开题报告论文张祥.docx

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开题报告论文张祥

毕业设计（论文）开题报告

题目：

高强纤维增强锂铝硅微晶玻璃性能研究

院（系）材料科学与工程学院

专业材料成型及控制工程

学生张祥

学号100810320

班号1008103

指导教师夏龙

开题报告日期2013.12.28

哈尔滨工业大学教务处制

2005年9月

1研究意义

环境温度的变化，会引起材料的膨胀与收缩，在材料中产生热应力，会影响材料使用，严重者甚至导致材料失效。

锂铝硅系统的微晶玻璃，具有超低膨胀性，经过精心设计可使其在某一温度范围内达到零膨胀。

锂铝硅微晶玻璃具有小的膨胀性，从而带来其卓越的抗热冲击能力。

零膨胀微晶玻璃的零膨胀性能对提高航空航天结构和电子设备等的热几何稳定性有重要意义。

锂铝硅微晶玻璃在较大的范围内具有低膨胀甚至零膨胀的特殊性能和较高的透过率而被广泛研究和应用。

此外锂铝硅微晶玻璃还具有许多其它宝贵的性能：

如膨胀系数变化范围大、机械强度高、化学稳定性及热稳定性好、使用温度高及坚硬耐磨等。

由于锂铝硅微晶玻璃晶化程度高（70%以上），又具有超细的微晶结构，并且质地均匀致密，因而机械力学性能优良。

锂铝硅微晶玻璃的机械强度比一般玻璃高的多，抗弯强度一般为100~200MPa。

由于锂铝硅微晶玻璃的种种优异特性，使其在许多领域得到了广泛的应用。

以下简要介绍锂铝硅微晶玻璃的一些应用。

零膨胀微晶玻璃主要应用在现代航空技术，集成线路板和光学器件中，如太空机器人、航天飞机、宇宙飞船、天文望远镜或卫星的定位等方面；另一主要应用是耐高温的炊具、餐具，微波炉用器皿，高温电光源玻璃，高温观察窗等方面。

1.1反射式光学天文望远镜

对于大型反射式光学天文望远镜，超低膨胀（零膨胀）微晶玻璃的重要性不言而喻。

一方面，其星象质量不受望远镜镜片热惯性的破坏；另一方面，镜片在研磨过程中不需要等到热平衡即可检查质量，可大大缩短加工周期。

其镜片材料除了在热惯性上要求相当高之外，还需要有极小的内应力，较高的机械强度和硬度，良好的化学稳定性等。

唯有超低膨胀微晶玻璃镜坯材料才能较好的满足这些条件。

零膨胀透明LAS微晶玻璃（Zerodur）用来制造大型天文望远镜的反射镜是成功的应用范例之一，已经用它制得直径达12m，重达几千吨的巨型镜坯。

1.2零膨胀LAS透明微晶玻璃在导航方面的应用（激光陀螺仪）

激光陀螺仪是用于精密测量回转体系方向变化的仪器，是目前国际上最先进的新一代精密制导系统的核心部件，广泛应用于导弹、卫星、军舰等各种飞行器上。

LAS系零膨胀透明微晶玻璃作为激光陀螺仪的关键骨架材料，必须具有高度的透明性和高度的光学均匀性、热循环条件下的长期热稳定性和抗永久性畸变的能力，而Zerodur极低的膨胀性能和非常低的He渗透性对此应用来说尤其重要。

1.3零膨胀LAS透明微晶玻璃应用于精密机械

许多材料（金属、玻璃、晶体、塑料等）随温度变化而膨胀或收缩,形状发生变化，所以必须预先将设备保持恒温（空调或恒温室中等）或长时间放置使其温度稳定。

锂铝硅微晶玻璃具有低膨胀性能，甚至环境温度在0~100K的变化区间内形状也不发生变化。

高能激光工业中的CO2激光谐振器中用由多根长达20m的Zerodur棒组成的并联结构，所以在环境温度或激光器部件的温度发生变化时，而激光器的位置并不发生变化。

1.4特种电光源用微晶玻璃（投影光源反射器用微晶玻璃）

零膨胀LAS透明微晶玻璃具有机械强度高，坚硬耐磨以及良好的化学稳定性和热稳定性，能适应恶劣的使用环境；软化温度高，即使在高温条件下也能保持较高的机械强度；电绝缘性能优良，介电损耗小、介电常数稳定；密度小，且具有质地致密，不透水、不透气等优异性能。

