具有鲨鱼皮微观结构表面的铝合金件的铸造及应用

介绍一种生产尺寸达到1μm的三维功能表面的近净形铸件的精密铸造技术.通常,在金属表面形成功能微观结构的方法是激光烧蚀、电火花加工或者微铣削,但这些方法的生产效率低.采用精密铸造工艺来提高效率的方法,从具有激光微观结构的母模复制微观表面,主要研究精密铸造每一个步骤的造型精度.文中对AlSi7Mg0.3合金给出了蜡模制作,陶瓷型和型芯材料的适应性以及型壳的落砂性的实际结果.以赛车汽油发动机进气歧管为例,形成的鲨鱼皮形内表面可以减少进气阻力.进气歧管由具有规定内径的空气节流器组成,节流器内表面具有鲨鱼皮式沟槽结构,为此,内孔铸造后不能再进行钻加工,要求铸件精度非常高.介绍了具有精确微观结构铸件的制造和脱模技术,还考察了宏观铸件不同制型阶段的收缩特性以及微观沟槽结构.     

仿生鲨鱼皮表面的快速制备和减阻性能研究

目的 探究在铝合金表面制备仿生鲨鱼皮盾鳞结构的方法,检验采用复合加工方法制备的鲨鱼皮盾鳞结构在水下的减阻性能,为构建仿生表面提供一种新的思路。方法 采用激光与电火花线切割复合加工的方法,分2步构建仿生盾鳞结构。第一步,将基体表面与线切割机床的钼丝呈45°夹角接触,仿制盾鳞的轮廓绘制切割路径,设置每个盾鳞的间距为0.65 mm、高度为0.4 mm。第一次切割完成后,将工件旋转90°,继续按照相同的方式切割,至此仿生鲨鱼皮盾鳞一级结构制备完成。第二步,使用纳秒激光打标机在一级结构表面刻蚀微沟槽形貌,设置激光扫描路径间距为0.08 mm、激光功率为12 W、扫描速度为100 mm/s,激光加工完成后,仿生鲨鱼皮盾鳞二级结构制备完成。减阻试验部分基于流动滑移理论,在COMSOL中对阵列的结构模拟计算,对比了光滑表面、一级盾鳞结构表面与仿生盾鳞的二级结构表面,分别观测其壁面切应力、表面黏性应力以及速度流线。结果 盾鳞倾斜角度为13°、盾鳞表面沟槽间距为0.17 mm、沟槽深度为0.08 mm时的壁面切应力最小。一级盾鳞结构表面与二级仿生盾鳞结构表面在速度流线图中均显示一定的减阻性能,二者之间的差异在于后者的流线更加稳定。在减阻试验中,盾鳞倾斜角度16°、盾鳞沟槽间距0.17 mm、沟槽深度0.08 mm,减阻率可达35%左右。结论 通过激光与线切割复合加工方法制备的仿生鲨鱼皮盾鳞结构表面具有优异的水下减阻性能。加工出合适的盾鳞倾斜角度、沟槽间距与沟槽深度能够有效提高仿生表面的减阻性能。     

飞机漆上“鲨鱼皮涂料”省油保暖又环保

据新加坡《联合早报》2013年2月18日报道,国际民航业者向鲨鱼学习,在飞机表面漆上含有鲨鱼皮结构的涂料,以降低空气对飞机的阻力。德国最大航空公司汉莎航空(Lufthansa)2月初宣布,旗下两架空中客车A340-300型客机将从2013年夏季起进行为期两年的"鲨鱼皮涂料"测试。科学家将在客机机身和机翼边缘的8个地方漆上10公分见方的涂料,以测试这种尖端涂料对降低空气阻力的效果。这种涂料是德国弗劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院的研究成果。鲨鱼外皮能够减少水和身体摩擦产生的微漩涡及阻力,所以鲨鱼能够游得很快。科学家认识到鲨鱼皮的妙用已有30年之久。如今,模仿鲨鱼皮结构的技术应用于许多领域,包括军事、航     

