本发明专利技术公开了一种硬脆材料表面增韧剂，由溶质、稀释剂、固化剂和促进剂制成，溶质与稀释剂的质量比为1:0.5～5；溶质与促进剂的质量比为100:1～3；溶质与固化剂的质量比为2～50:1；溶质选自环氧树脂、酚醛树脂等；稀释剂选自无水乙醇或/和乙醚；固化剂选自聚酰胺树脂、二乙烯三胺、碳酸丙烯酯等；促进剂选自DBU或/和Thiol‑30L。本发明专利技术还公开了其在抑制硬脆材料磨削过程中崩碎损伤中的应用。本发明专利技术的硬脆材料表面增韧剂，在硬脆材料的表面渗透深度可达10～40μm，可使硬脆材料的硬度降低25％～30％，具有渗透能力强、润湿性能好、固化速度快等特点，可大幅度减轻硬脆材料边缘的崩碎损伤程度，还可提升硬脆材料的整体加工质量、加工效率。
【技术实现步骤摘要】
一种硬脆材料表面增韧剂及其应用
本专利技术涉及一种硬脆材料表面增韧剂，及其在抑制硬脆材料磨削过程中崩碎损伤中的应用，属于硬脆材料磨削加工领域。
技术介绍
硬脆材料由于优异的性能受到工程技术人员的青睐，但其高硬度、高脆性也给其机械加工带来了极大的困难，成为束缚其在航空、航天、汽车、军工领域得以广泛应用的瓶颈。当前，硬脆材料加工工艺的80％是采用金刚石工具进行磨削加工。在磨削过程中，当金刚石工具突然接触或离开工件时，极易在工件的边缘产生崩碎损伤。崩碎损伤随机性大，难于控制，它不但破坏原件的几何精度，增加加工成本，还极易导致元件在服役过程中突然失效。减轻或消除硬脆材料磨削过程中的崩碎损伤对提高元件的加工品质、降低加工成本具有重要意义。当前，控制硬脆材料磨削过程中崩碎损伤的方法大致可以归结为三类：一是优化磨削参数，通过优化砂轮特性、磨床性能、磨削参数等因素，获得最佳的工件边缘；二是在磨削过程中使用氧乙炔、激光或者微波对硬脆材料表层进行加热，软化材料表层，降低硬度，提升机械加工性能。三是在工件的边缘施加一定程度的压应力来抵消砂轮离开工件时工件边缘承受的拉应力，以此抑制崩碎损伤。上述三类方法与研究成果减轻了硬脆材料磨削过程中的崩碎损伤程度，提高了加工品质，但这些方法都是从材料去除机理的角度通过控制工艺参数来降低崩碎损伤程度。事实上，硬脆材料的失效往往始于表面或近表面处的缺陷，其表层断裂强度是影响崩碎损伤产生的关键因素。通过改善硬脆材料磨削过程中的表层断裂韧性，提高材料自身抵抗裂纹扩展的能力，是从源头上减轻甚至消除崩裂损伤的新思路。中国专利技术专利CN110064974B公开了一种采用表面增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，其增韧剂由溶质和稀释剂配制而成，其溶质选自酚醛树脂、甘油酯树脂、乙烯树脂、环氧树脂，该增韧剂在硬脆材料表面边缘的渗透深度可达3～5μm，可以大幅度减轻硬脆材料磨削时边缘产生的崩碎损伤，提高硬脆材料的加工质量。但其仍有较大的改进余地。
技术实现思路
针对上述现有技术，针硬脆材料的加工质量对硬脆材料磨削过程中的崩碎损伤难题，在CN110064974B的基础上，本专利技术提供了一种硬脆材料表面增韧剂，及采用该增韧剂抑制硬脆材料磨削过程中崩碎损伤的方法，用以控制硬脆材料磨削加工时的边缘损伤质量。本专利技术是通过实时改善硬脆材料磨削过程中的表层断裂韧性，提高材料自身抵抗裂纹扩展的能力，从而减轻甚至消除硬脆材料崩碎损伤，具有成本低廉、工艺简单、便于装夹，易于推广的优点，特别适合于硬脆材料的精密超精密加工。