一种基于热电效应集成测温功能的二硼化锆基陶瓷切削刀具

《Journal of Manufacturing Processes》：A kind of ZrB 2-based ceramic cutting tool integrating temperature measurement function by thermoelectric effect

　　

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  一种用于原位切削温度监测的自感知ZrB?基刀具。
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  热电势从室温到1000°C对温度呈现单调响应。
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  径向散热被确定为热误差的主要来源。
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  通过摩擦磨损实验研究了正负极及其界面的磨损机理。

引言

在铣削等切削加工过程中，刀具-切屑界面温度同时主导着切削物理过程和刀具退化[1], [2]。然而，由于受限切削区内严苛的机械载荷和陡峭的温度梯度，直接的热特性表征仍然十分困难[3], [4]。传统的测量技术，从自然/嵌入式热电偶到红外热成像，各自面临不同的折衷问题。自然热电偶虽然简单，但通常只能得到整个接触长度的空间平均温度，无法捕捉局部峰值[5]。嵌入式传感器的集成往往会因刀具结构的弱化以及在恶劣条件下的信号不稳定性而受到损害[6], [7]。同样，红外热成像也常因表面发射率的不确定性和切屑/冷却液的遮挡而受到阻碍，导致温度显著低估[8]。

为了克服整体式传感器的局限性，近年来的研究转向了通过磁控溅射[9]、喷墨打印[10]或光刻[11], [12]集成的薄膜热电偶（TFTCs）。尽管这些表面传感器具有极小的热延迟，但对其应用的批判性分析揭示了一个持续存在的科学空白——即它们在高应力切削区的生存能力仍然十分成问题。为改善耐久性而采取的策略，例如通过微机电系统（MEMS）工艺将传感器嵌入微槽[13], [14]，或采用扩散焊接保护层[15], [16]，都引入了根本性的结构矛盾。深度嵌入的传感器会损害刀具基体的机械完整性，而表面贴装阵列则存在热不稳定性和界面附着力差的问题，在切屑的磨蚀作用下往往导致过早的层间剥离[17], [18]。最终，传感分辨率与结构鲁棒性之间的内在折衷仍未得到解决，这突显了对结构内在传感范式的迫切需求。

为了弥合机械完整性与传感生存能力之间的关键差距，本研究提出了一种新型的"刀具即传感器"架构，开发了自感知ZrB₂基陶瓷切削刀具。ZrB₂凭借其金属级的导电性和高耐火性，是结构-功能一体化的主要候选材料，然而，将其作为整体电极的应用受到氧化电阻力差和断裂韧性低的制约[19], [20]。通过掺入碳化硅 whiskers（SiC_w）和ZrO₂增强相，基体通过裂纹桥接和相变实现了显著增韧，在保持稳定电传输的同时，大幅提升了热机械耐久性[21], [22]。

利用这些特性，本研究通过一步真空热压工艺，将ZrB₂-SiC_w和ZrB₂-SiC_w-ZrO₂复合材料分别配对作为正、负极热电腿。与依赖脆弱界面的外部传感器不同，这种材料级的集成确保了传感功能内在于刀具的结构本体，利用内在的Seebeck效应实时捕捉界面温度，同时避免了过早的信号漂移。热电回路直接建立在切削刃处，测量结点位于两个电极交汇的刀尖处。此外，为了直接应对整体式传感器精确度的根本复杂性——这是内在传感中的一个关键关注点——本研究全面阐明了宏观尺度测量结点的空间积分效应。通过定量分析主导刀具-切屑界面温度场的局部径向散热，本研究不仅为原位热监测提供了一条高耐久性的技术路线，还为功能集成陶瓷的空间分辨率极限提供了新的物理见解。

章节片段

材料制备

ZrB₂（晶粒尺寸1–3 μm，纯度99.5%），SiC_w（直径0.1–0.6 μm，长度10–50 μm，纯度99.9%），ZrO₂（晶粒尺寸0.5 μm，纯度99.9%）。刀具的完整制造过程如图1a所示。将各粉体按体积分数称量、混合，然后放入行星式球磨机中以300 r/min的转速研磨48 h。球磨完成后，将所得浆料移至真空干燥箱中，在120°C下干燥5 h。

微观结构演化与界面机械可靠性

XRD分析结果如图4a所示，证实两个电极主要由ZrB₂基体以及SiC_w和ZrO₂增强相组成。未检测到可观测的第二相，表明真空热压工艺参数有效抑制了基体与增强相之间的有害化学反应。截面SEM图像如图4b–d所示，揭示了一个高度致密、无缺陷的粘接区域。尽管存在固有的热膨胀系数（CTE）

结论

本研究成功合成了一种自感知ZrB₂基陶瓷切削刀具，利用材料的内在Seebeck效应实现原位温度监测。主要研究结论如下：

集成式刀具在高达1000°C的温度范围内具有稳定的热电响应，线性度高（R² = 0.9984）。通过红外热成像和有限元模拟验证了刀具的实时温度获取能力。观察到的峰值系统性低估

作者贡献声明（CRediT）

李金瑞： 撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，验证，数据管理。黄传真： 撰写——审阅与编辑，监督，经费获取。史振宇： 监督。许龙华： 监督。王震： 监督。黄水泉： 监督。曲梅娜： 监督。徐正凯： 监督。张家弟： 监督。郭宝树： 监督。金天业： 监督。刘汉联： 监督。刘盾： 监督。姚鹏： 监督。

利益冲突声明

作者保证在本手稿的提交过程中不存在利益冲突，且本手稿已获所有作者批准发表。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52275464和52475472）、河北省高层次人才全职引进科研计划项目（2021HBQZYCXY004）的资助。

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