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双钨极氩弧热场调控及增材制造成形优化方法研究

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双钨极氩弧热场调控及增材制造成形优化方法研究

作者：王涛江苏科技大学

学位级别：硕士

双钨极氩弧增材制造技术通过降低电弧压力,扩大工艺区间来提高熔敷效率,且熔敷过程稳定性强,具有广泛的应用前景。然而,该方法在增材多层多道结构时存在严重的熔敷层表面不平整和成形件侧边材料缺失的问题。针对上述问题,本文提出了双... 详细信息

双钨极氩弧增材制造技术通过降低电弧压力,扩大工艺区间来提高熔敷效率,且熔敷过程稳定性强,具有广泛的应用前景。然而,该方法在增材多层多道结构时存在严重的熔敷层表面不平整和成形件侧边材料缺失的问题。针对上述问题,本文提出了双钨极氩弧热场调控新方法,开展了熔敷道搭接工艺优化和多层多道边缘材料缺失问题改善研究,为提高双钨极氩弧增材制造的成形质量提供理论支持。首先为了提高熔敷层表面的平整度,探索了双钨极氩弧热场调控对耦合电弧形态、熔敷道铺展成形的影响规律,提出一种熔敷道搭接工艺优化方法:为双钨极加载不同大小的子电流,打破电弧等离子体的对称性,进而调控电弧热场,促进熔融金属向搭接区域铺展填充,实现熔敷道搭接工艺优化。结果表明,该方法能够有效改善双钨极氩弧增材制造熔敷层表面的平整度,使熔敷层表面平整度值优于0.05mm,熔敷层表面高度差与该层高度的比值小于3%。采用二次回归通用旋转组合设计方法,建立了双钨极氩弧增材制造的熔敷道宽度和高度关于熔敷电流、增加的子电流和行走速度的回归模型,为双钨极氩弧增材制造在常用的工艺窗口内选择合适的搭接参数规划提供依据。其次为了解决成形件侧边材料缺失的问题,研究了层内熔敷顺序对熔敷层表面成形质量的影响,采用从中间向两边搭接的熔敷路径优化方法,避免了由于熔敷层边缘塌陷导致熔敷层主体部分表面不平整的问题。采用降低行走速度的方法来对边缘材料缺失区域进行补料。建立了熔敷层边缘叠加模型,通过调控电弧热场使熔敷道搭接侧熔宽扩展到前一熔敷道的顶点,将补充的材料填充到材料缺失区域,从而提高熔敷层边缘的完整度。研究了不同层间温度对熔敷道熔池流动和铺展凝固的影响规律。结果表明,熔敷层表面平整度值优于0.15mm,占该层高度的比值优于8%,边缘完整度值优于90%。确定了当层间、道间温度控制在70℃时,多层多道熔敷表面成形质量最好。最后为了验证本文所提出的理论和模型,设计了汽缸附件CA单耳环模拟件,进行分层切片和加工参数规划,分别使用常规双钨极氩弧增材制造方法和双钨极氩弧热场调控成形优化方法开展模拟件熔敷成形试验,结果表明,热场调控后得到的成形件表面没有气孔、塌陷等缺陷,表面成形质量良好,尺寸精度误差不超过3%,层层熔敷成形后表面平整度值优于0.3mm,优于15%,边缘完整度值优于88%,熔敷过程稳定,达到成形优化目的。

关键词：电弧增材制造多层多道熔敷热场调控熔敷道搭接模型熔敷层边缘叠加模型

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超材料热场调控与能量收集器的研究

超材料热场调控与能量收集器的研究

作者：刘文美清华大学

学位级别：硕士

在能源与环境的双重压力下,如何提高能量利用效率,如何捕获周围环境中的能量并将其转化成电能存储、驱动小型电子器件或者用于二次电池的充电,以及如何利用太阳能等自然界清洁能源进行光电反应或光催化将其转化成为电能等,都成为新能源... 详细信息