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种硬脆材料表面增韧剂，由溶质、稀释剂、固化剂和促进剂制成，其中，溶质与稀释剂的质量比为1:0.5～5，优选1:0.8～1.0，更优选1:1；溶质与促进剂的质量比为100:1～3，优选100:3；溶质与固化剂的质量比为2～50:1，具体取决于参与化学反应的物质的量。所述溶质选自环氧树脂、酚醛树脂、空气干燥型甘油酯树脂、乙烯树脂中的任意一种或两种以上。所述稀释剂选自无水乙醇或/和乙醚。所述固化剂选自聚酰胺树脂、二乙烯三胺、碳酸丙烯酯、DMP-30(中文名：2，4，6—三(二甲胺基甲基)苯酚)中的任意一种或两种以上。所述促进剂选自DBU(中文名：1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯)或/和Thiol-30L(中文名：四(3-巯基丁酸)季戊四醇酯)。进一步地，所述溶质与促进剂的具体物质及质量比选自以下之一：环氧树脂：聚酰胺树脂＝2：1；环氧树脂：二乙烯三胺＝3：1；酚醛树脂：碳酸丙烯酯＝50：1。优选地，对于碳化硅陶瓷，增韧剂由环氧树脂、无水乙醇、聚酰胺树脂和DBU制成，其中，环氧树脂、无水乙醇、聚酰胺树脂和DBU四者的质量比为100:100:50:3。所述硬脆材料表面增韧剂的制备方法，包括以下步骤(下述描述的原料的加入顺序不能改变)：(1)将溶质与稀释剂混合，搅拌混合均匀；(2)加入固化剂，搅拌混合均匀；(3)加入促进剂，搅拌混合均匀，即得。进一步地，每一次混合后，搅拌时间均在20分钟以上，目的是使各组分混合均匀，若搅拌时间过短，则所配制的增韧剂在静置5min左右会出现较为明显的分层现象，这对增韧剂在陶瓷表层的均匀润湿与凝胶固化是不利的。所述硬脆材料表面增韧剂在抑制硬脆材料磨削过程中崩碎损伤中的应用。一种抑制硬脆材料磨削过程中崩碎损伤的方法，包括以下步骤：(1)将上述硬脆材料表面增韧剂均匀涂覆在待加工硬脆材料的表面；(2)磨削工件，并边磨削边在磨削过的硬脆材料表面涂敷步骤(1)中的硬脆材料表面增韧剂；(3)磨削完成后，应用超声波清洗硬脆材料表面渗入的增韧剂。进一步地，所述步骤(1)中，硬脆材料选自碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。进一步地，所述步骤(1)中，涂覆的具体方式为：用增韧剂浸润硬脆材料10min以上。进一步地，所述步骤(1)中，在硬脆材料表面涂覆增韧剂后，使用激光辅助加热的方式将表层加热至130℃，目的是：使已渗入硬脆材料表层微孔隙微裂纹中的增韧剂快速凝胶与固化，凝胶与固化后作为一种能量吸收组元可以在受外界冲击时吸收更多的能量，更大程度上改善陶瓷的磨削加工性能。进一步地，所述步骤(1)、(2)中，硬脆材料表面增韧剂涂覆在磨削表面的边缘。进一步地，所述步骤(2)中，磨削加工时，磨削深度控制在0.03mm以内。进一步地，所述步骤(2)中，磨削加工时，磨床砂轮转速为1900～2100r/min，送料速度不大于6m/min。进一步地，超声波清洗时采用无水乙醇作为清洗剂。本专利技术的硬脆材料表面增韧剂，在硬脆材料的表面渗透深度可达10～40μm，可使硬脆材料的硬度降低25％～30％，具有渗透能力强、润湿性能好、固化速度快的特点。本专利技术的基本原理是：硬脆材料的崩裂损伤归根到底是在能量驱动下的一种状态失稳现象。在外加载荷的作用下，晶粒主要通过弹性变形将外界输入的能量转化为弹性应变能积聚在材料内。