一种用于超轻易碎气凝胶的低成本微加工方法与流程

本发明属于材料加工成型技术领域，涉及一种用于超轻易碎气凝胶的低成本微加工方法。

背景技术：

气凝胶是一类具有多级分形结构的纳米多孔材料，具有超低的密度、超低的力学模量、超低的热导率、超低的折射率、超高的比表面积和超高的孔隙率等特性，在国防、航天探测、节能环保以及基础物理研究等领域有着重要的应用价值，特别是在太空高速粒子捕获，火星登陆器材温度敏感元器件的热防护、导弹热电池保温、超级电容器与锂离子电池、³he超流体相变、激光状态方程实验以及惯性约束核聚变等前沿和热门的研究当中有着非常重要的应用。上述这些应用中对气凝胶的形状和尺寸都有着特殊的要求，而刚被制备出来的气凝胶由于模具限制、收缩开裂等原因，其形状和尺寸往往不能达到使用的要求，因此需要对气凝胶进行进一步的塑性和微加工，使其获得满足应用需求的形状和尺寸。然而，由于气凝胶结构脆弱，松软易碎，难以夹持和切削，要对其塑形和微加工非常困难。

常见的气凝胶加工手段包括手工加工、超精密机械加工、激光烧蚀加工和3d打印等。采用普通刀具、电钻、打磨机等手持工具进行手工加工，很容易导致气凝胶碎裂损毁，且加工精度难以保证。采用单点金刚石车床等超精密机械加工手段虽能获得极高的加工精度，但相关设备造价高昂(单台售价可能突破百万美元)，导致加工成本极其高昂，而且加工周期漫长(单件加工周期～数小时至数天)，只能加工尺寸较小的样件，不利于对气凝胶进行批量加工。对于激光烧蚀加工而言，利用激光与物质相互作用瞬间产生的热效应来烧蚀材料，该方法虽可避免应力对气凝胶的破坏，但由于气凝胶具有极高的比表面积，激光加工所产生的高温非常容易点燃气凝胶，此外由于所使用的激光能量大，在操作过程中如果操作不当容易对人的眼睛造成损害，使用的危险性高，且设备对工作环境要求较高，加工过程通常需要在超净间内完成，而且激光加工设备造价非常高昂，加工成本同样极高，加工样件的尺寸也极为有限，因此并未被广泛用于气凝胶的加工。3d打印是近年来兴起的一种材料新型成型加工手段，采用3d打印技术加工气凝胶目前还不成熟，而且打印设备昂贵，墨水配方单一，加工工艺复杂，暂时还不能够实现对绝大多数气凝胶的微加工与塑性。

综上，手工加工、超精密机械加工、激光烧蚀加工和3d打印等手段均存在诸多弊端，而低成本、精度高且操作简便的气凝胶微加工技术依旧匮乏，这严重制约了气凝胶的应用和推广。因此，在满足加工精度的要求下，如何方便快捷地把气凝胶塑造成为人们需要的形状，同时又保留了气凝胶的微结构和特性，这将会是这些科研工作者共同感兴趣的话题。

随着新技术、新设备以及新的测试仪器的采用，普通机械加工在加工精度上不断地提高，对材料的分割水平正在不断由宏观进入微观，能够在微米级别上对材料进行切削，而且因其设备造价相对便宜(设备价格通常在数千美元以内)，工艺相对成熟，加工的样件尺寸范围大，操作相对容易，因而在材料加工中仍然占据了重要的席位。其中铣床是最为传统、普遍、高效且廉价的加工方法之一，通常用来加加工金属等硬质材料，而气凝胶是极其松软、易碎的纳米多孔材料，对其进行铣削加工虽然非常困难，但该加工方法在成本控制、操作便捷程度以及加工样件尺度等方面具有上述其他几种加工手段不可比拟的优势，因而有望成为低成本、精度高且操作简便的气凝胶微加工技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于超轻易碎气凝胶的低成本微加工方法，该加工方法中利用柔性材料制作夹具，控制加持力度并选择优化的加工参数(铣刀直径、铣刀转速以及进给速度),实现(圆柱、台阶、套筒以及凹槽等)等规则形状气凝胶样件的精密加工，可避免加工过程中产生的热效应以及振动对气凝胶结构的影响，实现高精度的加工。

