第一章 绪论
1.1 选题意义
粘土砖瓦及建筑砌块行业是国民经济发展的重要支柱领域，随着经济的发展和人民生活水平的提高，该领域对建筑墙体材料和建筑陶瓷材料的需求量不断增大，对其产品质量和功能的要求也愈来愈高，促使我国的建筑墙体材料和建筑陶瓷工业获得了突飞猛进的发展。据统计，截至目前，全国生产粘土砖瓦的企业总数已超过十万家，年产量近一万亿块，其中大部份企业都采用塑性成型和干压成型为主的坯体成型工艺，虽然该成型工艺具有简便易行，通用性好的优点，但由于在成型过程中泥料自身所含有的水份会使粘湿的泥料在模具表面形成连续的水膜介质，而这种界面水膜大大增加了泥料与模具接触界面间的粘着力，所以无论使用哪种成型工艺，在脱模过程中坯料与模具间都会因为这种界面粘着力的存在而使坯料与模具间产生明显的粘附行为，导致脱模后仍有部份坯料粘附在模具表面，影响产品表面质量，造成坯料的巨大浪费和能源的过多消耗，进而降低生产效率，增加生产成本。因此工业上迫切需要开发一种新设备或新方法来降低泥料与模具工作面间的粘附现象，进一步完善现有工艺。
在国内外，如何改善泥料与模具工作面间的粘附行为并使界面获得较小的粘附力一直是学者最关心的课题之一。随着工业需求的递增和研究的深入，学者们在改善粘土模具的粘附性能方面进行了一些有益探索，如降低泥料含水量、采用低粘附性材料制造模具、对模具工作面碱性加热或涂抹润滑剂等，但这些方法制作工艺复杂，生产效率低下，生产成本甚至比原来更高，因此学者们一直在寻找一种既简便易行又能节约成本的新技术或新工艺来解决这个问题。
近几年，随着工程仿生学的不断发展，寻找减小模具粘附问题的解决办法又有了新的突破口。生物体经过亿万年的进化与适应，自身形成了与自然界能够和谐共容的体表形态和结构特征，而将生物特有的这些优良体表特征模仿到人类社会的生产工具中并为人类的生产生活服务正是仿生学研究的内容和方向。在粘湿土壤中生存的蚯蚓等土壤动物具有非凡的减粘脱附功能，研究表明这类土壤动物的体表存在着不同单元体形态与分布的非光滑表面结构，而这些生物体表的非光滑结构正是其具有良好的减粘脱附特性的原因所在，同时生物非光滑表面的这种减粘脱附特性的显现不是由单一的非光滑表面形态作用而成，而是由材料，形态和结构等多种因素相互耦合，共同作用的结果，这种耦合被称之为生物耦合，利用生物耦合原理在工程上进行的仿生则被称为仿生耦合。应用仿生耦合原理解决工业生产中的实际问题正是我们运用工程仿生学理论解决模具与制件间粘附问题的主要技术方法。本论文就是运用仿生耦合的原理，结合工程实际，制备出具有低粘附性能的仿生非光滑表面模具，使其与粘土物料之间的粘附力较未经仿生处理的光滑表面模具有明显的下降，从而达到节约生产成本、提高生产效率、优化产品表面质量的目的，同时本研究也是在工程仿生学领域里的一次有益探索。
1.2 研究内容及目标
在本论文研究中，以蚯蚓体表的非光滑特征为生物原形，在用于粘土制件成型的 45＃钢金属模具表面制备出具有不同尺寸的通孔状单元体结构和不同分布的条纹状单元体结构，并使两种单元体形态耦合。考查单元体尺寸、分布、气体润滑及粘土含水量，外加载荷对粘土/模具界面法向粘附力的影响，考查非光滑表面结构与气体润滑之间的耦合作用对粘土/模具界面法向粘附力的影响，并探讨仿生非光滑模具与粘土制件间的粘附机理。
第二章 文献综述
2.1 仿生耦合技术的研究现状
生物体经过 20 多亿年的进化与发展，形成了结构与形态具有良好环境适应性的个体，正是由于这种长期自然选择的结果导致了不同生物体具有的不同体表结构与组织，使其在自然界中能够轻松的解决人们在工业生产和日常生活中不能解决的问题，比如表面润湿，耐摩损，低粘附和抗疲劳等等。所以，人类的许多发明创造都从大自然中得了有益的启示，从 1960 年 9 月 13 日在美国召开的第一次仿生学讨论会上 J.Steele 正式提出仿生学的概念起，仿生学作为一个学科被正式的提出和研究。仿生学是一门模拟生物系统的原理来建造技术系统，或使人造系统具有类似于生物系统特征的科学，即研究模拟生物系统的结构性质、能量转换和信息传递过程，并用于改装或制造，诸如新型机械、新型仪器、建筑结构、车辆、农机和工艺过程，统称之为仿生学。仿生学是一门新兴的边缘学科，是一门包含生物、数学、化学、力学、材料及工程技术的交叉学科，它使生物模拟成为现代技术进步的重要途径之一。仿生学包括功能仿生、结构仿生和系统仿生，通常人们将仿生学分为信息仿生学、控制仿生学、力学仿生学、化学仿生学、医学仿生学和材料仿生学，其中材料仿生学的发展最为迅猛。
