氮化硅陶瓷空心浮力球的制備及性能研究.pdf

1、深海蘊(yùn)含著大量的礦物、能源，生物物種多樣性高度豐富，甚至還可能包含解開地球生命起源之謎的鑰匙。進(jìn)入21世紀(jì)以來，各國對(duì)深海探測和開發(fā)愈加重視，而深海探測與開發(fā)離不開深潛裝備的發(fā)展。為響應(yīng)國家和上海市關(guān)于重點(diǎn)推進(jìn)全海深(最深11000米)深潛器等深潛裝備研制的需求，本論文針對(duì)裝備的深海的關(guān)鍵材料之一，高性能陶瓷空心浮力球展開了研究。主要討論了陶瓷空心浮力球的設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)半球殼成型工藝進(jìn)行了較深入的研究，初步提出了陶瓷空心浮力球質(zhì)量控制方

2、法，并進(jìn)行了地面壓力試驗(yàn)驗(yàn)證，為陶瓷空心浮力球的實(shí)際應(yīng)用提供了部分試驗(yàn)依據(jù)。
　　氮化硅(Si3N4)陶瓷理論抗壓強(qiáng)度和彈性模量較高的同時(shí)，密度則相對(duì)較低，是陶瓷空心浮力球的最佳選材。理論計(jì)算表明內(nèi)徑100mm、壁厚2mm的Si3N4陶瓷空心浮力球的極限抗壓強(qiáng)度和極限屈曲強(qiáng)度分別為286.8和532.2 MPa，安全系數(shù)滿足SF≧2的條件(設(shè)計(jì)壓力115MPa)。通過ABAQUS有限元分析軟件對(duì)Si3N4陶瓷空心浮力球進(jìn)行屈曲強(qiáng)度

3、和最大主應(yīng)力分布計(jì)算，發(fā)現(xiàn)屈曲強(qiáng)度計(jì)算值與理論公式計(jì)算值相接近，最大主應(yīng)力分布較為均勻，是一種理想的耐壓結(jié)構(gòu)體。對(duì)比了Si3N4陶瓷耐壓罐的ABAQUS分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陶瓷罐的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性不如空心球體，從而存在較多的應(yīng)力集中區(qū)域，這些對(duì)于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有著較大的影響。―海神‖號(hào)無人潛水器的失事原因并不一定源于陶瓷空心球的內(nèi)爆，其使用的陶瓷耐壓罐的可能性更大。
　　研究了用于Si3N4陶瓷半球殼成型的凝膠注模成型和3D打印快速成型的工藝參數(shù)

4、。研究發(fā)現(xiàn)，凝膠注模成型的Si3N4陶瓷燒結(jié)件的致密度未能滿足要求，斷口顯微觀察發(fā)現(xiàn)生坯和燒結(jié)體中均存在較多針孔；3D打印成型的半球殼通過燒結(jié)可以制得理論密度達(dá)99.7％的半球殼樣件，材料的抗彎強(qiáng)度平均值為1150MPa，韋伯模數(shù)為12，壓縮強(qiáng)度平均值達(dá)到4347MPa，韋伯模數(shù)為19，充分表明了3D打印成型的Si3N4陶瓷燒結(jié)材料的力學(xué)性能優(yōu)異、可靠性高，通過3D打印成型技術(shù)可以進(jìn)行Si3N4陶瓷空心浮力球的制備；但是3D打印成型的陶

5、瓷半球殼生坯在后處理工藝中收縮不均，形成了壁厚梯度，空心球的外徑同樣存在不均勻現(xiàn)象。
　　對(duì)陶瓷空心球的主要規(guī)格參數(shù)進(jìn)行了測量，形成了相應(yīng)的質(zhì)量控制方法。Si3N4陶瓷半球殼的燒結(jié)密度應(yīng)達(dá)到3.23g/cm3以上方為合格品；已形成了公稱直徑100毫米、不同壁厚、球體密度分別為0.33、0.39、0.45 g/cm3的陶瓷空心球系列實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，這3個(gè)系列的產(chǎn)品浮力性能均優(yōu)于目前采用的萬米級(jí)深海浮力材料。
　　對(duì)密度為0.33

6、g/cm3的Si3N4陶瓷空心浮力球進(jìn)行了內(nèi)爆壓力試驗(yàn)，29個(gè)樣本的平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到203.8MPa，但測得的數(shù)據(jù)離散程度較大，表明制備工藝還尚需進(jìn)一步優(yōu)化。密度為0.39 g/cm3的Si3N4陶瓷空心浮力球內(nèi)爆壓力能達(dá)到300MPa，具有更高的安全系數(shù)。Si3N4陶瓷空心浮力球成功地完成了145MPa下保壓10小時(shí)的靜壓疲勞試驗(yàn)和115MPa下的1000次循環(huán)疲勞試驗(yàn)。陶瓷空心球的內(nèi)爆過程研究表明，在受壓階段陶瓷空心球積累了大量彈性