DAMPE

探索暗物質是全中國,乃至全世界的夢想。世界各國的物理學家們都在不斷努力著,我國也充分認識到了這一前沿領域研究的重要性。暗物質粒子探測(dark matter particle explorer, DAMPE)是中科院空間科學戰略先導專項的五顆衛星任務之一。2015年12月17日,中國首顆暗物質粒子探測衛星DAMPE發射。發射DAMPE暗物質粒子探測衛星,主要是進行暗物質間接探測實驗,尋找暗物質粒子,研究暗物質特性與空間分佈規律,探尋宇宙射線起源並觀測高能伽馬射線。這顆衛星既能探測正負電子,又能夠觀測高能伽馬光子,而且具有較好的能量解析度,用於捕捉到暗物質的蹤跡。

                                     DAMPE

DAMPE是一個空間望遠鏡,它可以探測高能伽馬射線、電子和宇宙射線。它由一個塑膠閃爍探測器(PSD)、矽微條(STK)、鎢板、電磁量能器(BGO)和中子探測器組成。DAMPE圍繞地球旋轉,四層科學探測器將面朝太空,全面接受來自宇宙四面八方的高能電子和伽馬射線。這相當於科學家在宇宙中放置了一台“除去大氣層面紗”的“超高清望遠鏡”。所有收集到的科學資料將完整保存,並即時傳回地面。一旦用這些原始資料勾勒出的“伽馬射線能譜”反映出譜線極段等特徵信號,科學家就獲得了暗物質粒子存在的強有力證據。

PSD用作反符合,由兩層塑膠閃爍體條組成;STK由6個徑跡雙層,每個由正交擺放的兩個單面矽條組成;有三層鎢板厚度分別為1cm、2mm、2mm,,插在矽微條的第2、3、4層前面,用作光子轉換;BGO有14層,每層22根,相鄰兩層正交排列,用來測量射線的能量;中子探測器加在量能器的底部。BGO量能器和STK總共大約33個輻射長度,是空間裏最深的量能器。

在DAMPE中極大地運用到鎢板及鎢合金中子探測器等,正是利用了鎢吸收射線能力強的特點以及它良好的綜合性能,對於宇宙四面八方的高能電子和伽馬射線,鎢合金探測器可隨時追蹤它的位置、數量及其轉變等,準確收集相關資料,即時傳回地面。高比重鎢合金在DAMPE的應用,為我國航太航空的發展做出了巨大的貢獻。
 

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鎢合金防輻射包裝

防輻射包裝是防止外界各種射線透過包裝容器,從而破壞內裝物質量的包裝。如將感光膠捲盛裝在能夠防止光線照射的容器中。

鎢合金防輻射包裝

輻射種類一般分為四種:1.電磁輻射;2.核輻射;3.光源輻射;4.微波輻射

固體電子器件對核輻射效應極其敏感,核輻射將使半導體中的原子電離或移位,影響該器件的工作特性。對光敏感的感光材料製品如照相膠捲、電影膠片、X光膠片、印相紙和其他光敏產品,在受到強光源輻射後將會損壞和失去使用價值。而微波輻射在導航、跟蹤、通信、食物烘烤、醫療等領域得到廣泛的應用,微波發生器和雷達會對周圍附近和較遠的物品產生不同程度的影響。電子設備的遮罩可以防止外來電磁波的干擾,以確保設備正常工作;又可以阻止本電子設備工作時發射的電磁波去十擾別的電子設備工作和影響操作人員的健康。所以有必要對一些物品實施防輻射包裝。