自然界的生物材料大都具有微观复合、宏观完美的结构，在现代生活的各个领域,仿生学和仿生材料学都发挥着巨大的作用。人类社会文明的发展和材料科学技术的发展紧密相关。用于社会生产的材料每一次重大革新和进步都使人类社会文明向前发展一步。生命科学与材料科学相融合,启迪人们从生命科学的柔性和广阔视角思考材料科学与工程问题。以经过亿万年进化形成的生物体为极限目标,在不同层次和水平上仿生,才可能有效解决“材料-生物体”界面的接口问题,使材料制备节省能源和资源,实现系统智能化、环境友好化和高效化。材料科学与生命科学融合,涵盖了许多核心科学问题,包括材料系统的开放;能量、物质和信息的传输和交换;材料与生物体的相容性;材料与生物体复合体系的阶层结构与功能构建;生物大分子相互作用对细胞行为控制介导与材料设计;转基因植物与材料制备等。这些科学问题的研究进展,将为材料科学的发展提供新机遇,并且孕育着新理论、新材料与新技术的诞生。
仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学,它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。当前仿生材料学的研究热点有贝壳结构及其仿生材料、蜘蛛丝结构及其仿生材料、骨骼结构及其仿生材料和纳米仿生材料。图 2-1 为贝壳珍珠层结构和模仿贝壳珍珠层的自组装方式进行的仿生实例。可以预见，仿生材料学将具有良好而广阔的发展前景，材料的发展趋势是复合化、智能化、能动化、环境化,而仿生材料具有这几方面的特征。仿生材料学的发展和成果将影响到社会的各个角落,不仅为人体器官的置换和生物体系统的人为改良带来变革,而且将使材料的制备及应用产生革命性的进步,如利用生物合成技术在常温常压水介质中完成目前必须在高温高压恶劣环境中才能合成出的产品,且符合自愈合化、智能化和环境化的要求,这些将极大地改变人类社会的面貌。
第三章 实验方法与研究方案................. 33-41
3.1 仿生耦合非光滑表面单元体的设计................. 33-36
3.2 实验材料 .................36-37
3.3 实验设备................. 37
3.4 试样制备................. 37-38
3.5 制件制备................. 38
3.6 粘土／模具界面法向粘附力测试实验................. 38-41
第四章 实验结果与分析................. 41-63
4.1 模具表面因素对粘土.................41-46
4.1.1 单因素对粘土................. 41-44
4.1.2 耦合因素对粘土.................44-46
4.2 实验环境因素对粘土................. 46-55
4.2.1 气体润滑工艺对粘土.................46-49
4.2.2 粘土含水量对粘土.................49-52
4.2.3 外加载荷对粘土................. 52-55
4.3 仿生耦合非光滑模具与粘土粘附机................. 55-63
结论
1、模仿土壤动物蚯蚓的体表非光滑形态和体表分泌润滑液体的特征，对45#钢粘土模具表面进行仿生改性处理，制备了具有不同单元体特征的仿生非光滑表面粘土模具，通过粘附力实验证明了其具有优良的抗粘附性能，并且发现，仿生非光滑单元体与气体润滑工艺的耦合作用是使其具有优良抗粘附性能的主要原因，这与蚯蚓体表具有减粘脱土性质的原因是相似的。
