Abstract:

工程陶瓷机械加工性能差，工程陶瓷表面/亚表面极易产生加工损伤，进而严重影响工程陶瓷零部件的服役性能及疲劳寿命。围绕工程陶瓷磨削加工，从应变率效应和材料本构关系模型等方面阐述了磨削加工损伤的形成及其演变机制；并在此基础上总结了工程陶瓷磨削损伤的影响因素及作用规律；其次，从工程陶瓷低损伤磨削加工工具与加工工艺两个方面深入探讨了抑制工程陶瓷磨削加工损伤的关键技术；最后，展望了抑制工程陶瓷磨削加工损伤关键技术的发展方向。

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钛合金钻削加工过程中易产生出口损伤，钻削轴向力直接影响制孔质量。本文建立了Ti6Al4V钛合金钻削轴向力解析模型，对Ti6Al4V钛合金进行钻削实验，利用钻削实验数据验证预测模型的准确性，进而研究了不同切削参数对轴向力和制孔质量的影响规律。结果表明，轴向力预测值和实验值的最大误差为12.8%，轴向力预测值与实验值吻合较好，该模型可用于预测钛合金的钻削轴向力。当进给速度保持不变，主轴转速增大时，轴向力减小，孔出口毛刺高度减小；当主轴转速保持不变，进给速度增大时，轴向力增大，孔出口毛刺高度先减小后增大。除低进给速度下钻削温度的影响，孔出口毛刺高度与轴向力呈正相关。在转速为1 000 r/min、进给速度为40 mm/min时，孔出口表面无烧伤且毛刺高度较小，制孔质量较好。

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为了研究7075/T651铝合金（火箭箭体材料）的冲击防护方式，本文通过实验与数值模拟结合的方法研究了两种不同密度的新型泡沫材料-人工软骨仿生材料（ACF材料）的缓震吸能性能。进行了不同速率下的材料压缩试验，获得了材料在不同应变率下的力学特性，通过低速冲击实验研究了ACF材料对铝合金的防护性能，基于低速冲击的数值模型，分析了冲击应力、模型能量变化以及铝合金板的位移。实验和数值模拟的研究表明，ACF材料的力学特性存在应变率效应且与密度有关，该泡沫材料可以大幅度降低被防护物所受冲击应力，有良好的缓震吸能效果，又因其密度小、柔性好的特点，可作为优良的箭体防护材料。

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在Al-50wt% Si合金切削加工过程中，铝基体发生塑性变形而增强相硅颗粒发生脆性破坏，极易产生裂纹、崩边、毛刺等缺陷，属于一种典型的难加工材料。本文针对Al-50wt% Si合金钻孔质量差的问题，采用单因素实验方法，对Al-50wt% Si合金进行干式钻削，开展孔壁形貌和棱边缺陷研究。结果表明，当钻头进给量为0.08 mm/r时，切削速度从30 m/min增加到70 m/min，轴向力增加了15.8%，孔壁表面粗糙度增加了19.8%。低切削速度下孔出口棱边形貌以颗粒脱落、毛刺为主，随着切削速度增加，孔出口棱边形貌以基体韧性断裂为主，孔出口棱边缺陷的径向宽度增大；当钻头切削速度为50 m/min时，进给量从0.04 mm/r增加到0.12 mm/r，轴向力整体上增大了74.3%，孔壁表面粗糙度增大了50.2%，低进给量下孔出口侧出现凸起变形和基体韧性断裂现象，随着进给量增加凸起变形减少，孔出口棱边缺陷的径向宽度先减少后增大，在进给量为0.08 mm/r时获得最小径向宽度。

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基于有限元仿真软件建立SiC颗粒为JH2本构模型的SiC_p/Al复合材料切削模型，并与前人的切 削试验进行了对比，研究不同SiC颗粒本构模型的变化规律以及其切屑、表面形貌和切削力。结果表明，切削 JH2模型SiC颗粒的SiC_p/Al复合材料所产生的切屑较为破碎，材料表面不同位置的颗粒更接近实际切削实验 中会出现挤出、碎断和凸起的情况，整体切削力波动较为平缓。JH2本构模型的 SiC颗粒适用于SiC_p/Al 复合材料切削仿真。

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气凝胶的易碎性、亲水性和高成本限制了其在民用领域的应用。本文提出了一种以二甲基二甲氧基硅烷（DMDMS）和乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）为共前驱体，采用常压干燥技术制备柔性疏水的聚倍半硅氧烷气凝胶的简单方法，研究了不同硅源配比对气凝胶结构和性能的影响。结果表明，当n（DMDMS/VTMS）=2∶3时，硅基气凝胶是三维纳米多孔结构，具有低密度（0.13 g/cm³）、低热导率［2.919×10^-2 W/（m·K）］和超疏水性（151°）的特点，在50%形变下，500次压缩循环后最大应力无明显变化。这种简单工艺制备的柔性气凝胶在隔热领域有着广阔的应用前景。