防輻射包裝的關鍵是選擇合適的包裝材料,電磁敏感產品在生產、儲存、運輸、銷售的過程中都要進行保護,這就需要防輻射電磁遮罩包裝,常用的防高能輻射的鎢合金材料,能夠防電磁輻射、光輻射、X射線輻射、防γ射線輻射、防中子輻射等;也有採用輕而小的鎢合金纖維材料及添加稀土合金的複合材料來製作遮罩包裝。鎢合金遮罩件材料的輻射遮罩性與材料的密度密切相關。更高的密度意味著更好的射線吸收能力和射線遮罩能力,由於鎢合金的密度比其他材料高,以鎢合金為遮罩材料的防輻射包裝對各種輻射有著更好的遮罩性,並且可減小防輻射包裝的體積。對電子產品而言,單純採用高性能遮罩包裝材料不一定能完全可靠有效地消除電磁輻射對產品性能的影響,還需要在電子產品的電路結構設計時綜合考慮到電磁保護和遮罩問題,因為傳統的外包裝遮罩材料不能完全阻隔電磁波,所以現在人們普遍運用到防電磁輻射包裝方法,即除了常用的防輻射包裝材料除金屬遮罩材料外,還有導電性複合塑膠遮罩材料。將特製的鎢合金細纖維的粒料加入到熱塑性塑膠中進行注塑,可以形成各種遮罩性包裝材料和容器,如模壓導電複合塑膠、填料導電複合薄膜、表面導電處理材料等。
 

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硬質合金擠壓成形與注射成形的工藝異同

硬質合金粉末擠壓成形( Powder Ex-trusion Molding, PEM) 和硬質合金注射成形( Powder Injection Molding, PIM) 是傳統塑膠成形工藝與粉末冶金技術相結合的產物。用擠壓成形技術可生產等斷面而長度不受限制的異形件, 用粉末注射成形技術可生產幾何形狀複雜的製品。這兩種方法之間有許多相同點和不同處。
 
1.工藝流程的異同
硬質合金的PEM與PIM的基本工藝過程如下:粉末體+ 成形劑→混煉→擠壓或注射成形→脫除成形劑→燒結。這兩種過程均為混煉一成形脫脂一燒結工藝過程。
 
2.脫脂工藝的異同
硬質合金注射成型與擠壓成形中, 由於加入了大量的添加劑,需要將增塑劑及粘接劑等進行脫除。脫除的方法根據所採用的添加劑不同, 主要採用熱脫除法、溶劑萃取法、溶解法、熱分解法、催化脫除法等, 有的脫除工藝還採用了混合脫除技術。這兩者的脫脂工藝沒有本質不同,只是在具體工藝上有所區別。由於金屬注射成型所採用的粉末細微性較小, 因此粘接劑與金屬粉體的接觸面積更大, 粘接劑的脫除也較金屬注射成型的脫除工藝困難。(下圖為常見的脫脂工藝)
 
脫脂工藝圖片
 
3.燒結工藝的異同
由於硬質合金擠壓成形與注射成形所用的成型劑基本相同,這也導致這兩者在燒結工藝控制上比較一致,即碳含量控制工藝較為一致。另外硬質合金具體的燒結工藝受牌號和其它因素影響更大,所以這兩者的燒結工藝基本一致。
 
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硬質合金擠壓成形劑體系

硬質合金擠壓成形與模壓成形或等靜壓成形相比,其最大的特點是餵料中成形劑體積分數含量高,可以達到40%一60%,成形劑作為擠壓成形中粉末的臨時載體,主要起增強餵料流動、維持擠出棒坯形狀的作用,是擠壓成形技術的核心。在硬質合金擠壓成形應用之初,單純採用蠟作為成形劑隨著研究的深入,成形劑不斷向多元化發展。目前,根據成形劑組元的性質,常用的成形劑體系通常可分為熱塑性體系、熱固性體系、水溶性體系、凝膠體系等。(下圖為常見的擠壓設備)
 
擠壓機圖片
 
1.熱塑性體系
熱塑性體系成形劑以熱塑性有機物作為成形劑主體,根據成形劑中主體組元的不同,其又可細分為蠟基系、油基系、塑基系等。目前蠟基系成形劑的研究較為成熟,已成為最有競爭力的成形劑體系。
 
2.熱固性體系
熱固性體系成形劑以熱固性高分子作為成形劑主體組元,利用擠出後高分子的固化來維持擠出棒坯形狀熱固性體系成形劑的優點是擠出棒坯強度高,在脫脂過程中能夠提高棒坯的保形性,可以以較快的加熱速率進行熱脫脂
 