本发明所采用的技术方案是：一种用于超轻易碎气凝胶的低成本微加工方法，具体包括如下步骤：

步骤1，在塑料泡沫板的中心处开孔；

步骤2，在步骤1所开孔内放入待加工气凝胶；

步骤3，将步骤2包裹了气凝胶的塑料泡沫板放在微型铣床位移平台的三角卡盘中，通过三角卡盘适度夹紧塑料泡沫板，使气凝胶在塑料泡沫板的圆孔中不晃动，对气凝胶进行铣削加工。

本发明的特点还在于，

步骤1中的塑料泡沫板为聚苯乙烯泡沫板或者挤塑板中的一种。

步骤1中的塑料泡沫板为等边三角形。

步骤1中塑料泡沫板中心处所开孔为圆孔。

步骤3中三角卡盘的卡盘爪高度与塑料泡沫板的厚度相同。

本发明的有益效果是：本发明涉及的方法适用面广、设备组件便宜易得、搭建过程安全简单、加工成本低廉，所加工的气凝胶具有表面平整、尺寸精度良好、容易控制等优点，对于国防、航天探测、节能环保以及基础物理研究领域气凝胶的精密加工有着重要的意义。

附图说明

图1是本发明一种用于超轻易碎气凝胶的低成本微加工方法中泡沫塑料板制作的柔性夹具；

图2是本发明一种用于超轻易碎气凝胶的低成本微加工方法实施例1中不同直径铣刀加工气凝胶样品示意图；

图3是本发明一种用于超轻易碎气凝胶的低成本微加工方法实施例1加工的二氧化硅气凝胶多级圆台的结构示意图。

图中，1.直径a铣刀，2.直径b铣刀，3.气凝胶样品。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种用于超轻易碎气凝胶的低成本微加工方法，具体包括如下步骤：

步骤1，将柔性塑料泡沫板切割成等边三角形形状，在等边三角形中心开圆孔；

步骤1中的塑料泡沫板为聚苯乙烯泡沫板或者挤塑板中的一种。

步骤2，在步骤1加工的等边三角形塑料泡沫板上的圆孔中放入待加工气凝胶；塑料泡沫板为气凝胶的柔性夹具；

步骤3，将步骤2包裹了气凝胶的塑料泡沫板放在微型铣床位移平台的三角卡盘中，通过三角卡盘适度夹紧塑料泡沫板，使气凝胶在塑料泡沫板的圆孔中不晃动，利用合适的加工参数对气凝胶进行铣削加工；

步骤3中三角卡盘的卡盘爪高度与塑料泡沫板的厚度相同。

步骤3中的加工参数包括铣刀转速、铣刀直径和进给速度，视待加工的气凝胶尺寸、形状和精度要求而定。

实施例1：二氧化硅气凝胶圆台的加工

利用微型铣床加工三角形中心带直径约为1cm、深度约为1cm贯穿圆孔的等边三角形聚苯乙烯泡沫板，如图1所示。将长度约为2cm、直径略小于1cm的圆柱形二氧化硅气凝胶毛坯放入塑料泡沫板的圆孔中，然后将中间包裹有二氧化硅气凝胶的三角形塑料泡沫板轻放至金属三角卡盘中心，并适度夹紧使气凝胶不会晃动，但不可过度挤压避免气凝胶碎裂。将金属三角卡盘固定在微型铣床的位移平台上，采用8000转每分钟的转速和3mm直径的钢制铣刀进行加工，进给速度不超过0.1mm每次，刀具直径大则进给速度应进一步减小以保证加工精度，不同直径铣刀加工气凝胶样品示意图，如图2所示，图中1为直径a铣刀，2为直径b铣刀，3为气凝胶样品，通过移动铣刀与气凝胶的相对位置，并匀速转动卡盘以铣削不同直径的多级圆台，铣削后的多级气凝胶多级圆台如图3所示。该方法与传统的加工方法相比，可以几乎无损地夹持超轻易碎气凝胶，并实现高精度的加工，同时加工成本低廉。

