术优势正继微电子技术之后，推动
人类科学技术进入新的发展阶段。
发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信
息技术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，如美国的
“激光核聚变计划”，德国的“激光2001行动计划”，英国实施 “阿维尔计划”，
日本启动“激光研究五年计划”等。
这些项目的实施，有效推动了全球激光产
业进入高速发展阶段。
3.1激光加工技术的工作原理
激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔、
切割和焊接等的特种加工。
早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和
微型焊接。
到20世纪70年代，随着大功率二氧化碳激光器、
5
高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入
研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。
数千瓦的激光加工机
已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。
各种专用的激光
加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结
合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。
从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度
高达10（～10（瓦/厘米（，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气
化。
激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工
的。
通常用于加工的激光器主要是固体激光器和气体激光器。
从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度
高达107～1012瓦／厘米2，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、
气化。
激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加
工的。
通常用于加工的激光器主要是固体激光器（图1）和气体激光器（图2）。
使用二氧化碳气体激光器切割时，一般在光束出口处装有喷嘴，用于喷吹氧、
氮等辅助气体，以提高切割速度和切口质量。
由于激光加工是无接触式加工，
工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对
象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。
由于激光束的能量和光束的移动速
度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
加工过程大体上可分为如下几个阶段：
1.激光束照射工件材料（光的辐射能部分被反射，部分被吸收并对材料加
热，部分因热传导而损失）；
2.工件材料吸收光能；
3.光能转变成热能是工件材料无损加热（激光进入工件材料的深度极浅，
所以在焦点中央，表面温度迅速升高）；
6
4.工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏；
5.作用结束与加工区冷凝。
3.2激光加工的特点
激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势：
1、光点小，能量集中，热影响区小；
2、不接触加工工件，对工件无污染；
3、不受电磁干扰，与电子束加工相比应用更方便；
4、激光束易于聚焦、导向，便于自动化控制。
5、范围广泛：
几乎可对任何材料进行雕刻切割。
6、安全可靠：
采用非接触式加工，不会对材料造成机械挤压或机械应力。
7、精确细致：
加工精度可达到0.1mm
8、效果一致：
保证同一批次的加工效果几乎完全一致。
9、高速快捷：
可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割，且激光切
割的速度与线切割的速度相比要快很多。
10、成本低廉：
不受加工数量的限制，对于小批量加工服务，激光加工更
加便宜。
11、切割缝细小：
激光切割的割缝一般在0.1-0.2mm。
12、切割面光滑：
激光切割的切割面无毛刺。
13、热变形小：
激光加工的激光割缝细、速度快、能量集中，因此传到被
切割材料上的热量小，引起材料的变形也非常小。
14、适合大件产品的加工：
大件产品的模具制造费用很高，激光加工不需
任何模具制造，而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边，可以大幅度地
降低企业的生产成本提高产品的档次。
15、节省材料：
激光加工采用电脑编程，可以把不同形状的产品进行材料
的套裁，最大限度地提高材料的利用率，大大降低了企业材料成本
3.3激光切割的特点
1、切割缝细：
激光切割的割缝一般在0.10～0.20mm。
2、切割面光滑：
激光切割的切割面无毛刺，表面粗糙度一般控制在
Ra：
12.5以上。
3、速度快：
激光切割的速度与线切割的速度相比要快很多。
4、热变形小：
激光加工的激光割缝细、速度快、能量集中，因此传到被切
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割材料上的热量小，引起材料的变形也非常小。
5、激光切割不会与材料表面相接触，保证产品不划伤。
6、适合大件产品的加工：
大件产品的模具制造费用很高，激光加工不需任
何模具制造，而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边，可以大幅度地降
低企业的生产成本提高产品的档次。
7、非常适合新产品的开发：
一旦产品图纸形成后，马上可以进行激光加工，
你可以在最短的时间内得到新产品的实物。
8、节省材料：
激光加工采用电脑编程，可以把不同形状的产品进行材料的
套裁，最大限度地提高材料的利用率。
9、适合激光加工的材料：