3.水溶性體系成形劑
水溶性體系成形劑的主體是以水溶性的高分子,其主要優點是成形劑可用水進行脫除,從而避免了有機溶劑的使用。如聚乙二醇、聚丙烯酸
、聚丙烯酸鈉、聚甲基丙烯酸甲酷等。
 
4.凝膠體系成形劑
凝膠體系成形劑一般以改性纖維素、改性澱粉、海藻酸鹽和瓊脂等作為成形
劑主體組元
 
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硬質合金壓坯形位公差超差

硬質合金製品由於自身特點,在燒結後的加工餘量不能太大,所以就必須要求在燒結前的壓坯尺寸得到較好的控制。對硬質合金壓坯尺寸的控制除了基本尺寸的控制之外,更須對形位公差進行較好的控制。形位公差包括形狀公差和位置公差。不同的產品要求的形位元公差項目不同,如對表面要求較高的製品,對平面度的要求較高;如硬質合金棒材對直線度、同軸度的要求較高。形位公差超差也是硬質合金生產中一個很嚴重的缺陷類型,直接影響製品的實際使用狀態,所以必須對形位公差超差進行改善。
 
1. 直線度
產生直線度超差的原因及改善措施有: 
1.1 模具的直線度超差。可以通過模具的休整和適當的機加予以改善。
1.2 壓坯密度分佈不均勻。如頂後壓工藝造成的柱體錐度,雖然可以通過工藝控制能得到一定的緩解,但超差依然會存在,這是模壓工藝自身的特點造成的。如果工藝控制不能解決,可以通過後續的機加工予以改善。
1.3 壓坯的壁厚不均勻等造成的直線度超差。與前兩者類似,可通過工藝和後續機加予以改善。
 
2. 平行度
產生平行度超差的原因有: 模具的平行度超差,裝粉不均勻等。
 
3.同軸度
產生同軸度超差的原因有: 模具的精度超差壓制工裝及設備精度低模具安裝不符合要求裝粉不均勻等。
 
不同裝粉方式圖片
 
在粉末流速適當模具精度符合設計要求壓制工裝及設備精度滿足安裝要求的情況下,形位元公差主要與壓坯的密度分佈有關,在壓制方式確定的情況下,壓坯密度的分佈直接與充粉效果有關。圖(a)、圖(b)所示為同一零件的2種裝粉方向。圖(a)以對角方式裝粉,壓坯壁厚差為0.05-0.10mm;圖(b)以對邊方式裝粉,壓坯壁厚差<0.04mm。
 
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硬質合金壓坯尺寸超差

硬質合金壓坯在壓制過程中經常會出現尺寸超差的情況,這一方面是跟工藝控制水準有關,另一方面也是壓制過程品質控制的難點所在。如果按照壓坯的空間尺度來劃分,硬質合金壓坯尺寸超差無外乎兩種情況:一是徑向尺寸超差;二是高度(軸向)尺寸超差。實際生產時根據超差類型和原因予以調整。
 
1.徑向尺寸超差
 
可能是模具設計或製造有問題 如果誤差可以通過調整工藝( 即通過調整粉料成分壓坯密度燒結工藝等) 消除,還可補救,否則只有報廢模具。另外如果增塑坯,可以通過適當的機加工進行消除。
 
2.高度尺寸超差
 
2.1 無臺階柱面壓坯
2.1.1 可以通過調整裝粉改變壓制壓力,延長保壓時間,可調整和穩定軸向尺寸;
2.1.2 可以通過調整成形高度,裝粉量調整軸向尺寸;
2.1.3 可以通過調整頂後壓的大小,進而調節壓坯的密度分佈,進而改變軸向尺寸
 
2.2 臺階壓坯
2.2.1 調整沖頭位置。由於粉末的橫向流動,各模沖的彈性變形量不同,將影響壓坯的厚度 因而在模具設計時應儘量將模沖設計成可調的形式。
2.2.2 調整各臺階裝粉比。理論上各臺階的裝粉要按照壓縮比相等原則來計算。但實際上裝粉不均勻是不可避免的,加之粉料的不穩定性,使得實際裝粉比與計算值之間存在一定的誤差,因而在模具設計時應儘量有調節裝粉機構。
2.2.3 浮動模沖速度
 
