表面結(jié)構(gòu)仿生高速鋼刀具及其切削性能的研究結(jié)題摘要

中國是切削刀具的消耗大國，如果能夠合理設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)，則可以減少刀具磨損，提高刀具性能，延長刀具壽命。本項(xiàng)目應(yīng)用仿生學(xué)原理，開展切削刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，在高速鋼刀具的后刀面設(shè)計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)計出具有良好斷屑性能的激光熔覆斷屑臺，設(shè)計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，對仿生單元的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。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)計并制造了高速鋼刀具表面激光粉末熔覆斷屑臺，研究了高速鋼表面激光粉末熔覆刀具的切削過程與斷屑效果。通過本項(xiàng)目的研究工作，設(shè)計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)計的新方法?；诜律碓O(shè)計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)計方案，為報廢金剛石工具的回收和再制造提供了新思路。設(shè)計并制造出一種高速鋼刀具表面激光粉末熔覆斷屑臺，有效實(shí)現(xiàn)了切削過程的斷屑，可以應(yīng)用于高速鋼刀具以及硬質(zhì)合金刀具。 2100433B

近年來，中國的刀具消耗連續(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)境和滿足生存需要，經(jīng)過億萬年的進(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象，以提高刀具表面的耐磨性為研究目標(biāo)，通過將激光強(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。研究內(nèi)容包括：探索刀具結(jié)構(gòu)仿生表面的設(shè)計方法，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。

太陽能電池存在多角度入射太陽光難以聚焦吸收、過熱問題引起轉(zhuǎn)換效率降低以及惡劣戶外環(huán)境影響電池穩(wěn)定性等問題。本項(xiàng)目以樹葉表皮為仿生對象，研究樹葉表皮的光學(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能電池智能表面結(jié)構(gòu)，以解決太陽能電池在工藝、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等方面實(shí)用化的問題，著重開展其仿生機(jī)理和制備工藝的研究。通過測量樹葉表皮的幾何結(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)計原理，建立太陽能電池智能表面結(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)行計算機(jī)仿真設(shè)計，開發(fā)單層多功能薄膜的制備工藝；實(shí)驗(yàn)研究并測試其光學(xué)特性、動態(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。為低成本的太陽能電池覆膜制備提供新的理論、方法和工具，推動太陽能電池的大規(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)的過去和未來”中，介紹了建筑仿生學(xué)的研究內(nèi)容（見圖）。

總的來說，建筑仿生學(xué)的研究內(nèi)容大致可歸納為以下幾個方面：

（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)系問題以及生態(tài)保護(hù)問題的解決。

（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)，具體來說，就是從建筑的使用功能出發(fā)，找到一種合適的形象，能更充分地滿足建筑的使用功能及其特定的社會需要。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，給我們提供了無窮無盡的仿生構(gòu)思的源泉，同時我們也可以看到，任何規(guī)律和原則都有可能通過不同的具體形式表現(xiàn)出來，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，太陽能電池的研究近來成為熱點(diǎn)，太陽能電池目前在應(yīng)用上存在一些問題，如對太陽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)的生物體為仿生對象，開展太陽能電池表面結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)理和制備技術(shù)的研究，以在寬波長大角度范圍減小電池表面入射光反射率并同時提高表面自清潔性能為目的，基于嚴(yán)格耦合波理論展開了仿生模型的光學(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。對表面結(jié)構(gòu)形貌特征進(jìn)行了表征并測試了表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性、疏水性。本文主要研究內(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。通過調(diào)整微納結(jié)構(gòu)的分布和尺度，可能會同時具備優(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有顯著的突破。 2)對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微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性仿真。對固體表面超疏水機(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，并對其結(jié)構(gòu)形貌、疏水性、光學(xué)特性進(jìn)行了測量表征。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。測試表明，樣品表面反射率在400-800nm波長范圍內(nèi)達(dá)到5%以下，表面接觸角高達(dá)150°，同時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