激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金
等进行加工。
10、激光加工应用行业：
（1）目前开展激光加工的方面主要是电梯、自动扶梯、纺织机械、食品
机械、轻工机械、冷冻机械、印刷机械、复印机械、交通机械、港口机械、运
输机械、船舶机械、农用机械、筑路机械、搬运机械、环保机械及矿山、冶金
机械等等的板金加工。
（2） 其次是电子、电器业包括医疗仪表、器械以及控制柜箱等板金加工
（3） 电机制造业中各类转子、定子、叶片的切割成型。
（4） 量具、刃具业中各类锯条锯片等切割成型。
（5） 汽车制造业包括零件、总装合成和流水线中部件的制造。
（6） 广告、装潢及工艺品制造业。
3.4激光切割的合理工作参数
除精细切割如切割硅片可用 YAG 固体激光器外，激光切割一般采用 CO2激
光器，其工作参数主要有切割速度、切缝宽度和切割厚度。
1、激光切割速度它随激光功率和喷气压力增大而增加，而随被切材料厚
度增加而降低。
切割6mm 厚度碳素钢钢板的速度达到2.5m/min，而厚度为
12mm 的钢板仅为0.8m/min。
切割15.6mm 厚的胶合板为4.5m/min，切割35mm
厚的丙烯酸酯板的速度则达27m/min。
2、切缝宽度一般在0.5mm 左右，它与被切材料性质及厚度、激光功率大
小、焦距及焦点位置、激光束直径、喷吹气体压力及流量等因素有关，其影响
程度大致与对打孔直径的影响相似。
切割精度可达±0.02～0.01mm。
3、切割厚度它主要取决于激光输出功率。
切割碳素钢时，1kW 级激光器
的极限切割厚度为9mm，1.5kW 级为12mm，2.5kW 级为19mm；2.5kW 级切割
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不锈钢的最大切割厚度则为15mm。
对于厚板切割则需配置3kW 以上的高功率
激光器。
4、辅助气体提高切割效率和切口质量由于金属表面的激光反射率可高达
95%，使激光能量不能有效地射入金属表面。
喷吹氧气或压缩空气能促进金属
表面氧化，可提高对激光的吸收率来提高切割效率。
增加吹氧压力还可使切缝
减小，切割石英时，吹氧可防止再粘结。
切割易燃材料时，可喷惰性气体防止
燃烧，切割带有金属夹层的易燃材料，宜采用压缩空气。
当吹气压力未超过某一数值时，增加压力可增大切割厚度。
对于熔点低、分解点低及导热性差的塑料、纤维、木材、布料等，一般应采用
长焦距的锗透镜来聚焦激光束。
3.5 优点
激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特
点。
首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供
（1）狭的直边割缝
（2）最小的邻近切边的热影响区
（3）极小的局部变形
其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着：
（1）工件无机械变形；
（2）无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；
（3）切割材料无须考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度
影响，任何硬度的材料都可以切割。
再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而
（1）与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；
（2）由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力；
（3）与计算机结合，可整张板排料，节省材料。
3.6缺点：
1：
成本较高，必须有辅助气体。
2：
无法完成成型拉伸。
（现在有激光冲压复合机，不过好像太贵）
3：
速度相对数控冲床低一些。
3.7 加工方法
反应气体辅助加工法
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在激光切割过程中，采用氧气作为辅助气体，利用氧气与被切割材料产生
强烈的放热反应，使得被切割材料在反应气体中燃烧生成火焰，可大大增强激
光切割能力，在切缝中形成流动液态熔渣，这些熔渣被高速氧气流连续不断的
棚舍清楚。
此法切割效率高、成本低，故应用广泛，适合于各种金属材料及某
些可融化非金属材料的切割。
但在切割某些金属材料时为防止切口氧化，银个
采用惰性气体作为辅助气体，而不易采用氧气。
对于含碳的非金属材料，为了
防止切口出现碳化现象，也不宜用氧气作为辅助气体。
4、选择理由
切割石英摆片选择激光加工是因为激光切割石英摆片可以解决超生加工工
具磨损严重的问题，切犹豫切割面融化后再凝固，还可以提高表面的抗冲击强
度，表面又光滑，很好的解决了崩边、边缘颗粒脱落及“钻蚀”现象，解决了
石英表“卡死”不能正常工作的问题，再有，激光切割的参与营利笑，解决了
犹豫参与营利释放造成输出信号的漂移问题。
其次，由于二氧化碳激光输出功率打，转换率高达 30%，即可连续工作，
游客脉冲工作，波长为 10.60m，切具有良好的大气透过率。
石英玻璃对 10.60m
波长的光束吸收率高，线胀系数笑，谷可以实现石英玻璃的激光切割。
因此，
可以用二氧化碳激光器进行石英摆片的成形加工。
特别是有些石英摆片结构复
杂，厚度警卫 0.66~0.76mm，槽部分缝宽只有（0.3±0.1）mm，这种薄片和窄
缝的切割只有激光最合适，因为激光所切缝宽最小可达 0.1mm。
此外，还可以提高生产效率，改善操作者的工作条件。
警官激光切割一次
性投资比较大，但激光切割质量（如热损伤层、表面粗糙度等），明显优于磨料
喷射加工和超声波加工。
所以加工石英类材料，大多选择激光加工最为合适。
5、参考文献
[1]刘晋春、赵家齐、赵万生.特种加工（第 4 版）[M].机械工业出版社，
2007.
[2]宋威廉，激光加工技术的发展[M].北京：
机械工业出版社，2008.
[3]赵万生.特种加工技术[M].北京：
机械工业出版社，2004.
[4]张辽远.现代加工技术[M].北京：
机械工业出版社，2002.
[5]刘振辉，杨嘉楷.特种加工[M].重庆：
重庆大学出版社，1991.
[6]韩荣第、金远强，航天用特殊材料加工技术[M]，哈尔滨工业大学出版社，
2007
10
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