不同裝粉方式圖片
 
圖(a) 所示的鑲塊製品,其裝粉方式如圖(b) 所示 浮動模沖運行速度的變化會引起粉末的流動,從而導致臺階尺寸及密度發生變化 若下浮動模沖移動過早過快,會使得此處密度過大尺寸厚;反之相反。這其實是上沖與下沖(浮動沖頭)的速度差導致的壓坯密度變化。浮動模沖的運行速度,主要取決於模具結構。如下拉式壓機模架有粉末移送系統,可根據壓坯的密度及尺寸情況方便地調節; 對於無粉末移送系統的模具,只能依靠浮動模沖的浮動力大小來調節,也能起到同樣的效果,不過穩定性要略差。
 
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硬質合金壓坯密度改善措施

硬質合金壓坯密度和密度分佈是壓制工藝控制及其重要的一個參數。壓坯密度直接反應了壓制壓力、粉末流動、粉末特性、壓制缺陷等壓制工藝性能。壓坯密度是壓制傳遞給燒結過程最重要的指標,如果壓坯密度過小,會導致燒結後合金密度和其它力學性能的下降;如果壓坯密度分佈不均,會導致燒結後合金尺寸形狀等參數的不合格。因而在硬質合金壓制壓制過程中,壓坯的密度十分重要。若出現密度不合格時,需通過各種措施予以改善。
 
1.如壓坯密度整體偏低,可以適當增大壓制壓力,改善模具潤滑條件,選用流動性較好的混合料等。
2.對於一些形狀複雜的模具,由於比較高的壓制力會影響模具使用壽命,可選用壓制性能比較好的粉料。
3.如壓坯密度均勻性差,使用流動性能好的粉料。
4.如壓坯密度不穩定,可改善裝粉條件控制可動模具的運行速度延長保壓時間等。
5.對於細長零件,改變壓制方式或調整浮動量以達到調整密度的目的。 如壓坯上端密度低,可以增加後壓過程量,也可以使陰模或芯棒的下浮
動量減小,以使壓坯上端密度提高。同理如果底部密度較低,可以通過調節頂壓提高底端密度。
6.對於多臺階製品,密度偏低的臺階應增加其裝粉量,如果是浮動模沖還可通過改變其運行速度改變粉料流向的方式來達到提高該臺階密度的目的。
 
帶斜面台階製品圖片
 
7.對於特殊形狀製品,還應多考慮改進模具結構。如上圖所示的產品有3 個與外台方向相反窄小的斜面臺階,此斜面臺階是重要的工作面,有較高的強度及精度要求 由原來的組合下模沖補償裝粉的模具結構,整體下模沖和組合上模沖的模具結構,可徹底消除密度差,實現批量生產。
 
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硬質合金壓坯密度測量要求

硬質合金壓制時,壓坯密度是極其重要的一項指標。這裡的密度除了具體某區域的密度之外,也包含密度分佈情況。理論上,硬質合金壓制工藝生產中,壓坯的密度愈高,其燒結後物理力學性能也愈高。也就是說,硬質合金壓坯密度的高低和分佈情況將決定最終製品的性能。因而在硬質合金壓制模具調試和壓制過程中,壓坯的密度是必須測量(下圖為常見的排水密度儀)的專案,對壓坯密度的測量要求也因壓坯結構等具體的不同而不同。
 
密度儀圖片
 
1.密度要求精確的製品。
如果被測硬質合金製品對密度要求比較高(如數控刀片,PCB微鑽等),此時不能以首件為密度測試樣品,這是因為調試壓力的首件製品保壓時間遠長於實際生產時的保壓時間,因而首件製品密度偏高。
 
2.微小產品
由於微小產品密度測試值誤差較大,如採用排水法測密度時,如果產品太小會導致誤差較大,另一方面微小產品的比表面比較大,表面氣泡和內部滲水會導致測量誤差。所以可以選取多件一同測量,所測密度值近似於其平均值。
 
