基于生物耐磨原理的仿生多元耦合材料磨损机理研究

Many organisms in nature exhibit excellent wear-resistant properties due to the cooperation and coupling of their special configuration, structure, material and flexibility. Based on the bionic multi-coupling wear-resistant mechanism, In this program, the wear-resistant biological parts of the desert lizard and shell was selected as the research object, we proposed the design method of the bionic multi-coupling wear-resistant material, and fabricated it by the combination method of self-propagating high-temperature synthesis and casting, Moreover, we could offer a effective and new bionic coupling techniques for the wear reduction and wear-resistant of the engineering assembly material. The research contents included that the study on the characteristic of biological multi-coupling wear-resistant and the function implementation patterns, the design and fabrication of the bionic multi-coupling wear-resistant material, the performance evaluation and the wear-resistant mechanism of the bionic multi-coupling wear-resistant material. The purpose of our research is to reveal the biological multi-coupling wear-resistant law and mechanism, realize the optimization control on the coupling system in the bionic coupling wear-resistant material, reveal the wear reduction and wear-resistant mechanism of the bionic multi-coupling material, realize the qualitative control on the coupling system, the wear condition and the wear-resistant performance, offer the theoretical basis on the fabrication of the bionic coupling wear-resistant material which possess the advantages of highest wear-resistant, best wear condition adaptability and lowest energy cost.

自然界中许多生物以其特殊的形态、结构、材料、柔性等多个因素的协同、耦合作用，展现出优异的耐磨功能。本项目以沙漠蜥蜴、贝壳等生物耐磨部位为研究对象，基于生物多因素耦合耐磨原理，提出仿生多元耦合耐磨材料的设计方法，采用自蔓延高温合成法与铸造法相结合，制备仿生多元耦合耐磨材料，为工程部件减摩、抗磨问题提供一种行之有效的仿生耦合新技术。研究内容包括：①生物多因素耦合耐磨特性与功能实现模式研究；②仿生多元耦合耐磨材料的耦合参数设计与制备；③仿生多元耦合耐磨材料磨损性能评价研究等。达到的目标：①揭示生物多元耦合耐磨机理与规律；②实现仿生耦合耐磨材料耦合系统最优化调控；③揭示仿生多元耦合材料减摩、抗磨机理，实现耦合系统、磨损工况与耐磨性能之间的定性可控，为制备耐磨功能最优化、磨损工况适应最佳化、本身能量消耗最低化的仿生耦合耐磨材料提供基础。

在国民经济和国防建设中，各种机械零件由于磨损引起的早期失效与报废，造成能源与材料的消耗是十分惊人的，因此，提高机械部件材料的耐磨性能，是众多工程领域亟待解决的问题。自然界中许多生物以其特殊的形态、结构、材料、柔性等多个因素的协同、耦合作用，展现出优异的耐磨功能。本项目以沙漠蜥蜴、贝壳等生物耐磨部位为研究对象，基于生物多因素耦合耐磨原理，提出仿生多元耦合耐磨材料的设计方法，采用自蔓延高温合成法与铸造法相结合，制备仿生多元耦合耐磨材料，为工程部件减摩、抗磨问题提供一种行之有效的仿生耦合新技术。本项目取得了如下创新成果：.(1)探索沙漠蜥蜴、贝壳等生物耐磨功能与耦合因素、耦联方式、磨损工况之间的关系，揭示生物多元耦合耐磨机理与特征规律。.(2)开展适合不同磨损工况的仿生耦合耐磨材料中的仿生硬质单元体的选材、构形设计与参数优化，进行仿生耦合耐磨材料耦合因素、耦联方式的设计与优化，构建出了仿生耦合耐磨材料的多元耦合模型。.(3)采用铸造与SHS法相结合、烧结与SHS法相结合两种制备方法，以Al-Ti-C、Ni-Ti-C、Cu-Ti-C、Cu-Ti-B4C体系为单元原材料，制备TiC和TiB2陶瓷/[Fe,Me]硬质单元规律分布的仿生耦合耐磨材料。.(4)揭示仿生多元耦合材料减摩、抗磨机理，实现耦合系统、磨损工况与耐磨性能之间的定性可控，为制备耐磨功能最优化、磨损工况适应最佳化、本身能量消耗最低化的仿生耦合耐磨材料提供基础。. 在整个项目运行其间，与本项目相关的所获得成果包括：获得吉林省自然科学学术成果奖二等奖2项（2013年度，负责人为第1获奖人和第2获奖人），获吉林省技术发明一等奖2项（2012年度和2013年度，负责人为第9获奖人和第10获奖人）。发表SCI收录学术论文7篇（均已标注），其中，负责人为第1责任作者的6篇，第1责任作者EI收录学术论文2篇，申报国家发明专利2件。培养研究生6人， 参加国际会议5人次。