聚合物生物芯片微结构热压成型规律研究

以聚合物生物芯片的反应腔微结构为研究对象,将微结构划分为顶部未变形区域、底部变形区域和筒壁拉深区域,并将标准热压过程细分为4个过程,通过封装和切片等方式制样,结合数字显微镜等工具观察微结构成型效果及各区域微尺寸变化规律。试验结果表明：反应腔微结构顶部未变形区薄膜厚度未变化,底部变形区薄膜厚度发生较大变化;受材料流动性限制,筒壁拉深区与底部变形区厚度不一致;热压成型过程中降低脱模温度对反应腔型腔尺寸影响较大。     

制备工艺对热压Y-α-SiAlON陶瓷微结构及光学性能的影响

采用两步热压烧结(Hot Pressing, HP)方法制备了高致密度的Y-α-SiAlON(Y1410,即m=1.4, n=1.0)陶瓷,研究了升温速率、烧结时间和驻留温度对陶瓷物相组成、微观结构以及光学性能的影响.结果表明:SiAlON陶瓷的相组成不受升温速率的影响,升温速率较快 (20 ℃/min) 时陶瓷的晶粒尺寸相对较小、分布较均齐、透过率相对较高,1.1 mm厚样品最大近红外透过率为50.2%,比升温速率为10 ℃/min的陶瓷高8.0%;烧结时间较短 (1 h) 时陶瓷的晶粒尺寸相对较小,透过率较高,1.1 mm厚样品最大近红外透过率为43.6%,而当烧结时间为2 h时陶瓷中有新相生成,且微结构均匀性较差,其最大透过率比烧结时间为1 h的低8.0%;较低的驻留温度易促进β-SiAlON形成和柱状晶发育,对提高SiAlON陶瓷透光性不利.     

微模具电铸成型工艺研究

针对微细电铸成型技术中微流道模具的铸层均匀性、铸层气孔和表面粗糙度等工艺问题,提出了控制成型过程中阴极电流密度、增加辅助阴极和阴极平动的方法。通过正交实验对基底蚀刻深度、光刻掩膜厚度、电铸槽温度和阴极电流密度等因素进行工艺优化研究。结果表明,得到最佳工艺参数为阴极电流密度4 A/dm~2、二次辅助阴极电流密度1.5 A/dm~2,阴极平动速率0.01 m/s,温度50℃、掩膜厚度50μm、刻蚀深度20μm。获得了尺寸均匀性好、铸层气孔少,表面粗糙度为Ra 0.5μm的微模具。     

基于电铸工艺的微型模具制造方法研究

以具有超疏水性的荷叶、梭鱼草为研究对象,用扫描电镜对两种植物表面微结构进行表征,观察其形貌;采用磁控溅射仪对其表面进行导电处理;利用电铸工艺对其进行电铸。实验结果表明:电铸的微模具具有与样品对称的纹理,实现了微细结构镜像转移。     

仿生表面减阻的研究现状与进展

仿生表面减阻是众多减阻方法中非常有前景的减阻方式。目前研究最多的是仿生鲨鱼皮减阻和仿生超疏水表面减阻,其中仿生鲨鱼皮表面减阻又分为直接复刻鲨鱼皮表面的盾鳞结构和仿鲨鱼皮沟槽减阻。文中介绍了国内外关于仿生减阻的最新研究进展及成果,综述了仿生鲨鱼皮表面减阻和仿生超疏水表面减阻的研究现状,探讨了仿生表面减阻未来的发展方向和研究重点。虽然仿生超疏水表面一般都具有粗糙的表面微纳结构以及较低的表面能,但不是所有的超疏水表面都具有减阻效果,因此超疏水表面的减阻效果还需要一个度量标准。     

