表面結(jié)構(gòu)仿生高速鋼刀具及其切削性能的研究

中國(guó)是切削刀具的消耗大國(guó)，如果能夠合理設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)，則可以減少刀具磨損，提高刀具性能，延長(zhǎng)刀具壽命。本項(xiàng)目應(yīng)用仿生學(xué)原理，開(kāi)展切削刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，在高速鋼刀具的后刀面設(shè)計(jì)出提高耐磨性能的微凹坑以及網(wǎng)紋等仿生結(jié)構(gòu)表面，在高速鋼和硬質(zhì)合金刀具的前刀面設(shè)計(jì)出具有良好斷屑性能的激光熔覆斷屑臺(tái)，設(shè)計(jì)出易于再制造的組合式電鍍金剛石砂輪。研究了結(jié)構(gòu)仿生表面的摩擦磨損性能，分析仿生單元特征對(duì)表面磨損的影響，建立了結(jié)構(gòu)仿生表面的磨損量數(shù)學(xué)模型，對(duì)仿生單元的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。探索了高速鋼刀具材料粉末熔覆仿生強(qiáng)化表面的制造方法，分析高速鋼粉末熔覆仿生強(qiáng)化表面的組織結(jié)構(gòu)與磨損性能。針對(duì)金屬和氟金云母玻璃陶瓷材料，研究了高速鋼刀具結(jié)構(gòu)仿生表面的磨損特性。設(shè)計(jì)并制造了高速鋼刀具表面激光粉末熔覆斷屑臺(tái)，研究了高速鋼表面激光粉末熔覆刀具的切削過(guò)程與斷屑效果。通過(guò)本項(xiàng)目的研究工作，設(shè)計(jì)并制造出高速鋼刀具的表面仿生結(jié)構(gòu)，可以改善高速鋼刀具的表面耐磨性，提供了一種刀具表面仿生設(shè)計(jì)的新方法。基于仿生原理設(shè)計(jì)出便于拆卸的組合式砂輪基體，實(shí)現(xiàn)了電鍍金剛石砂輪的綠色再制造，提供一種新的可回收金剛石砂輪設(shè)計(jì)方案，為報(bào)廢金剛石工具的回收和再制造提供了新思路。設(shè)計(jì)并制造出一種高速鋼刀具表面激光粉末熔覆斷屑臺(tái)，有效實(shí)現(xiàn)了切削過(guò)程的斷屑，可以應(yīng)用于高速鋼刀具以及硬質(zhì)合金刀具。 2100433B

近年來(lái)，中國(guó)的刀具消耗連續(xù)位居世界首位。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的需求下，減少和控制刀具磨損，是延長(zhǎng)刀具壽命、節(jié)約制造成本的有效手段之一。生物為了適應(yīng)環(huán)境和滿(mǎn)足生存需要，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，在自然法則下優(yōu)化出具有極其優(yōu)異功能的生物體表面。本項(xiàng)目根據(jù)仿生學(xué)原理，提出一種刀具表面結(jié)構(gòu)仿生的新構(gòu)想，研制一種基于激光強(qiáng)化的高速鋼刀具結(jié)構(gòu)仿生表面。本項(xiàng)目以高速鋼刀具為研究對(duì)象，以提高刀具表面的耐磨性為研究目標(biāo)，通過(guò)將激光強(qiáng)化和刀具表面結(jié)構(gòu)仿生相結(jié)合的手段，共同提高刀具的耐磨性。研究?jī)?nèi)容包括：探索刀具結(jié)構(gòu)仿生表面的設(shè)計(jì)方法，研究激光強(qiáng)化仿生結(jié)構(gòu)單元的加工方法，分析結(jié)構(gòu)仿生表面的摩擦學(xué)特性，研究激光強(qiáng)化仿生刀具的切削性能。開(kāi)展本項(xiàng)目研究，將解決激光強(qiáng)化高速鋼仿生刀具在設(shè)計(jì)與加工中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提供提高刀具表面耐磨性的新途徑，建立切削刀具表面結(jié)構(gòu)仿生的基本原理和方法。

太陽(yáng)能電池存在多角度入射太陽(yáng)光難以聚焦吸收、過(guò)熱問(wèn)題引起轉(zhuǎn)換效率降低以及惡劣戶(hù)外環(huán)境影響電池穩(wěn)定性等問(wèn)題。本項(xiàng)目以樹(shù)葉表皮為仿生對(duì)象，研究樹(shù)葉表皮的光學(xué)特性、自清潔性、超疏水性、熱適應(yīng)性等多功能的形成機(jī)理，提出了一種單層薄膜上集成多功能特性的太陽(yáng)能電池智能表面結(jié)構(gòu)，以解決太陽(yáng)能電池在工藝、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等方面實(shí)用化的問(wèn)題，著重開(kāi)展其仿生機(jī)理和制備工藝的研究。通過(guò)測(cè)量樹(shù)葉表皮的幾何結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能特性，基于結(jié)構(gòu)與功能的仿生耦合設(shè)計(jì)原理，建立太陽(yáng)能電池智能表面結(jié)構(gòu)的仿生模型；分析表面結(jié)構(gòu)的邊界約束條件，建立納米顆粒分布模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)單層多功能薄膜的制備工藝；實(shí)驗(yàn)研究并測(cè)試其光學(xué)特性、動(dòng)態(tài)接觸角、表面粗糙度、溫度和幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)以檢驗(yàn)其多功能特性，優(yōu)化其制備工藝。為低成本的太陽(yáng)能電池覆膜制備提供新的理論、方法和工具，推動(dòng)太陽(yáng)能電池的大規(guī)模應(yīng)用。

