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摘 要

MgTiO₃系微波介质陶瓷属于低介电常数类，相比较其他体系的低介电常数微波介质陶瓷而言，该系材料具有原料丰富、价格低廉，介电性能优异等优点，是一种非常重要的材料。在工业生产中，其干压过程加工复杂、成本高，模具磨损大，需要在加工前进行模拟减少损失。数值仿真技术能节省时间，减少工作量，还可缩短模具设计周期、提高粉末压制产品质量。本文使用Abaqus软件对MgTiO₃陶瓷粉末的干压过程进行有限元模拟分析，验证了Drucker-PragerCap模型相关的可行性，研究了MgTiO₃陶瓷粉末的材料属性，Abaqus软件的干压成型及后处理功能。研究表明：随着干压时摩擦系数的减少，MgTiO₃陶瓷粉末内部所受应力越均匀，密度也越均匀。综合考虑成本，技术等问题，摩擦系数为0.05时性价比最优。双向加压与单向加压相比，粉末内部应力，密度都更均匀。

关键词：MgTiO3陶瓷 数值模拟 性能优化 Abaqus后处理

Abstract

MgTiO₃ system microwave dielectric ceramics belong to the category of low permittivity. Compared with other systems of low permittivity microwave dielectric ceramics, this system material has the advantages of rich raw materials, low price, excellent dielectric properties and so on. It is a very important material. In industrial production, the process of dry pressing is complex, high cost, and the die wear is large, so it needs to be simulated before processing to reduce the loss. The numerical simulation technology can save time, reduce workload, shorten die design cycle and improve the quality of powder pressing products. In this paper, the finite element simulation analysis of the dry pressing process of MgTiO₃ ceramic powder is carried out by using ABAQUS software, the feasibility of Drucker pragercap model is verified, the material properties of MgTiO₃ ceramic powder, the dry pressing forming and post-processing function of ABAQUS software are studied. The results show that with the decrease of friction coefficient in dry pressing, the stress and density of MgTiO₃ ceramic powder are more uniform. Considering the cost, technology and other issues, when the friction coefficient is 0.05, the cost performance is the best. Compared with unidirectional compression, the internal stress and density of powder are more uniform.

Key words: numerical simulation performance optimization of MgTiO₃ ceramics ABAQUS post treatmen

目 录

第1章 绪论 1

1.1 MgTiO₃系微波介质陶瓷的研究背景 1

1.2 干压成型数值模拟的国内外研究现状 2

1.3 研究目的及意义 3

1.4 主要研究内容 3

第2章 DPC模型所需材料参数的测试与实验方案 4

2.1 干压成型的模型与选择 4

2.1.1 干压成型的模型种类 4

2.1.2 模型的选择 4

2.2材料参数 4

2.3实验方案 5

2.3.1轴向-径向压缩实验 5

2.3.2 单轴模压实验 9

第3章 MgTiO₃的Abaqus干压成型模拟 11

3.1 Abaqus软件的介绍 11

3.2干压仿真模拟的操作步骤 11

3.2.1预实验 11

3.2.2后处理 17

第4章 MgTiO₃的属性测试 18

4.1实验验证 18

4.1.1模拟结果与实验结果对比 18

4.1.2结果分析 19

4.1.3工艺优化 20

4.2不同摩擦系数下的粉末属性分析 21

4.3采用双向加压时粉末属性分析 26

第5章 结论与展望 28

5.1结论 28

5.2展望 28

致谢 29

参考文献 30

第1章 绪论

1.1 MgTiO₃系微波介质陶瓷的研究背景

通常情况来说，微波介质陶瓷不同于普通陶瓷，他的种类繁多，且一种该种类陶瓷一般具有不止一种功效。它经常应用于微波频段，在其他的方面用途也很广泛，可以说是相当实用了。

