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硼纤维增强镍电铸制造平台设计

背景：

     电铸是俄国学者Б.С.雅可比于1837年发明的，它起初主要用于复制金属制艺术品或印刷版，19世纪末开始用于制造唱片压模，之后应用范围开始逐步扩大。电铸的基本原理是把预先按所需形状制成的原模作为阴极，用电铸材料作为阳极，一起放入与阳极材料相同的金属盐溶液中，并通以直流电。在电解作用下，原模表面逐渐沉积出金属电铸层，达到了所需要的厚度后从溶液中取出，将电铸层与原模分离，便能获得与原模形状相似的金属复制件。电铸的金属通常有铜、镍和铁3种,以镍的电铸应用最广。虽然目前以镍电铸等为代表的电铸在电铸效率、电铸均匀性等方面取得了很大的进步，如今它被广泛应用于精密模具、兵器、航空宇航以及微纳米制造等高新技术领域，但是在电铸层表面强度强化等领域，它仍是我国业界乃至整个业界的短板。为此，在复合电铸的基础上，加入硼纤维材料是加强复合电铸层力学性能的有效途径。硼纤维是一种在金属丝上沉积硼而形成的无机纤维。它具有高强度、高模量和相对密度小的特性，其非常适合用于增强复合材料的力学性能。

国内外研究现状:

     硼纤维是重要的高科技材料之一，其英文名称为Boron filament,最早开发研制硼纤维的是美国空军增强材料研究室，其目的是研究轻质、高强度增强用纤维材料，用来制造高性能体系的尖端飞机。随后，又以Textron Systems公司为中心，面向商业规模生产并继续研发。该公司将硼纤维与环氧树脂进行复合制成 BFRP，以及与金属铝等复合制成 FRM，面向飞机、宇航用品、体育娱乐用品以及工业用品等方面进行应用研究。现在能生产硼纤维的国家还有瑞士、英国、日本等。 我国研制硼纤维材料的起步较晚，直到上世纪90年代初，北京航空材料研究所才建成了一条年产80kg 的碳化硼涂层的硼纤维生产线，其打破了外国公司在国内硼纤维材料供应市场的垄断局面，大大减少了制造成本。硼纤维增强镍基复合材料是作为当前纤维强化金属的一个较典型的代表，国内外各科研机构均对此进行了很多深入的研究，其中，在进行镍电铸的同时用硼纤维均匀缠绕在电铸层上被认为是一个切实可行且成本较低的制造方法。而如何能实现硼纤维的均匀缠绕，并最终提高镍铸层的抗拉强度，这一直是业界的难点。 

课题的内容和意义：

     本课题是设计一个硼纤维电铸镍电铸制造试验平台，并对复合层表面抗拉强度、硼纤维缠绕均匀性等方面进行试验研究并检测获得的硼纤维-镍复合电铸层的抗拉强度与微观结构等性能。该平台包括电铸液循环系统、温控系统、冲液系统和硼纤维缠绕系统，该平台意在提高电铸层表面的抗拉强度，而提高电铸层抗拉强度一直是电铸技术研究的热点之一。一旦该平台研究成功，也就再次验证了硼纤维加入镍电铸层能显著提高电铸层抗拉强度的可行性，

同时也解决了行业的一个难点，这将开辟一个电铸行业的新领域。

本课题将着重研究硼纤维缠绕系统和电铸液循环系统。电铸液循环系统由电源、储液槽系统、冲液单元、阳极镍珠、阴极芯模、超声发生器、过滤、阀门、电机旋转轴等机构组成。

硼纤维缠绕系统由储丝桶、柔性张紧棍、张紧棍、硼纤维等机构组成。两个系统紧密配合，相互协作且固定于同一底座上。相比其他国内外制造平台，该平台结构相对简单，成本更加低廉，操作也更加简便。                                                                                                                                          

本课题需要解决的问题：

     各系统的设计合理性：研究和设计出结构合理、成本低廉、操作简便的制造平台将是本课题的主要任务，也是本课题最需要解决的问题。

     硼纤维的缠绕均匀性：在芯模表面获得镍镀层的同时硼纤维能均匀的缠绕分布在镀层

表面，这是整个平台最大的难题，这不仅需要缠绕系统具有极高的稳定性，还要求其他三个系统必须拥有超高的稳定性，并相互协调运作，最终获得质量较高的复合镀层。

     硼纤维-镍复合电铸层的力学性能：通过检测获得硼纤维-镍复合电铸层的抗拉强度与微观结构等性能，以确保该平台能制造出拥有预期效果的产品，这也是研究此制造平台的最终目的。                                                                                                                                                                          
 

