[01119427]基于梯度复合与纳微米复合技术的陶瓷工模具研制与应用

本项目属机械学科中的机械制造工艺与设备研究,同时涉及刀具技术、无机非金属材料以及人工智能等多学科领域。 本项目所研发的陶瓷工模具是指陶瓷刀具和模具等典型工模具产品。采用免疫算法与免疫遗传算法,建立了陶瓷工模具材料组分与性能关系的数学模型,进行了材料组分优化设计;提出一种改进的H-F蒙特卡洛模拟算法,建立了考虑境界能和扩散时陶瓷材料微观组织结构演变的蒙特卡洛波茨模型,开发了模拟程序,通过模拟烧结过程中陶瓷材料微观组织结构的演变,进行了材料工艺优化设计：以耐磨减磨为目标,综合考虑模具材料、工件材料、工艺条件等影响因素,提出了陶瓷工模具材料研制与摩擦学设计进行的设计思路;采用有限元法对复合陶瓷模具进行了热、力耦合分析,基于预应力设计原理,对陶瓷模具进行了结构优化设计,获得了不同形状陶瓷模具的最优结构参数。采用微纳米尺度复合技术,获得了纳米陶瓷复合粉料的优化分散工艺,研制成功4种具有良好的综合力学性能的Al2O3 系、ZrO2系和Ti（C,N）系新型复合陶瓷工模具材料,获得了最佳制备工艺参数。 将梯度功能材料的设计思想引入自润滑刀具的研制过程,采用固体润滑剂的梯度复合技术对刀具材料复合体系进行剪裁设计;设计了基于固体润滑作用机理的梯度自润滑陶瓷刀具材料,使固体润滑剂含量从刀具材料表面到内部逐层降低,实现了自润滑性能由表及里逐渐减弱,而力学性能逐渐增强的梯度效应;建立了梯度自润滑陶瓷刀具材料残余应力的有限元分析模型,揭示了分布指数、层数、热物性参数对残余应力的影响规律,优化了材料组成分布指数和层数;建立了多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的组分分布模型;研制了Al2O3/TiC/CaF2和Al2O3/（W,Ti）C/CaF2两种新型梯度自润滑陶瓷刀具;提出了采用纳米固体润滑剂替代微米固体润滑剂对陶瓷刀具进行改性的方法,确定了晶内型纳米结构的形成是刀具材料改性的必要条件,揭示了不同尺度的固体润滑剂对陶瓷刀具力学性能尤其是硬度的影响机制;将具有自主知识产权的适合陶瓷刀具改性使用的纳米CaF2应用于陶瓷刀具的材料体系,研制出具有晶内型纳米结构的纳米固体润滑剂改性陶瓷刀具;将纳米固体润滑剂与梯度功能相结合,利用其协同改性效应,开发了纳微米复合梯度自润滑陶瓷刀具。所研制的微纳米尺度复合陶瓷刀具和模具等工模具产品,使用寿命长,生产效率高,加工质量明显改善。 本项目获得授权国家发明专利11项。研究成果已经在多家机械装备生产、刀具与模具企业得到了成功应用,解决了多项工程技术难题,取得了显著的经济和社会效益。同时本项目的基础研究结果在国内外发表学术论文55篇,撰写国外出版英文著作2章。该项目的实施,有力地促进了先进制造技术及相关行业领域的科学发展与技术进步,具有重要意义与广阔的应用前景。