薄板曲面微结构电流辅助滚压成形工艺研究

针对燃料电池等系统中的薄板曲面微结构制造,提出了薄板曲面微结构滚压成形工艺,并借助电流辅助成形技术,提高了薄板曲面微结构的成形质量。采用单向拉伸实验,研究了脉冲电源参数如电压、频率、脉宽等对T2紫铜薄板单向拉伸变形行为的影响;开展了薄板曲面微结构滚压变形有限元模拟,优化坯料结构,抑制了曲面微结构件的翘曲失稳;在此基础上,开展了电流辅助滚压成形实验。结果表明,脉冲电流在达到一定阈值时,流动应力显著降低,断裂应变明显提高;采用梯形板坯,可优化板料受力状态,抑制翘曲失稳;脉冲电流辅助滚压成形时,曲面微结构高度分散性变小,成形件一致性更好,微结构尺寸精度更高。     

粗颗粒聚晶金刚石复合片显微结构的分析

利用扫描电镜、光学影像仪等分析检测仪器,在不损伤被检样品的物理性能、状态和内部结构的条件下,从聚晶金刚石层与基体的界面结构,微观的均匀性以及金刚石层D—D键的结合情况等方面定性判断PDC性能的优劣。研究发现：金刚石和硬质合金界面结构为非平面连接时,其性能优于传统的平面结合型;PDC材料聚晶金刚石层中金刚石在空间相连形成D-D结合立体网络状结构,这是PDC材料力学性能优异的主要原因,且D—D键越多,复合片性能越好。     

长底门挡热压成形工艺与模具设计

以底开门敞车长底门挡成形为例,介绍了高强度厚板的热压成形工艺及模具设计,并结合车间生产的实际情况,调整了成形过程,优化了模具结构,杜绝了工件在压形过程中因窜动导致成形高度超差的质量问题。     

Nano-diamond/Ni复合电刷镀层的组织形貌的研究

以45#钢为基体,制备了普通镍镀层和nano-diamond/Ni复合刷镀层,采用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪和金相显微镜等设备对比研究了两种镀层的组织形貌。金相显微镜和扫描电镜分析结果表明,与普通镍镀层相比,nano-diamond/Ni复合刷镀层的表面更加平整、致密,组织更加细化;nano-dia-mond/Ni复合刷镀层表面呈典型的"菜花头"形状,弥散分布的纳米金刚石被镍包裹。能谱仪分析结果表明,nano-diamond/Ni复合刷镀层中纳米颗粒特征元素C的质量分数为7.37%。X射线衍射分析结果表明,随着纳米金刚石加入量的增加,镀层表面晶粒尺寸逐渐减小。     

钛对铜基金属结合剂性能的影响及微观结构分析

以Cu、Sn、Ti等为原料,利用热压烧结制备金属结合剂试样。研究Ti对Cu基金属结合剂性能的影响,并通过Inspect S50扫描电子显微镜(SEM)对其微观结构进行分析。结果表明:随着Ti质量分数的增加,Cu基金属结合剂试样的密度呈逐渐减小的变化趋势,抗折强度和冲击韧性呈先增大后减小的变化趋势,洛氏硬度(HRB)呈逐渐增大的变化趋势;与Cu基金属结合剂相比,当Ti质量分数为3%时,其抗折强度和冲击韧性最大,分别提高了5.27%和20.89%;同时,Ti的加入,形成了新的核/壳结构;该结构由中心到边缘按照从Ti到Cu-Sn脆硬相进行的梯度过渡,其组织成分依次为Ti/Ti-Cu/Ti-Cu-Sn/CuSn。     

Si_3N_4晶须结合剂合成PCBN微观组织结构的研究

本文以Si3N4晶须为结合剂,高温高压下合成了聚晶立方氮化硼,烧结压力为5～7GPa,温度为1400～1500℃,选用了石墨管+NaCl管+钼杯组装方式。采用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪等仪器设备研究了产品PCBN的组织结构。金相显微镜结果表明,PCBN的表面组织比较均匀。扫描电镜结果表明,PCBN的烧结情况良好,结合剂对CBN高温润湿情况良好。X射线衍射结果表明,有新的物相生成。     

微流体芯片计算机数控热压机设计

微流体分析芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元件像集成电路一样,使它们集成在芯片材料(基片)上的微全分析系统.微流体分析芯片的制造技术是其发展不可缺少的关键部分之一.热压成型技术是低成本、大批量生产微流体分析芯片的重要途径,文中介绍了微流体芯片计算机数控热压机的系统设计,并简述了数控热压机的工作原理.     