投影仪上反射器所选用的材料及性能对整机的使用寿命、图象显示质量有重要影响，而且对投影系统价格起着举足轻重的作用。

特种电光源用耐热低膨胀微晶玻璃以其优良的性能、廉价的原材料和较低的制造成本，不失为一种高性能、低价位、应用广泛的实用新型特种电光源用材料。

1.5微波炉用器皿

微波炉用器皿一般可以用陶瓷或专用塑料材料，而不能用金属或搪瓷材料。

这是因为微波碰上金属制品将发生短路和反射现象。

如果把食物盛在金属容器里加热,微波遇到金属容器后立即全部反射回去，食物得不到热源加热；另外由于高频微波全部反射回去，就形成了电子技术上的高频短路，这会导致发射微波的电子管阳极产生高温，烧到发红而损坏。

零膨胀LAS透明微晶玻璃易被微波穿透、耐腐蚀，且耐热不易变形，不会因短路和反射现象造成微波炉的损坏。

1.6高温观察窗用微晶玻璃

高温观察窗用零膨胀LAS透明微晶玻璃具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高屏效的特点，在满足屏蔽性能和环境要求指标的前提下，提高了可视性要求和环境要求，为电子信息设备及系统的安全防护提供了关键的技术支撑。

目前低膨胀微晶玻璃的产业化应用已经相对成熟，该领域的研究已经从基本性能的要求向低能耗高性能方向转变。

虽然经过多年的研究低膨胀锂铝硅透明微晶玻璃已经取得了令人瞩目的成果，但作为一种重要的多晶材料，零膨胀LAS透明玻璃仍然面临一些重要的研究课题。

比如其脆性大、不耐冲击的弱点限制了它的广泛使用。

多年来人们采用了各种方法提高与改善陶瓷材料的强韧性。

研究表明：

采用纤维增强的方法既能保证材料强韧性的同步提高，又能有效地改善材料的高温性能。

碳纤维是具有高强度、高模量、低伸长、低密度，高耐磨性以及导电性能的新型纤维。

它可直接用作耐蚀性气体的滤材和液体的高温滤材、高温绝缘材料、催化剂载体、静电消除器等。

碳纤维的密度在1.8g/cm3，比铝还要轻，只相当于铁的1/4，但比钢还要硬，强度是铁的10倍。

目前，绝大多数碳纤维以复合材料的形式出现，如碳纤维增强塑料（CFRP）、碳纤维增强橡胶（CFRR）、碳纤维增强碳基复合材料（C/C）、碳纤维增强金属复合材料（CFRM）,碳纤维增强陶瓷（CFRC）、碳纤维增强纸等。

随着科技的发展，应用领域与日俱增，它们除了广泛应用于航空航天等高技术领域，还可用于文体用品、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面。

此外，在开发研究不用润滑油的轴承、齿轮、轴瓦、转轴、提升轮等运动频繁、负荷大的零件方面也有很好的前景。

近几十年来碳纤维的生产向高强度、高模量方向发展，已生产出高模量碳纤维（HM）、超高模量碳纤维、高强度碳纤维（HS），超高强度碳纤维和高强度、高模量碳纤维。

使用这类碳纤维去加强锂铝硅微晶玻璃的研究则不太多，本课题旨在研究长型高强度，高模量碳纤维增强锂铝硅微晶玻璃复合材料的增强效果。

2国内外研究现状及发展动态分析

2.1国内外研究现状

我国从20世纪70年代初期开始碳纤维增强陶瓷基复合材料的研究。

由于碳纤维增强石英复合材料中两相在化学上相容性好，在物理上匹配也适当，因而取得很好的增强增韧效果。

这一技术已在我国空间技术上有所应用。

目前陶瓷增强纤维多采用普通的低强度，低模量碳纤维，纤维种类为短纤维。

研究中发现，通过改变纤维体积分数，热压温度，基体相成分等可以较大程度的改善纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷基复合材料的热压工艺行为，降低热压温度，并提高其性能。