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提出了一种简单一锅法制备酚醛气凝胶（PA）的方案，将间苯二酚与甲醛混合后加入到碱性溶液中，添加十六烷基三甲基氯化铵作为表面活性剂，通过溶胶凝胶化和高温老化反应制备PA，探索了酚醛前驱液配比和pH对气凝胶结构和性能的影响。结果表明，随着甲醛含量的增加，PA的收缩率降低，密度和室温热导率增加，在酚醛比例为1∶4时，材料具有典型的三维网络结构，最低密度为0.32 g/cm³，隔热性能较好，室温热导率为0.031 8 W/（m·K），PA平均粒径为1.059 μm；碱性溶液pH越高，亚甲基和亚甲基醚键越多，凝胶粒径越大，颈部连接越紧密，以氨水作催化剂制备的PA收缩率最小，密度最低，隔热性能和热稳定性能较好。

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设计合成了一系列新型高回弹有机硅改性聚酰亚胺泡沫材料（IBPIF-Si），对其泡孔结构、力学性能进行了测试，分析了其发泡原理，探究了材料的最高适用温度。结果表明，相比于纯IBPIF泡沫材料，IBPIF-Si泡沫材料具有低密度［（22.0±6.7）mg/cm³］、高孔隙率（97.93%）、优异的疏水性［水接触角为（128±2.72）°］、柔韧性（线性弹性区为0~14.77%）。这一独特的改性方法拓宽了聚酰亚胺泡沫材料在航天领域中隔热、降噪、绝缘等方面的进一步应用。

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以国家某重点项目平流层长航时固定翼无人机项目为依托，研究无人机机翼结构件的成型技术。在保证无人机机翼结构强度、刚度、稳定性的前提下，通过外模压内气压的加压方式并结合热板烘箱加热技术固化成型碳纤维复合材料泡沫夹芯结构主梁和前缘；对主梁产品进行加载试验和有限元分析，根据分析结果对主梁产品表面补强。结果表明，补强后的主梁产品可满足2.5倍额定载荷要求，同时可承受102 N·m扭矩，且总重7.2 kg，前缘产品重0.19 kg，实现机翼结构部件的轻量化；本文研制产品满足各项技术指标，为超轻碳纤维复合材料结构件的成型提供新的技术手段。

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机织复合材料结构件在固化过程中会经历复杂的物理和化学变化，在固化成型脱模后产生变形，严重影响构件的成型精度。为了准确预测变形，本文首先建立了机织复合材料结构件固化变形的多尺度模型，后结合细观力学方法获得机织复合材料在固化过程中力学性能与热性能的演化。然后以变曲率薄壳件及含曲率的层合板构件作为研究对象，采用顺序热-力耦合的模拟方法，进一步分析了曲率、厚度参数对机织复合材料结构件固化特性的影响。结果表明，厚度较薄的机织复合材料结构件，固化温度梯度较低，固化程度比较均匀；曲率参数会对曲面机织件的固化变形产生一定的影响，且构件厚度越薄，曲率对变形的影响越显著；在变曲率薄壳件固化完成脱模后，同一曲率处，薄壳件经纬纱方向的最大位移大于厚度方向的最大位移。

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针对0.40 mm厚度0Cr17Ni4Cu4Nb与0.26 mm厚度3Cr19Ni9Mo2N不锈钢搭接接头开展激光焊接工艺试验，研究焊接接头组织及性能。焊接试件结构为搭接焊接3条纵向焊缝，采用HKQW-300激光焊接机在氩气保护氛围中焊接，对焊接接头的显微组织和测试力学性能进行分析。结果表明，当在激光功率为20 W，离焦量为+8 mm，速度为180 mm/min并氩气保护的工艺参数下焊接时，0Cr17Ni4Cu4Nb与3Cr19Ni9Mo2N材料激光焊接搭接接头的焊缝中组织为铁素体魏氏组织，焊缝熔宽为335.3～404.0 μm，热影响区（HAZ）较窄；焊接接头的拉断力优于5.493 9 kN，优于3Cr19Ni9Mo2N母材强化后拉断力的73.7%，达到产品焊接性能要求指标。焊接接头性能良好，焊缝无虚焊、焊透等现象，此工艺方法在某卫星的太阳翼压紧释放机构压紧带研制中推广应用。

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以两个批次断裂50CrVA弹簧为研究对象，通过对弹簧的断口分析、化学成分分析、微观组织分析和硬度测试的方法，揭示了两个批次弹簧的断裂模式和断裂机理，并提出有效的改进措施。结果表明：两批弹簧的断裂模式均为延迟脆性断裂，第一批弹簧的断裂机理为氢脆，可通过提高材料的回火温度和减少酸洗时间降低弹簧发生氢脆的风险；第二批弹簧的断裂机理为镉脆，可采用镀锌工艺替代镀镉工艺，提高弹簧镀层的耐热温度，降低弹簧出现低熔点金属致脆风险。