在上世纪30年代末期，Richtmyert从理论上证明了电介质在微波电路中用作介质谐振器的可能性，微波体系向相对更小号的方面有了探索的苗头。19世纪60年代末期，第一个含有金红石TiO₂微波介质谐振器由Cohn和他的研究团伙共同发明出来。

自从上世纪七、八十年代，世界经济发展增长迅速，社会进步导致很多新技术兴起，微波技术体系慢慢向小型化，社会化，实用化领域前进，世界上更多人开始重视介质陶瓷材料，越来越多的学者，研究人员开始对介质陶瓷材料进行研究。

以上是国外在上世纪的一些研究先例，而我国从80年代初才开始对微波介质陶瓷的研究，首先是BaO-TiO₂系微波介质陶瓷;90年代开始对材料、工艺的制备和性能的优化进行研究。进入21世纪以来，由于军用雷达、卫星通讯的作用越来越大，微波介质材料也越来越重要，其研究也受到了国家的高度重视。目前，我国在微波介质陶瓷研究领域的很多方面都有重大突破，研究进展很快，但较美国等发达国家还有一定的差距。更多学者的研究，国家大力鼓励微波介质陶瓷的研发,对我国的经济发展，社会进步有很大的帮助。

微波介质陶瓷如今越来越受到重视，这就不得不谈谈其中重要的MgTiO₃（偏钛酸镁）系微波介质陶瓷：MgTiO₃系微波介质陶瓷属于低介电常数类，是一种很不错的陶瓷。该系材料具有原料丰富、价格低廉，介电性能优异，易实现一定范围内可调等优点而受到人们的广泛关注。

既然MgTiO₃系微波介质陶瓷优点如此之多，适用范围如此之广，那需求量肯定是非常大的。对于MgTiO₃系陶瓷的生产过程，多数是对该材料进行干压，烧结等过程。干压是生产中最为常见的一种方法，干压生产的缺点有：加工实施复杂、会损耗模具，所需成本较高 。加压应力分布不匀,密度分布不均,导致干压完后的产品出现一系列的问题。在工业实际生产中，为了对粉末压制工艺进行优化，传统经验试错法是一种最常用的方法，但其不仅成本很高、工艺周期长、又费时又费力，同时还要求技术人员有成熟的技术和丰富的经验。与之相比，数值仿真技术不仅能节省时间，方便修改工艺参数，减少工作量，还可缩短模具设计周期、提高粉末压制产品质量、节省中间试验和调试费用。因此，为了节约成本，减少生产时间，优化工艺方式，我们需要在干压工艺前对MgTiO₃粉末陶瓷的干压成型进行数值模拟。通过不断改变陶瓷粉末干压成型的初始条件，如摩擦系数，下压量，初始密度，模具形状，摆放方式等等，通过不同的排列组合，得到一个干压过程的最优解。这样就可以少走弯路，在干压一开始就使用最合理的运转方法。

1.2 干压成型数值模拟的国内外研究现状

众所周知，粉末冶金主要分为粉末干压和烧结两个工艺过程，而粉末干压是粉末冶金生产工艺中最重要的一个生产环节，是形成零件最终形状和尺寸的主要工序。对于粉末成形产品而言，粉末干压生坯的质量至关重要。在粉末干压过程中，如果生坯内部出现裂纹、密度和应力分布不均等缺陷，这些缺陷会一直持续到后续工序，如烧结、包装和运输过程，从而影响产品的尺寸精度和力学性能。

MgTiO₃陶瓷粉末正是如此。而零件生坯的质量由粉末在干压过程中的致密行为所决定，因此需要对多元混合金属粉末在模压过程中的干压行为和致密机理进行详细研究，进而优化其干压工艺过程，对促进粉末冶金工艺在多元混合粉末领域的应用具有重要的实际应用价值和理论指导意义。利用计算机数值模拟^[1]技术来优化指导粉末冶金压制工艺和模具设计已成为粉末冶金工业发展的研究热点^[2]。对此大量的学者开展了一系列的研究工作，提出了不同的描述模压过程的模型^[3，4]。

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