国外从20世纪50年代开始着手锂铝硅微晶玻璃的研究，就总体而言，国内生产的该系统微晶玻璃与国外的相比还存在不少差距。

而在高强碳纤维增强锂铝硅微晶玻璃这一领域，由于高强纤维出现时间较晚，所以国内外研究都不太多。

2.2发展动态

连续纤维增韧陶瓷基复合材料（CMC）是航空航天等高科技领域发展不可缺少的材料。

其中，连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiC）是研究最多、应用最成功的一种，并且目前仍在加大力度研究中。

虽然经过三十多年的研究，锂铝硅微晶玻璃领域已经取得了令人瞩目的成果，而今研究高潮已经过去，但是，作为一种重要的多晶材料，锂铝硅微晶玻璃仍然是材料科学界研究的热点之一。

在基础研究方面，主要深入研究锂铝硅微晶玻璃的组成，热处理制度与微观结构，宏观性质之间的关系，探索新的更有效的晶核剂及核化、晶化机理，以期待用这些知识来设计新材料；研究的范围从高硅区拓宽到中硅区，以期开拓新的应用领域。

在应用研究方面，不断拓展新的应用领域，如用纤维或晶须增强锂铝硅微晶玻璃作为未来的陶瓷发动机部件，用作金属与玻璃、陶瓷封接的新型封接材料，以及锂铝硅系统新型高档陶瓷釉。

美国于20世纪50年代开始研究粘胶基碳纤维，1959年生产出了粘胶基纤维，这是最早的碳纤维产品。

同一年，日本发明了制造碳纤维的新方法，即用聚丙烯腈基原丝制造碳纤维材料。

之后，英国皇家航空研究院的研究工作，使聚丙烯腈基碳纤维成为碳纤维工业的主流。

20世纪70年代中期，美国联合碳化公司研发了高性能沥青基碳纤维。

同时，日本东丽公司于20世纪70年代初期开始生产钓鱼杆和高尔夫球棒。

1974年，美国把碳纤维用于网球和羽毛球拍，实现了碳纤维增强塑料化。

20世纪80年代，碳纤维广泛用于客机、航天飞机和人造卫星。

随着社会和科学技术的发展，碳纤维的需求量以大约13%的速度逐年递增。

我国在意识到碳纤维对军工和民用的价值后，于1975年召开全国第一次碳纤维复合材料会议，将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。

经过四十多年的发展，我国碳纤维从无到有，取得了一定的成绩。

但总的来说，我国碳纤维材料的研发和生产水平低，不能满足国内与日俱增的市场需求。

目前，国内大部分企业的技术水平和设备水平低下，生产的碳纤维产品也在国际中下游水平。

3研究内容

研究内容：

高强度，高模量纤维对锂铝硅微晶玻璃增强效果研究。

本次探究拟采用T1000G，M40J两种纤维对锂铝硅微晶玻璃进行强化，以下是它们与普通纤维T300的主要性能参数对比：

表1：

不同纤维主要性能参数对比

纤维种类

抗拉强度

（MPa）

弹性模量

（GPa）

断裂伸长率

（%）

T10000G

6370

294

2.2

M40J

4410

377

1.2

T300

3530

230

1.5

通过对比我们可以得到以下结果：

相比于T300纤维，T1000G在抗拉强度上有很大提高，达到80%，弹性模量提高27%，而M40J在弹性模量上有很大提高，达到63%，抗拉强度提高24%。

由此我们将T1000G纤维作为相比于T300纤维为高强度的纤维，其模量提高作为次要因素，而将M40J纤维作为高模量纤维，而将其强度提高作为次要因素进行实验，以探究高强度，高模量纤维对锂铝硅微晶玻璃的增强效果。