Development of a micro diamond grinding tool by compound process

This study presents a novel micro-diamond tool which is 100 μm in diameter and that allows precise and micro-grinding during miniature die machining. A novel integrated process technology is proposed that combines “micro-EDM” with “precision composite electroforming” for fabricating micro-diamond tools. First, the metal substrate is cut down to 50 μm in diameter using WEDG, then, the micro-diamonds with 0–2 μm grain is “plated” on the surface of the substrate by composite electroforming, thereby becoming a multilayer micro-grinding tool. The thickness of the electroformed layer is controlled to within 25 μm. The nickel and diamond form the bonder and cutter, respectively. To generate good convection for the electroforming solution, a partition designed with an array of drilled holes is recommended and verified. Besides effectively decreasing the impact energy of the circulatory electroforming solution, the dispersion of the diamond grains and displacement of the nickel ions are noticeably improved. Experimental results indicate that good circularity of the diamond tool can be obtained by arranging the nickel spherules array on the anode. To allow the diamond grains to converge toward the cathode, so as to increase the opportunity of reposing on the substrate, a miniature funnel mold is designed. Then the distribution of the diamond grains on the substrate surface is improved. A micro-ZrO₂ ceramic ferrule is grinded to verify the proposed approach. The surface roughness of R_a = 0.085 μm is obtained. It is demonstrated that the micro-diamond grinding tool with various outer diameters is successfully developed in this study. The suggested approach, which depends on machining applications, can be applied during the final machining. Applications include dental drilling tools, precision optic dies, molds and tools, and biomedical instruments.     

过程参数对悬浮微珠摩擦辅助脉冲电铸铜表面形貌的影响

为了改善传统酸性硫酸盐电铸铜的表面质量,提出了空心悬浮微珠摩擦辅助的脉冲电铸铜工艺。使空心微珠悬浮于卧式放置阴极上部,不断摩擦和撞击阴极表面,并结合脉冲电铸,提高电铸层表面质量。研究了脉冲频率、占空比、平均电流密度和阴极转速对摩擦辅助电铸铜表面形貌的影响。结果发现:在空心悬浮微珠的影响下,使用低脉冲频率、高占空比、较大的平均电流密度及较低的转速范围,更能发挥悬浮微珠的摩擦作用,细化晶粒。     

分层厚度对微细电火花铣削加工模具及热压制品表面粗糙度的影响

分层厚度直接影响微细电火花铣削加工的加工效率及表面粗糙度。为了合理规划微细电火花铣削加工的分层厚度,提高加工效率,研究了分层厚度对微细电火花加工的模具型腔及相应热压成形制品表面粗糙度的影响,同时分析了热压成形制品表面与微模具型腔表面之间的关系,以及热压前、后微模具型腔表面轮廓的变化。结果表明:当电极轨迹重叠率一定时,模具型腔底面的表面粗糙度值随着分层厚度的增加而增大;分层厚度对型腔侧壁表面粗糙度无明显影响;热压制品表面轮廓算术平均偏差小于模具型腔表面轮廓算术平均偏差;热压后的模具表面轮廓发生了变化,表面粗糙度值Ra和峰高Rpk减小,峰谷Rvk增大。     

Improvement of thickness uniformity in nickel electroforming for the LIGA process

An effective method to improve thickness uniformity in nickel electroforming for the LIGA process to produce metallic microstructures is described. The deposited metal distribution is naturally a concave shape over the whole area of the plating base proved by experiments. The edge thickness of the plating area is usually twice or higher than the center of the plating area. A secondary cathode (guard ring) was applied to improve the electroform uniformity. The experimental result of a Joule–Thomson micro-cooler proved its feasibility. The thickness ratio of edge to center of a 500 μm sample decreased from 2.5 to 1.4. The thickness uniformity improvement is achieved without a loss in plating rate in the center of the features.