2、模具表面因素对模具抗粘附性能的影响主要体现在通孔状单元体尺寸和条纹状单元体分布上，在本实验条件下，具有单一通孔模具表面与粘土间的粘附力比光滑模具表面低，且随着单元体孔径的增大，模具与粘土制件间的粘附力呈先增大后下降的趋势，在孔径为 1.5mm 时出现拐点，这与通孔对界面水膜的破坏程度不同有关；具有单一条纹状单元体的模具表面，单元体分布对粘附的影响表现为条纹状单元体的行列数越多，模具与粘土界面法向粘附力最小，而单元体行列数越多的非光滑表面其非光滑面积比越大使得模具表面与粘土的实际接触面积减小是粘附力降低的主要原因；具有耦合的通孔与条纹状单元体模具表面与粘土间粘附力受孔径与分布的影响规律与单一因素的影响规律相同，但粘附力的绝对值较单因素影响时有所下降。
3、气体润滑工艺对模具的减粘效果显著，且不同气压对粘附力的影响也不同，在相同条件下，气体润滑使模具与粘土界面法向粘附力小于无气体润滑时的粘附力，气体润滑气压越大，粘附力越小，气体润滑气压越大，孔径或单元体分布对粘附力的影响程度越大，说明气体润滑与非光滑表面性质的耦合作用是使仿生非光滑模具具有低粘附性能的主要原因。
4、粘土含水量是影响粘土粘附的重要因素之一。在本实验条件下，当单元体孔径和外加载荷一定时，粘土/模具界面间法向粘附力随着粘土含水量的增加呈现先增大后减小的抛物线趋势变化，且都在含水量为 20%附近曲线出现拐点，即此时粘附最大，而当含水量达到 24%时，粘附力出现最小值。在含水量小于某一临界值时，含水量的增大会使粘土因塑性变形而增加其与模具表面的实际接触面积，导致粘附力的增大；当含水量大于该临界值时，界面水膜的重量使其不受界面负压的控制，水膜成为一层具有润滑作用的介质层，导致粘附力减小。
5、当孔径和含水量固定时，粘土与模具界面间的法向粘附力总是随着外加载荷的增加的而增大，且外加载荷进一步增大到某一个值后其法向粘附力的增加开始减缓。外加载荷的增大使界面水膜的面积与厚度增加是使粘附力增大的主要原因，但当界面水膜面积不再增大时，载荷的继续增加只能对水膜厚度产生影响，且由于含水量的限制水膜厚度的增加速度也减慢，导致粘附力的增加也减慢。
6、当接触界面微突体周围形成独立水环时，粘附力主要受水环引力和水环在模具表面的接触角的影响，仿生非光滑模具表面的单元体结构使水在其表面具有较大的接触角是模具具有较小粘附力能力的主要原因；当接触界面微突体间形成连续水膜时，仿生非光滑模具与粘土间的粘附力规律可由单元体的分割机制，消除负压机制，分割－消除负压混合机制和气体润滑机制解释。
参考文献
1. Hong Zhou, Hongyu Shan, Luquan Ren. The adhesionhttp://www.1daixie.com/mjbylw/ of bionic non-smoothcharacteristics on sample surfaces against parts. Materials Science andEngineering A, 2006,417(1-2):190－196
2. C.Yuan, S.Jones. Investigation of fibre modified ceramic moulds for investmentcasting. Journal of the European Ceramic Society, 2003,23(3):399－407
3. 魏铁华，杨晓红. 仿生工程. 水利电利机械，2001,23(3):28-29
4. 曹月. 激光仿生耦合热作模具钢热疲劳性能研究：[硕士学位论文]. 长春：吉林大学，2006
5. 胡巧玲，李晓东，沈家聪. 仿生结构材料的研究进展. 材料研究学报，2003,17(4)：337-344
6. Ma Zuli. Biologic and bionics. Tianjin:Tianjin technology press, 1984,13
7. 任露泉，陈德兴，胡建国. 土壤动物减粘脱土规律初步分析. 农业工程学报，1990,6(1)：15-20
8. 陈秉聪. 车辆行走机构形态学及仿生减粘脱土理论. 北京：机械工业出版社，2001,1:4-5
9. 姚康德，沈锋. 生物材料的仿生构思. 中国工程学，2000,2(6):16-19
10. 房岩，孙刚，丛茜，任露泉. 仿生材料学研究进展，2006,37(11):163-167