3.多臺階製品
測量多臺階製品壓坯密度時,不僅要測整體密度,通常還需要根據臺階情況分段測量密度,以反映壓坯各部分的密度分佈情況,及時調整各臺階裝粉比,以保證密度分佈的均勻性。
 
4.導管一類長且薄壁的製品
由於壓制方式及浮動量的不同,引起製品的上中下各部分的密度差很大,因而在調試這一類製品時,必須進行分段密度的測量,以保證各段密度差控制在一定的範圍內。
 
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硬質合金壓坯拉伸型裂紋

硬質合金壓坯拉伸型裂紋屬於硬質合金壓坯拐角(分型面)裂紋的一種。拉伸型裂紋屬於脫模過程產生的裂紋形式,經常在臺階壓坯中出現。硬質合金壓坯拉伸型裂紋產生的原因是壓制力消失後,陰模在浮動支撐力的作用下將向上回彈,但有一部分壓坯緊固在其餘固定的模具中,不能隨陰模一同回復,從而在壓坯的拐角處形成拉伸型裂紋。可通過調整浮動支撐力等方式予以改善。
 
拉伸型裂紋方向
拉伸型裂紋是由因模具回復動作引起壓坯承受拉伸力作用,而拉伸力作用方向一般為豎直方向,所以拉伸型裂紋一般發生在臺階處(分型面)的水準延伸方向上。
 
硬質合金壓坯拉伸型裂紋圖片
 
拉伸型裂紋產生與改進措施
拉伸型裂紋是指在壓制力消除後及隨後的脫模過程中,因模具回復動作引起壓坯承受拉伸力作用,而形成的裂紋,如上圖(a)所示,在達到壓制終了時,陰模及浮動模沖將落在各自的固定墊塊上而壓實,壓制力消失後,陰模在浮動支撐力的作用下將向上回彈,但有一部分壓坯緊固在其餘固定的模具中,不能隨陰模一同回復,從而在壓坯的拐角處形成拉伸型裂紋。
 
同樣,在脫模過程中,特別在上臺階脫出陰模的一瞬間,浮動模沖在浮動支撐力的作用下向上回彈,在壓坯內臺階拐角處形成裂紋,嚴重時可掀掉壓坯的上臺階,如圖 (b) 所示
 
改進措施包括: 在模具結構中設計限制陰模或浮動模沖回復動作的機構,如雙向氣缸; 用較小的浮動支撐力; 改善壓坯的密度分佈,提高壓坯強度。
 
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硬質合金壓坯彎曲型拐角裂紋

硬質合金壓坯彎曲型裂紋屬於拐角(分型面)裂紋的一種,彎曲裂紋通常發生在帶不同高度臺階的硬質合金壓坯上。彎曲裂紋從機理上講,是由不同高度臺階間的彈性後效效果不同導致彈性回復程度不同導致部分臺階處在脫模時缺少支撐力,在脫模力和重力的作用下,無支撐的臺階形成彎曲力矩,進而形成裂紋。
 
彎曲型裂紋方向
彎曲型裂紋主要是在脫模的過程中形成的,其開裂方向沿分型面向坯體內發展,具體方向與脫模力的大小和壓坯形狀有關。
 
硬質合金壓坯彎曲型拐角裂紋圖片
 
彎曲性裂紋產生原因和改善措施
由於在壓制力消除後,組合模沖各部分間的彈性後效效果不同導致彈性回復程度不同,從而在回復小的壓坯臺階與模沖之間形成一定的間隙。在隨後的脫模過程中,因間隙的存在使得該壓坯臺階缺少支撐力,在脫模力(浮動和下拉脫模時脫模力為模壁摩擦力,頂出脫模時為沖頭的正應力)和重力的作用下彎曲而形成彎曲力矩進而導致裂紋。如上圖所示,圖中為簡化模具結構,很多複雜的臺階類製品,常採用臺階陰模或臺階芯棒的方法生產,此類模具壓制的壓坯在脫模時,尤其應注意彎曲型裂紋的產生。
改進措施包括: 採用保護脫模; 在調模時,應注意壓坯的密度分佈,以改善壓坯強度; 模具的粗糙度要低,有合適的脫模斜度。
 
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