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CN112645640A - 具有光学温度传感功能的复合材料铸件及其制备方法 - Google Patents

具有光学温度传感功能的复合材料铸件及其制备方法 Download PDF

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CN112645640A
CN112645640A CN202110051170.2A CN202110051170A CN112645640A CN 112645640 A CN112645640 A CN 112645640A CN 202110051170 A CN202110051170 A CN 202110051170A CN 112645640 A CN112645640 A CN 112645640A
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徐时清
闫文
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China Jiliang University
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Abstract

本发明公开了一种具有光学温度传感功能的复合材料铸件及其制备方法,所述的铸件结构为高性能复合材料,由如下比例的原料混合铸造而成:所述的方法为:6‑12重量份的环氧树脂,1‑4重量份的固化剂,0.5‑3重量份的稀释剂,10‑15重量份的填充料,2‑6重量份的纤维填料,20‑40重量份的石英砂,40‑70重量份的碎石料,0.001‑10重量份的温度传感颗粒。通过本发明提供的原料配方和制备方法制得的铸件,具有吸震能力强,热稳定性好,尺寸稳定性好等优点,能够准确获得铸件的温度分布来提升机床的加工精度,生产效率上实现大幅提升,并且将成本控制在市场能接受的范围内。

Description

具有光学温度传感功能的复合材料铸件及其制备方法
技术领域
本发明涉及具有光学温度传感功能的复合材料铸件及其制备方法。
背景技术
机床是加工制造业的“工作母机”,随着我国从制造大国向制造强国的过渡,对加工制造业的“工作母机”要求越来越高,传统铸铁材料已经满足不了人们对机床性能的需求。其中,数控机床的基础件在铸造过程中,由于结构复杂以及铸造技术等因素的影响,随着移动部件的移动、切削会发散热量,可知温度的分布是不均匀的,将会构成一定的温差,使数控机床产生热变形,影响了加工零件的精度。在现代制造技术高速发展的今天,机床的热变形问题已变得日趋严重。有资料研究表明,影响机床加工精度误差的热变形误差,占总制造误差的40%-70%,准确获得床身的温度分布是对机床精度保持性进行合理评估的重要途径之一。目前,国产机床在服役过程中普遍暴露出精度保持性差的问题,已成为制约其竞争力的瓶颈。另外,铸铁制造过程会产生许多对环境污染有影响的有害物质,不符合绿色制造和发展低碳经济的要求,寻求一种高性能的复合材料用于设计制备铸件结构已刻不容缓。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种强度高、形变小、尺寸稳定性和热稳定性性好的具有光学温度传感功能的复合材料铸件及其制备方法,加入温度传感颗粒实现光学方式检测温度分布反馈铸件设计,以弥补当前由于温度分布不均导致制备加工精度不精细的问题。
本发明的目的通过如下技术方案来实现:
一种具有光学温度传感功能的复合材料铸件的制备方法,由如下重量份的原料混合制备而成:
6-12重量份的环氧树脂,
1-4重量份的固化剂,
0.5-3重量份的稀释剂邻苯二甲酸二丁酯,
10-15重量份的填充料,粒度为0.1-500μm;
2-6重量份的纤维填料,
20-40重量份的石英砂,粒度为1-3mm;
40-70重量份的碎石料,外径3-20mm,尺寸小于铸件壁厚的五分之一;
0.001-10重量份的温度传感颗粒,所述温度传感颗粒为具有光学温度传感颗粒,包括ZnS:Er 、Ca2Nb2O7:Er,粒度为5-50μm;
制备步骤如下:
1) 称量环氧树脂、稀释剂和固化剂,搅拌混匀制得胶凝剂液体;
2) 将碎石料,石英砂、填充料和纤维填料混合,加入胶凝剂液体后,在行星搅拌机中搅拌1-10分钟,直至看不到干燥填充料为止;
3) 将模具固定在振动台上,涂抹脱模剂硅油,将搅拌好的混合料倒入模具进行振动,直至没有气泡排出为止;
4) 将模具从振动台卸下,保持20-60摄氏度,放置48小时后拆模,制得机床床身;
其中,温度传感颗粒通过外部掺杂的方法加入到步骤2)的碎石料,石英砂、填充料和纤维填料原料中混合;或者温度传感颗粒通过与胶凝剂液体混合,涂覆在步骤4)制得的机床床身,形成温度传感光学涂层。
所述固化剂为乙二胺和酚醛胺中的至少一种。
所述填充料为石英粉和三氧化二铝粉末中的至少一种。
所述碎石料包括鹅卵石、碎石块、陶瓷块。
所述温度传感颗粒的涂覆比例为占涂层成分重量百分比的10-80%。
一种具有光学温度传感功能的复合材料铸件,采用所述的方法制备得到。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
通过本发明提供的原料配方和制备方法制得的具有光学温度传感功能的复合材料铸件,具有强度高、形变小、尺寸稳定性好、热稳定性好、生产效率实现大幅提升等优点,可广泛应用于机床基础件中。
采用光学温度传感功能的复合材料铸件替代现有技术中的金属床身铸件或天然花岗岩床身铸件,可减少金属铸件生产过程中造成的环境污染,极大地节约成本,并且在制备加工中准确获得床身的温度分布对实现机床的高精密加工具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施一得到的掺杂ZnS:Er发光粉复合材料随温度变化的的荧光光谱图;
图2是本发明实施二得到的掺杂Ca2Nb2O7:Er发光粉复合材料随温度变化的荧光光谱图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例一
一种具有光学温度传感功能的复合材料铸件,原料包括6重量份的环氧树脂,2重量份的固化剂,1重量份的稀释剂,15重量份的填充料,2重量份的纤维填料,19重量份的石英砂,44重量份的碎石料。其中固化剂为乙二胺,填充料为石英粉,纤维填料为碳纤维,碎石料为鹅卵石、岩石块和陶瓷块,外掺0.1重量份的温度传感颗粒,温度传感颗粒为ZnS:Er粉末,所述的填充料粒度为100μm,所述的石英砂粒度为1mm,所述的碎石料外径为5-20mm不等,所述的温度传感颗粒为20μm。
制备方法包括:
(1) 称量环氧树脂、稀释剂和固化剂,搅拌混匀制得胶凝剂液体;
(2) 将碎石料,石英砂、填充料和纤维填料混合,加入胶凝剂液体后,在行星搅拌机中搅拌10分钟;
(3) 将模具固定在振动台上,涂抹脱模剂硅油,将搅拌好的混合料倒入模具进行振动至没有气泡排出;
(4) 将模具从振动台卸下,放置室内48小时后拆模,制得机床床身;
(5) 将温度传感颗粒通过与胶凝剂液体混合,涂覆在机床床身,涂覆比例占涂层比例的70%,形成温度传感光学涂层,制备得具有温度传感功能的床身铸件。
加入光学温度传感颗粒可以实现光学方式检测温度分布,图1是掺杂ZnS:Er发光粉复合材料随温度变化的的荧光光谱图,可以从荧光峰强度比推导出温度变化。
成品床身经试验获得如下性能参数:
密度:2.4kg/dm3
抗压强度:700N/mm2
弹性模量:37kN/mm2
弯曲拉伸强度:39N/mm2
线膨胀系数:15×10-6/K
泊松比:0.25。
从上述试验数据可以看出本发明具有强度高、形变小、尺寸稳定性好、热稳定性好等优点。
实施例二
一种具有光学温度传感功能的复合材料铸件,原料包括12重量份的环氧树脂,4重量份的固化剂,2重量份的稀释剂,11重量份的填充料,6重量份的纤维填料,23重量份的石英砂,40重量份的碎石料,2重量份的温度传感颗粒。其中固化剂为酚醛胺,填充料为三氧化二铝,纤维填料为钢纤维,碎石料为鹅卵石、岩石块和陶瓷块,温度传感颗粒为Ca2Nb2O7:Er粉末,所述的填充料粒度为200μm,所述的石英砂粒度为2mm,所述的碎石料外径为5-18mm不等,所述的温度传感颗粒为20μm。
制备方法包括:
(1) 称量环氧树脂、稀释剂和固化剂,搅拌混匀制得胶凝剂液体;
(2) 将碎石料,石英砂、填充料、纤维填料与温度传感颗粒均匀混合,加入胶凝剂液体后,在行星搅拌机中搅拌10分钟;
(3) 将模具固定在振动台上,涂抹脱模剂硅油,将搅拌好的混合料倒入模具进行振动至没有气泡排出;
(4) 将模具从振动台卸下,放置室内,保持室温及干燥,放置48小时后拆模,制得具有温度传感功能的床身。
图2是本发明实施二得到的掺杂Ca2Nb2O7:Er发光粉复合材料随温度变化的荧光光谱图,可以从荧光峰强度比推导出温度变化。
成品床身经试验获得如下性能参数:
密度:2.4kg/dm3
抗压强度:705N/mm2
弹性模量:38Kn/mm2
弯曲拉伸强度:38N/mm2
线膨胀系数:13×10-6/K
泊松比:0.24。
从上述试验数据可以看出本发明具强度高、形变小、尺寸稳定性好、热稳定性好等优点。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换,且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述,并非对本发明的构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进,均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (6)