在能源与环境的双重压力下,如何提高能量利用效率,如何捕获周围环境中的能量并将其转化成电能存储、驱动小型电子器件或者用于二次电池的充电,以及如何利用太阳能等自然界清洁能源进行光电反应或光催化将其转化成为电能等,都成为新能源材料与器件研究的热点与难点。而所有能源的利用的过程中无法避免的是热能的损失,且这一部分占据很大的比重,若能提高热能的收集效率,则能量的利用效率可以得到显著的提高。自然材料其均一性与各向同性导致其在热能收集方面受到限制。而超材料,作为一种新型的人工材料,可以根据应用的要求,进行空间上的结构设计,可以实现自然界材料所不具备的超常物理性质。体现在热学方面即可以调控热流从而调控热场,通过热流的集中与温度梯度的提高,实现热能的收集。二维热场调控理论已经在仿真与实验中得到了验证,但并未涉及能量的收集与利用。对于三维热场调控与热能收集理论,因其对结构设计与加工精度的要求较高,目前只在仿真上验证了其可行性,尚未进行实验验证。本文基于热学超材料与热电材料的工作原理,设计了一个包含热能收集和能量转化与利用的系统,主要包括:原创性的提出了一个具有高对称性的三维花状超材料热能收集结构;进行了基于有限元分析COMSOL Multiphysics的仿真并进行了实验验证,实现了三维能量收集结构从理论到实验的重要突破;同时,巧妙的利用热电偶的高精度测温,解决了三维结构的测试难点;最后结合三维超材料能量收集结构与热电材料的优势,提出了能量收集与转化的高效系统的概念。结果表明:三维花状热能收集结构具有高度的对称性,其能量收集核心的热流密度与温度梯度得到大幅度的提高,而外部的温度场与热流流向不受到能量收集结构的影响。花状能量收集结构在二维的情况下同样适用,并且具备良好的能量收集效率。另外,本文亦对二维扇形状能量收集结构以及陶瓷复合材料能量收集结构进行了讨论。与没有能量收集结构时相比,三维花状结构的能量收集核心的温度梯度与热流密度大幅增强。在能量收集核心区域沿温度梯度方向放置热电材料可以有效地将收集的热能转化为电能,实现能量的存储或用于二次电池的充电。除此之外,该结构也可用于太阳能电池板、未来能源集成系统以及热治疗等方面。

关键词：超材料能量收集热场调控三维多物理场

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热场对仿生矿物碳酸钙的生长调控研究

热场对仿生矿物碳酸钙的生长调控研究

作者：张立夫上海交通大学

学位级别：硕士

对晶体材料结构和形貌的形成机制认识和人为的精密调控一直是科学家们研究的一个核心课题。CaCO作为自然界普遍存在的一种生物无机材料,不仅仅在工业领域、地质领域和生命科学领域有着重要的价值和广泛的应用,也因为其丰富的晶体结构类... 详细信息

对晶体材料结构和形貌的形成机制认识和人为的精密调控一直是科学家们研究的一个核心课题。CaCO作为自然界普遍存在的一种生物无机材料,不仅仅在工业领域、地质领域和生命科学领域有着重要的价值和广泛的应用,也因为其丰富的晶体结构类型和多变的晶体形貌,成为了研究晶体生长规律的理想模型,尤其是在探究温度因素对晶体生长与结构调控的影响方面,近来受到广大科研工作者的密切关注。在本论文中,我们初步研究了均温溶液体系下不同的反应温度对CaCO晶体生长的影响;然后利用光热转换的方法,在液相反应体系中设计不同的热场分布,包括恒定温度梯度热场、冷-热变温度梯度热场、热-冷变温度梯度热场以及冷-热-冷变温度梯度热场,深入地研究了多种热场对CaCO晶体生长的调控作用,合成了一系列具有多级晶型的复杂CaCO晶体材料,并从热力学和动力学角度对形成机理进行了初步的分析与讨论。研究发现,反应温度对CaCO的晶型具有特异选择性:温度从低到高(5-70℃)结晶产物有着方解石→方解石&球霰石→方解石&球霰石&文石→文石&方解石(少量)的分布规律;在冷场-热场交替调节下,合成了文石@方解石、文石@球霰石,这与低温下形成的方解石的表面台阶、不成熟的球霰石表面以及高温下文石的快速沉积有关;在热场-冷场交替调节下,合成了方解石@文石,这得益于高温下生成的文石的多缺陷表面降低了形核能垒;而在冷场-热场-冷场交替调节下,成功得到了方解石@文石@方解石和方解石@文石@球霰石的三级复合结构。