随着外加载荷的不断增加，当晶粒积聚的弹性应变能超过其所能负载的极值时，材料内部的微裂纹就会扩展，形成宏观裂纹，崩裂损伤产生，并向外界释放能量。由于硬脆材料内部的晶粒不易产生位错运动，塑性变形很小，因此硬脆材料的弹性极限与断裂韧性极限非常接近。但当在硬脆材料表层的微裂纹、微间隙中填充增韧剂后，晶粒的弹性变形将挤压增韧剂，导致增韧剂产生塑性变形，并作为一种能量吸收单元吸收大量的能量，从而提升硬脆材料的表层断裂韧性，降低微裂纹尖端的应力强度因子，阻止表层微裂纹的进一步扩展，达到减轻或消除崩裂损伤的目的。其增韧机理与弹性体增韧是一致的。另一方面，增韧剂也可能会在界面与环境介质(如磨削液等)快速发生化学反应，生成玻璃封填剂，阻塞孔隙和微裂纹的扩散通道，实现表面裂纹的自愈合。本专利技术的抑制硬脆材料磨削过程中崩碎损伤的方法，涂覆增韧剂后，不仅可以大幅度减轻硬脆材料边缘的崩碎损伤程度，还可提升硬脆材料本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硬脆材料表面增韧剂，其特征在于：由溶质、稀释剂、固化剂和促进剂制成，其中，溶质与稀释剂的质量比为1:0.5～5；溶质与促进剂的质量比为100:1～3；溶质与固化剂的质量比为2～50:1；/n所述溶质选自环氧树脂、酚醛树脂、空气干燥型甘油酯树脂、乙烯树脂中的任意一种或两种以上；/n所述稀释剂选自无水乙醇或/和乙醚；/n所述固化剂选自聚酰胺树脂、二乙烯三胺、碳酸丙烯酯、DMP-30中的任意一种或两种以上；/n所述促进剂选自DBU或/和Thiol-30L。/n
【技术特征摘要】
1.一种硬脆材料表面增韧剂，其特征在于：由溶质、稀释剂、固化剂和促进剂制成，其中，溶质与稀释剂的质量比为1:0.5～5；溶质与促进剂的质量比为100:1～3；溶质与固化剂的质量比为2～50:1；
所述溶质选自环氧树脂、酚醛树脂、空气干燥型甘油酯树脂、乙烯树脂中的任意一种或两种以上；
所述稀释剂选自无水乙醇或/和乙醚；
所述固化剂选自聚酰胺树脂、二乙烯三胺、碳酸丙烯酯、DMP-30中的任意一种或两种以上；
所述促进剂选自DBU或/和Thiol-30L。
2.根据权利要求1所述的硬脆材料表面增韧剂，其特征在于：所述溶质与稀释剂的质量比为1:0.8～1.0；所述溶质与促进剂的质量比为100:3。
3.根据权利要求1所述的硬脆材料表面增韧剂，其特征在于：所述溶质与促进剂的具体物质及质量比选自以下之一：环氧树脂：聚酰胺树脂＝2：1；环氧树脂：二乙烯三胺＝3：1；酚醛树脂：碳酸丙烯酯＝50：1。
4.根据权利要求1或2或3所述的硬脆材料表面增韧剂，其特征在于：所述增韧剂由环氧树脂、无水乙醇、聚酰胺树脂和DBU制成，其中，环氧树脂、无水乙醇、聚酰胺树脂和DBU四者的质量比为100:100:50:3。
5.权利要求1～4中任一项所述的硬脆材料表面增韧剂的...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐修检，李林虎，王龙，刘谦，闫世兴，何东昱，谭俊，孟凡卓，杨理钧，江宏亮，王帆，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军装甲兵学院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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