在清華大學(xué)教授呂富殉先生的文章“走向21世紀(jì)——建筑仿生學(xué)的過(guò)去和未來(lái)”中，介紹了建筑仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容（見(jiàn)圖）。

總的來(lái)說(shuō)，建筑仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容大致可歸納為以下幾個(gè)方面：

（1）建筑的功能與空間（形象）的組織。

（2）生物界的某些結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系以及它們形成的特殊方法和規(guī)律。

（3）建筑與自然環(huán)境的相互關(guān)系問(wèn)題以及生態(tài)保護(hù)問(wèn)題的解決。

（4）生物界某些帶有規(guī)律性的美學(xué)潛力的發(fā)掘以及建筑美學(xué)問(wèn)題。

仿生建筑的創(chuàng)作以功能和形象的統(tǒng)一為基礎(chǔ)，并將建筑和生物界形象構(gòu)成的和諧為追求目標(biāo)，具體來(lái)說(shuō)，就是從建筑的使用功能出發(fā)，找到一種合適的形象，能更充分地滿(mǎn)足建筑的使用功能及其特定的社會(huì)需要。豐富多彩的生物界向我們提供了取得功能和形象間的和諧關(guān)系的規(guī)律，給我們提供了無(wú)窮無(wú)盡的仿生構(gòu)思的源泉，同時(shí)我們也可以看到，任何規(guī)律和原則都有可能通過(guò)不同的具體形式表現(xiàn)出來(lái)，這為我們正確地利用生物界和建筑的共同規(guī)律提供了保障。

當(dāng)前，世界面臨嚴(yán)峻的能源和環(huán)境壓力，太陽(yáng)能電池的研究近來(lái)成為熱點(diǎn)，太陽(yáng)能電池目前在應(yīng)用上存在一些問(wèn)題，如對(duì)太陽(yáng)入射光的吸收率不高導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率低下，受惡劣環(huán)境的影響導(dǎo)致穩(wěn)定性差使用壽命減短等。自然界中的生物對(duì)于不同的環(huán)境都具有良好的適應(yīng)性，如飛蛾復(fù)眼結(jié)構(gòu)的減反射性、荷葉表面的超疏水性等。這些生物的一些特定的結(jié)構(gòu)對(duì)于光學(xué)傳輸、溫度控制、自清潔功能有直接的影響。本文以某些具有特殊結(jié)構(gòu)的生物體為仿生對(duì)象，開(kāi)展太陽(yáng)能電池表面結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)理和制備技術(shù)的研究，以在寬波長(zhǎng)大角度范圍減小電池表面入射光反射率并同時(shí)提高表面自清潔性能為目的，基于嚴(yán)格耦合波理論展開(kāi)了仿生模型的光學(xué)特性仿真研究，并基于仿生結(jié)構(gòu)的原理提出了兩種實(shí)驗(yàn)制備方法，濕法腐蝕方法及基于自組裝納米微球的方法。對(duì)表面結(jié)構(gòu)形貌特征進(jìn)行了表征并測(cè)試了表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性、疏水性。本文主要研究?jī)?nèi)容如下： 1）仿生結(jié)構(gòu)機(jī)理研究。一些生物體表面具有良好的光學(xué)減反性和疏水性，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，其表面的微觀有序結(jié)構(gòu)在其中發(fā)揮著決定性的作用。通過(guò)調(diào)整微納結(jié)構(gòu)的分布和尺度，可能會(huì)同時(shí)具備優(yōu)異的疏水性和光學(xué)減反性。將這樣的微納結(jié)構(gòu)運(yùn)用于太陽(yáng)能電池表面，在提高其光電轉(zhuǎn)換效率、實(shí)現(xiàn)自清潔等功能方面會(huì)有顯著的突破。 2)對(duì)硅片表面減反射原理進(jìn)行研究，比較了薄膜減反射和微結(jié)構(gòu)減反射的優(yōu)劣，同時(shí)基于嚴(yán)格耦合波理論分別運(yùn)用RSOFT和MATLAB軟件進(jìn)行了一維和二維亞波長(zhǎng)微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性仿真。對(duì)固體表面超疏水機(jī)理進(jìn)行了分析。 3)采用濕法腐蝕方法進(jìn)行了硅納米線的制備，并對(duì)其結(jié)構(gòu)形貌、疏水性、光學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)量表征。在實(shí)驗(yàn)中采用100晶向的單晶硅片，室溫下在其表面成功制備了大面積的硅納米線陣列。測(cè)試表明，樣品表面反射率在400-800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)達(dá)到5%以下，表面接觸角高達(dá)150°，同時(shí)具備了較好的疏水性和減反射性。 4)基于自組裝單層納米微球的濕法腐蝕技術(shù)制備微納結(jié)構(gòu)的研究。在硅基底表面自組裝單層PS膠體微球，結(jié)合RIE刻蝕技術(shù)和磁控濺射鍍膜技術(shù)，運(yùn)用改進(jìn)的濕法腐蝕技術(shù)，制備了一定面積的尺寸可控的有序納米線陣列，討論了及PS微球的自組裝技術(shù)，RIE刻蝕條件的選擇及優(yōu)化。 2100433B