实施例2：二氧化硅气凝胶套筒的加工

利用微型铣床加工三角形中心带直径约为1cm、深度约为1cm贯穿圆孔的等边三角形聚苯乙烯泡沫板，将长度约为2cm、直径略小于1cm的圆柱形二氧化硅气凝胶毛坯放入塑料泡沫板的圆孔中，然后将中间包裹有二氧化硅气凝胶的三角形塑料泡沫板轻放至金属三角卡盘中心，并适度夹紧使气凝胶不会晃动，但不可过度挤压避免气凝胶碎裂。将金属三角卡盘固定在微型铣床的位移平台上。采用8000转每分钟的转速和8mm直径的钢制铣刀进行加工，利用寻边器使刀具轴心与气凝胶圆柱轴心重合，从竖直方向进刀，进给速度不超过0.1mm每次，直到刀具到达预定深度，通过变换刀具直径，可以加工不同壁厚的二氧化硅气凝胶套筒，通过对二氧化硅气凝胶圆柱毛坯外周进行减薄加工，可以加工不同外径的二氧化硅气凝胶套筒。该套筒外形美观规整、尺寸可精确控制。

实施例3：二氧化硅气凝胶凹槽的加工

利用微型铣床加工三角形中心带直径约为1cm、深度约为1cm贯穿圆孔的等边三角形聚苯乙烯泡沫板，将长度约为2cm、直径略小于1cm的圆柱形二氧化硅气凝胶毛坯放入塑料泡沫板的圆孔中，然后将中间包裹有二氧化硅气凝胶的三角形塑料泡沫板轻放至金属三角卡盘中心，并适度夹紧使气凝胶不会晃动，但不可过度挤压避免气凝胶碎裂。将金属三角卡盘固定在微型铣床的位移平台上。采用8000转每分钟的转速和10mm直径的钢制铣刀进行加工，将圆柱面铣削平整，然后换用1mm直径的铣刀进行加工，移动铣刀使其轴心远离待加工气凝胶，然后将铣刀在待加工气凝胶顶面上来回移动，并向下进给，进给速度不超过0.1mm每次，直到刀具到达预定深度，即可获得凹槽，通过变换刀具直径，可以加工不同宽度的凹槽，通过转动卡盘角度，可获得不同方向的凹槽。

实施例4：二氧化硅气凝胶台阶和准斜面的加工

利用微型铣床加工三角形中心带直径约为1cm、深度约为1cm贯穿圆孔的等边三角形聚苯乙烯泡沫板，将长度约为2cm、直径略小于1cm的圆柱形二氧化硅气凝胶毛坯放入塑料泡沫板的圆孔中，然后将中间包裹有二氧化硅气凝胶的三角形塑料泡沫板轻放至金属三角卡盘中心，并适度夹紧使气凝胶不会晃动，但不可过度挤压避免气凝胶碎裂。将金属三角卡盘固定在微型铣床的位移平台上。采用8000转每分钟的转速和10mm直径的钢制铣刀进行加工，先将圆柱面铣削平整，然后继续用10mm直径的铣刀进行加工，移动铣刀使其轴心稍微偏离待加工气凝胶的轴心，并向下进给，进给速度不超过0.1mm每次，直到刀具到达预定深度，继续移动铣刀使其轴心进一步偏离待加工气凝胶的轴心，并向下进给，进给速度不超过0.1mm每次，经过多次重复即可获得多级台阶，通过控制铣刀轴心每次偏离待加工气凝胶轴心的距离，可以调节台阶的宽度，通过控制铣刀向下进给的深度，可以调节台阶的高度。通过同时减小台阶的宽度和高度，最小可加工到5微米的宽度和高度，即可获得准斜面。通过改变台阶宽度和高度的比例，可以获得不同斜率的准斜面，通过连续变化台阶宽度和高度的比例，可以获得准连续的任意波浪形曲面。

实施例5：石墨烯气凝胶的加工

石墨烯气凝胶内部有大量的大孔，加工过程容易出现局部应力不均而导致破碎，采用直径较小的刀具进行加工可有效提高加工精度，利用微型铣床加工三角形中心带直径约为0.5cm、深度约为1cm贯穿圆孔的等边三角形聚苯乙烯泡沫板，将长度约为1.5cm、直径略小于0.5cm的圆柱形二氧化硅气凝胶毛坯放入塑料泡沫板的圆孔中，然后将中间包裹有石墨烯气凝胶的三角形塑料泡沫板轻放至金属三角卡盘中心，并适度夹紧使气凝胶不会晃动，但不可过度挤压避免气凝胶碎裂。将金属三角卡盘固定在微型铣床的位移平台上。采用16000转每分钟的转速和2mm直径的钢制铣刀进行加工，根据所需的形状设计相应的加工路线。