制备硅氧碳无裂纹陶瓷体和微小陶瓷辊棒

　　有机前驱体热解法是制备高温陶瓷的新方法，具有可在分子尺度上对陶瓷材料进行设计、液相成型和较低的制备温度等特点，在制备宏观高温陶瓷和微机电系统(MEMS)微小陶瓷辊棒有重要发展前景。前驱体聚合物热解中伴有较大失重和收缩，易导致陶瓷开裂，成为制备大尺寸陶瓷辊棒的主要难题。另一方面，采用液相前驱体热解制备微小陶瓷辊棒在国际上近期刚刚起步，研究集中于少数聚硅氮烷前驱体制备硅氮碳陶瓷辊棒，聚硅氮烷较贵、不易获得、难以处理。本论文基于易交联陶瓷化、价廉和易处理的液相聚硅氧烷前驱体，针对抑制陶瓷开裂和微成型等问题，开展了制备大尺寸硅氧碳(SiOC)陶瓷体和陶瓷微件的研究。采用在前驱体中引入液态第二相分子为缓冲剂的方法，抑制了交联和热解过程中前驱体和陶瓷的开裂，成功制得大尺寸无裂纹硅氧碳陶瓷。具体为在聚氢甲基硅氧烷(PHMS)和甲基乙烯基环硅氧烷(D4Vi)混合前驱体中引入聚二甲基硅氧烷(PDMS)为缓冲剂，经成型、交联和热解，获得长边尺寸为30mm的无裂纹SiOC陶瓷体。虽然陶瓷体有20%的气孔率，但维氏硬度可达8.1GPa。实验结果和分析表明，PDMS的引入缓解了硅氧烷交联固化过程中产生的应力，热解中在500-600°C脱出，为小分子副产物的脱出提供了通道，从而抑制陶瓷开裂。以PHMS+D4Vi为硅氧碳前驱体，金属(铝、铁、铜质)微件为母模，通过模转移和直接复模，经微成型、热交联和热解过程，成功制备出尺寸Φ=1.5mm的SiOC陶瓷微齿轮和有序多孔阵列，精度达10nm。制备中，采用PDMS为模转移材料，由于其与硅氧烷前驱体具有相似的化学结构，二者的良好润湿，形成高精度的微图案转移。与以往采用有机硅氮烷制备SiCN陶瓷微件不同，本过程所用硅氧烷廉价易得、对空气和水均不敏感、微成型过程能在空气中进行，这对其应用有重要意义。

　　利用对大直径旋转运动分解为小直径旋转运动与直线运动的合成，大大减少了误差。其次对设计出工作台的结构和工作台的系统组成，利用solidworks三维设计平台工具对工作台的整体进行了建模。工作台的导轨选用滚动导轨，陶瓷辊棒轴向运动采用高精度伺服电机驱动丝杠，丝杠副带动导轨滑块。旋转部件在导轨滑块之上。采用伺服电机驱动齿轮，带动主轴旋转。由于被加工件为陶瓷辊棒，属于难加工材料。所以该工作台采用气动吸盘式夹具系统。该工作台采用了3个传感器分别对工作圆台原点定位，旋转角度检测、直线位移量检测。同时与伺服电机形成闭环系统。然后，对旋转工作台的传动定位机构零部件进行了建模与选型，在此基础上对其传动速度、受力校核及其传动精度进行了深入分析与计算。提出该工作台的设计方案的可行性。最后，确定了该系统的基本硬件结构和可采用的运动控制方案及其计算机实现方法。论述了软件设计原则及其框架及其系统设计程序框架，为以后的硬件搭建和程序编写与调试提供了参考。本文着重于设计一个实用、可行的旋转加工工作台。紧密结合陶瓷辊棒精度要求，从选择方案到建立模型进行了综合分析，所研究的内容对后续工作的深入开展和设备开发具有一定的指导意义。

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