通过将长型高强度纤维（即T1000G），高模量纤维（即M40J）分别作为增强相对锂铝硅微晶玻璃进行增强，制得复合材料后在对其各项性能进行测量，需测性能参数包括：

弹性模量，抗拉强度，弯曲强度，断裂伸长率等。

此外还需对样品进行X射线衍射分析，确定其内部成分，以及扫描电镜观察微晶玻璃晶粒形貌。

通过与T300纤维增强效果进行对比探索加强效果得出实验结论。

4研究方案

确定实验方案如下：

以溶胶-凝胶法制得锂铝硅微晶玻璃，加入纤维增强，以热压法制得碳纤维增强锂铝硅微晶玻璃复合材料，测其性能。

具体过程：

溶胶-凝胶法是制备材料的湿化学方法。

所谓溶胶是指液体介质中分散了1--100nm粒子的体系，微小的固体颖粒悬浮分散在液相中，并且不停地进行布朗运动。

凝胶是指胶体顺粒或高聚物分子相互交联，空间网络状结构不断发展，最终使得溶胶液逐步失去流动性，在网状结构的孔隙中充满液体的非流动半固态的分散体系，凝胶在干燥后形成干凝胶或气凝胶。

溶胶是否向凝胶发展，决定于胶粒间的作用力是否能够克服凝聚时的势垒作用。

因此，增加胶粒的电荷量、利用位阻效应和利用溶剂化效应等可以使溶胶更稳定，凝胶更困难，反之则更容易形成凝胶。

采用金属醇盐为起始原料是溶胶-凝胶法中最基本的方法，其基本原理是金属醉盐首先与水发生水解反应，反应过程如式如下：

M（OR）n+xH2O→M（OH）xORn-x+xROH

其中：

M为价态为n的金属；—OR为烷氧基。

在水解反应结束之前，缩聚反应已经发生，反应过程如式如下：

失水缩聚一M-OH+OH—M→—M—O—M一+H20

失醇缩聚一M—OR+HO—M—→一M—O—M—+ROH

醇盐的水解和缩聚反应是均相溶液转变为溶胶的根本原因，控制醉盐水解和缩聚的条件是得到高质量溶胶的前提。

制得的溶胶在空气中陈化，陈化过程中，胶体粒子逐渐聚集形成网络结构，对于许多实际应用，制品的成型就在此期间完成，如成纤、涂膜、浇注等。

从均匀的溶胶向凝胶转变得到湿凝胶，经萃取去溶剂或燕发，分别得到气凝胶或干凝胶，后者经烧结得致密陶瓷体。

溶胶—凝胶法制备材料的基本工艺过程如图1所示：

图1溶胶-凝胶法基本过程

通过将纤维浸入熔融的锂铝硅微晶玻璃，在纤维表面沾上陶瓷基体，然后将纤维纺布，制得层面状微晶玻璃，而后在用热压法将层片状微晶玻璃在热压条件下压制成型。

具体过程如下图所示：

图2复合材料制备工艺流程

（1）球磨

用去离子水作溶剂，羟甲基纤维素钠做粘结剂，按一定比例混合，加入相应数量粉末后，在球磨机上球磨，得到浆料。

（2）预浸

将连续碳纤维浸渍在浆料中5秒钟后，将其缠绕在自制六边形模具上，制得预制体。

（3）干燥

将带有预制体的六边形模具放入干燥箱内，将干燥箱温度调至400C，放置30min后取出，用刀片将预制体从六边形模具上剥落，制得纤维预浸体。

（4）热压成型

将制成的薄片切成适当的大小，叠置于石墨模具中，在真空热压炉中热压。

5为完成课题已具备和所需的条件

所需实验条件：

T1000G、M40J纤维，锂铝硅微晶玻璃，热压设备，干燥炉。

6预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施

（1）纤维的缠绕方式可能对结果带来影响

解决措施：

通过尝试不同的缠绕方式，测试最佳状态，同时注意总结缠绕方式对结果的影响。

（2）热压温度，压力等参数对热压效果的影响

解决措施：

实验初步拟定是注意温度和压力设置梯度化，注意查找相关文献，借鉴前人经验。

（3）材料热处理方式对制品性能的影响

解决措施：

通过查找相关文献，或咨询老师提前制定热处理工艺流程，注意总结不同热处理工艺对制品性能的影响。

（4）纤维在实验过程中可能出现的氧化问题对实验结果的影响

解决措施：

实验过程中的高温加热部分对纤维材料进行惰性气体保护。

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指导教师评语：

指导教师签字：

检查日期：

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