摘要：电铸制造技术是一种精密的特种加工技术，该技术是利用电沉积原理来制造金属零件，在精密模具、兵器、航空宇航以及微纳米制造等领域都有着重要的应用。为了进一步提高电铸层的强度，本文给出了一种连续硼纤维增强镍电铸的制造技术，即一种将连续硼纤维掺杂或缠绕进镍电铸层以制造出高强度的连续硼纤维增强镍电铸层的技术，并利用该技术研究设计一制造平台，研究内容主要有：

1.研究了电铸技术和的发展历史和特点，指出电铸技术发展存在的问题并提出解决办法。

2.提出了连续硼纤维增强镍复合电铸技术，并根据复合电铸技术的特点，初步制定连续硼纤维增强镍电铸层的制作方法。

3.研究设计出了硼纤维增强镍电铸制造平台，该平台主要包含两个系统：硼纤维缠绕系统和复合电铸系统，本文也将着重研究设计这两个系统。其中，硼纤维缠绕系统主要负责硼纤维的传送并实现电铸层表面的均匀缠绕，而复合电铸系统利用复合电铸的原理，与硼纤维缠绕系统相互协调运作，制造出来的硼纤维-镍复合电铸层不但孔隙率低、纤维体积分数高而且硼纤维-镍界面结合强度高、晶粒尺寸小。

4.研究设计了各种试验项：包括拉伸试验设计和电铸层的硬度试验设计等，同时研究了电铸溶液的组成，设计试验研究溶液温度、PH值等因素对电铸时间、电铸效率等方面的影响。

关键词：电铸技术、硼纤维、复合电铸技术、制造平台、试验设计

 

目  录

 

第一章 绪论 1

1.1电铸技术的原理 1

1.2电铸技术的发展 2

1.3电沉积的原理 2

1.4复合材料（硼纤维）的发展与特点 2

1.5传统电铸技术存在的问题和解决方法 3

1.5.1存在问题 3

1.5.2解决方法 3

第二章 复合电铸技术与镍电铸技术 4

2.1复合电铸技术 4

2.2镍电铸技术 4

2.2.1电铸镍的特点 4

2.2.2电铸镍的溶液体系 4

2.2.3电铸镍的电极反应 4

第三章  硼纤维增强镍电铸制造平台设计 6

3.1 简易平台 6

3.2连续纤维复合电铸技术 7

3.3连续纤维缠绕的特点和应用 7

3.4连续硼纤维增强镍复合电铸层的制作方法 8

3.5设计要求 8

3.6设计方案 9

3.6.1连续硼纤维缠绕系统 10

3.6.2复合电铸循环系统 16

3.6.3电铸液循环系统 16

3.6.4温控系统 22

3.6.5阴极旋转系统 25

第四章 试验设计 29

4.1电铸液的选择 29

4.2拉伸试验设计 29

4.3测试电铸层硬度的试验设计 30

第五章 总结与展望 31

5.1总结 31

5.2展望 31

致谢 32

参考文献 33

 

总结与展望

 5.1总结

    由于传统电铸技术制造出来的电铸层强度较低，本论文提出了连续硼纤维 增强镍复合电铸技术，利用该技术能够制造出高强度的复合电铸层，本文主要研究了以下几个内容：

（1）研究了电铸技术的发展和特点，总结出传统电铸技术存在的问题并提出解决办法，因此提出了连续硼纤维增强镍复合电铸技术。

（2）针对此技术研究了复合电铸技术和连续纤维缠绕技术，并初步给出了制造连续硼纤维增强镍复合电铸层的制作方法。

（3）研究设计出了硼纤维增强镍电铸制造平台，该平台主要包含两套系统：硼纤维缠绕系统和复合电铸系统，并根据两套系统的特点提出设计要求，最终设计出由各装置机构组成的系统，并对各装置机构的作用、材质等进行分析。

（4）研究设计各种试验项，以确保该制造平台的可行性，验证由此平台制造出的复合电铸层是否满足各种性能要求。

     本次论文设计大致获得了预想的结果，但在平台设计、试验设计等方面都存在着不少问题，例如各装置机构的结构设计、尺寸设计以及材质选择等都缺乏合理性，包括很多部件型号都未注明。就拿纤维缠绕系统中的柔性张紧辊来说，为了加强其稳定性，拆装就变得比较麻烦。因此，尽管本次论文设计即将结束，但是之后笔者还是会继续完善和扩展该制造平台的设计，科学研究的路上，任重而道远。

5.2展望

    经过本论文的理论分析发现连续硼纤维增强镍复合电铸技术拥有相当广阔的发展技术，尤其在航空航天、军用武器等领域应用十分广泛。但该技术仍处在初期发展阶段，很多问题还没有得到根本的解决，或者说还处在理论探索阶段。希望未来能出现更多结构简单、性能优秀的硼纤维增强镍电铸制造平台。

 

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