关键词：晶体生长碳酸钙光热转换热场调控晶型选择

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基于热超构材料的能量收集与热电转换特性

物理学报 2022年第20期71卷 267-276页

作者：李一鸣王鑫李昊杜宪孙鹏内蒙古大学电子信息工程学院呼和浩特010021 内蒙古大学交通学院呼和浩特010070

针对温差发电器的局限性,利用热超构材料的热场调控特性,提出了将温差发电器与二维扇形热超构材料能量收集结构进行集成,从而改善温差发电器的热电转换效率.基于有限元多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics研究了不同材料对能量收集结... 详细信息

针对温差发电器的局限性,利用热超构材料的热场调控特性,提出了将温差发电器与二维扇形热超构材料能量收集结构进行集成,从而改善温差发电器的热电转换效率.基于有限元多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics研究了不同材料对能量收集结构热场调控性能的影响,确定材料后对其进行热电性能仿真,仿真结果表明,能量收集结构可实现热流的有效调控,在同一仿真条件下能量收集中心的温度梯度相比自然材料提高了8倍.对不同尺寸温差发电器发电量进行研究,在此基础上综合考虑加工精度和测试难度,完成了能量收集结构3维建模及加工制造.搭建实验测试系统,使用热成像仪观测能量收集结构的温度分布,测试实验结果显示该能量收集结构可以有效调控热场,在相同冷热源条件下相比自然材料结构可以将温差发电器的工作效率提高3.2倍,对推动温差发电技术更加迅速地发展具有一定的现实意义.

关键词：温差发电器热超构材料热场调控热能收集

维普期刊数据库

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低共熔溶剂在镁合金腐蚀防护中的应用

表面技术 2019年第3期48卷 10-18页

作者：郭丽婷谷长栋涂江平浙江大学材料科学与工程学院杭州310027

介绍了低共熔溶剂的性质及特点,综述了低共熔溶剂的国内外最新研究成果,特别是氯化胆碱基低共熔溶剂在镁合金腐蚀防护的应用,分析了镁合金在低共熔溶剂中进行表面处理的可行性。概述了在含氯化胆碱的低共熔溶剂介质中,通过热场、声场、... 详细信息

介绍了低共熔溶剂的性质及特点,综述了低共熔溶剂的国内外最新研究成果,特别是氯化胆碱基低共熔溶剂在镁合金腐蚀防护的应用,分析了镁合金在低共熔溶剂中进行表面处理的可行性。概述了在含氯化胆碱的低共熔溶剂介质中,通过热场、声场、电场以及DES液膜法调控开展镁合金表面化学转化膜的制备、耐蚀机理及反应介质的作用研究,同时将低共熔溶剂与疏水性仿生膜结合,设计出镁合金表面自愈合超疏水涂层。利用低共熔溶剂制备的转化膜的耐蚀性均明显高于镁合金基体,其腐蚀电流密度明显下降。最后对镁合金腐蚀防护的研究现状和方向进行了展望,希望对解决镁合金腐蚀起到一定的指导意义。

关键词：镁合金化学转化膜低共熔溶剂热场调控电场调控腐蚀防护