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针对金属增材制造样品中微米级尺度缺陷工业 CT检测灵敏度验证问题，设计并制造了一种包含参考标样的组装结构试块，实现了零件感兴趣区域的检测效果验证。使用试块初步研究了不同几何放大倍数下及不同偏心距离下试块感兴趣区域的缺陷检测灵敏度变化规律。研究结果表明，随着检测几何放大倍数的降低，及偏心距离的不断增大，缺陷的不可检缺陷的尺寸逐渐增大，缺陷的可检性及识别的准确率逐渐降低。

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采用热压罐成型工艺制备碳纤维增强环氧树脂基层合板（CFREL），通过人工加速老化试验方法，对层合板进行不同温度周期下的紫外老化实验，对不同温度、不同时间的试样进行力学性能测试并利用扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，研究CFREL的弯曲强度及层间剪切强度随紫外老化变化的情况，根据剩余强度模型和动力学曲线模型对其进行寿命预测。结果表明，计算得出的寿命预测模型与实验结果拟合较好，可以预测不同强度保持率下CFREL在自然光下的使用寿命。

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采用多种分析测试方法研究了羧基亚硝基氟橡胶在液相四氧化二氮（N₂O₄）介质中的老化行为。差式扫描量热分析、热重分析、溶剂溶胀方法和扫描电子显微镜结果表明，随着老化天数的增加，样品的玻璃化转变温度（T_g）未发生明显变化，但是热稳定性有所下降，溶胀度增加，同时样品表面逐渐出现微裂纹；表明样品在液相介质中逐渐发生老化。X-射线光电子能谱结果表明，与未老化样品相比，老化样品表面各元素含量并未发生明显变化，但部分交联点被破坏。热重-红外-气相色谱/质谱联用系统结果表明老化过程中，白炭黑填料的表面改性剂在N₂O₄介质作用下发生氧化，从而降低了样品的热稳定性。

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针对活塞环在隔离阀中装配状态与自由状态的差异性问题，开展活塞环自由形状曲线及校形工艺研究。本文采用静力学逆向研究，得出隔离阀活塞环自由状态的开口尺寸，并对其开口尺寸进行了力学测试。结果表明，开口尺寸符合装配力学要求；得出了等压条件下的活塞环自由状态曲线公式；提出了隔离阀活塞环的校形方法，并通过有限元静力学仿真技术校验并筛选出了合理的校形方案，为活塞环的小批量加工提供了基本工艺方法。

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为满足钛合金类难加工材料工件钻削加工的精度，提高加工效率并降低生产成本，本文通过理论分析、数值模拟以及实验相结合的方法，针对钻削过程的断屑问题设计断屑槽结构，并开展断屑槽作用下的轴向力、断屑过程、应变状态以及不同加工参数下的切屑形态等方面的研究。结果表明，实验与仿真的最大轴向力误差在10%~20%，且断屑形貌吻合较好，从而证实了有限元模型的可靠性。切屑长度随进给量减小而减小；在不同加工参数下，含断屑槽的钻头轴向力均小于无槽时的；切屑与反屑面的接触使得切屑产生卷曲，卷曲程度及所受应力随刀具进给量增大而增大。

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主要针对残余应力诱导工件变形进行研究分析，建立三维有限元铣削模型，考虑进给量与背吃刀量导致的残余应力对变形的影响，将仿真残余应力融入模型，研究其与变形的关系，并通过实验验证仿真可靠性。结果表明，随着每齿进给量的增大，工件表面（d=0）在X和Y方向上的残余压应力均相应随之增大，当测试点与表面距离d>10 μm时，残余应力基本保持不变；随着背吃刀量的增加，工件表面在X和Y方向的残余应力均相应随着增大；蒙皮变形量随着每齿进给量的增加而增加，随背吃刀量的增大而增大。仿真与测试结果对比表明，加工变形趋势基本一致，佐证了建模的可靠性。

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鉴于某型号整流罩存在环境温湿度较大，在该条件存放较长时间，可能会对产品的性能造成不利影响。为了验证湿热环境对铝蜂窝夹层结构复合材料性能的影响，将试样放置80 ℃、相对湿度85%的环境中，考察试样的存放时间与吸湿率的关系以及湿热环境对双压剪性能、平拉性能、侧压性能的影响规律。试验结果表明，存放时间达到8 d时吸水率达到平衡，双压剪强度基本不变，平拉强度下降了11.08%；侧压强度、侧压模量分别下降了11.04%，13.94%。通过对破坏形貌分析发现，吸水率达到平衡后，铝蜂窝表面的Al/Mg比值由42.11%提高至48.79%，蜂窝外观未出现明显变化。此时，平拉试样的破坏形貌由铝蜂窝破坏向铝蜂窝及铝蜂窝/面板界面混合破坏模式转变。