1.一种具有光学温度传感功能的复合材料铸件的制备方法,其特征在于:由如下重量份的原料混合制备而成:
6-12重量份的环氧树脂,
1-4重量份的固化剂,
0.5-3重量份的稀释剂邻苯二甲酸二丁酯,
10-15重量份的填充料,粒度为0.1-500μm;
2-6重量份的纤维填料,
20-40重量份的石英砂,粒度为1-3mm;
40-70重量份的碎石料,外径3-20mm,尺寸小于铸件壁厚的五分之一;
0.001-10重量份的温度传感颗粒,所述温度传感颗粒为具有光学温度传感颗粒,包括ZnS:Er 、Ca2Nb2O7:Er,粒度为5-50μm;
制备步骤如下:
1) 称量环氧树脂、稀释剂和固化剂,搅拌混匀制得胶凝剂液体;
2) 将碎石料,石英砂、填充料和纤维填料混合,加入胶凝剂液体后,在行星搅拌机中搅拌1-10分钟,直至看不到干燥填充料为止;
3) 将模具固定在振动台上,涂抹脱模剂硅油,将搅拌好的混合料倒入模具进行振动,直至没有气泡排出为止;
4) 将模具从振动台卸下,保持20-60摄氏度,放置48小时后拆模,制得机床床身;
其中,温度传感颗粒通过外部掺杂的方法加入到步骤2)的碎石料,石英砂、填充料和纤维填料原料中混合;或者温度传感颗粒通过与胶凝剂液体混合,涂覆在步骤4)制得的机床床身,形成温度传感光学涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述固化剂为乙二胺和酚醛胺中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述填充料为石英粉和三氧化二铝粉末中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述碎石料包括鹅卵石、碎石块、陶瓷块。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述温度传感颗粒的涂覆比例为占涂层成分重量百分比的10-80%。
6.一种具有光学温度传感功能的复合材料铸件,其特征在于:采用如权利要求1-5任一项所述的方法制备得到。
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