湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目

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1、湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目研究報(bào)告項(xiàng)目編號(hào)：項(xiàng)　目　名　稱(chēng)：項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：所在學(xué)校：電話(huà)：傳真：電子信箱（E?mail）：資　助　金　額：起止年月：10湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目（09A101）“木質(zhì)植物粉末溫壓成形與燒結(jié)技術(shù)”項(xiàng)目研究報(bào)告（中南林業(yè)科技大學(xué)****）1研究背景可以說(shuō)，人造板、集成材、木塑材或重組木等木基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的興起為各種木質(zhì)資源的有效利用、緩解木材供需矛盾、促進(jìn)木材科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的發(fā)展立下了汗馬功勞，但絕大多數(shù)人工復(fù)合木材或木基復(fù)合材料從制造到使用都存在著不同程度的環(huán)境污染嫌疑；而且目前木基復(fù)合材料的應(yīng)用主要局限于建筑裝飾行業(yè)，得材率一直成為行業(yè)重要的

2、技術(shù)/經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)，因而包括施膠和無(wú)膠人造板在內(nèi)的熱壓成形工藝一般都選用了＜10MPa的壓力參數(shù)，這就注定了絕大部分木基復(fù)合材料的密度低（＜1.0g/cm3）、組織結(jié)構(gòu)疏松，因而在要求材料組織結(jié)構(gòu)致密而強(qiáng)韌化的機(jī)械工程等高附加值產(chǎn)品領(lǐng)域很難有所作為。為了探討基于樹(shù)木枝丫材、竹木加工剩余物、木質(zhì)化秸稈與果殼等的粉末制備高性能木基復(fù)合材料的可能性，本項(xiàng)目申請(qǐng)人融匯“木質(zhì)材料無(wú)膠熱壓成形、金屬粉末溫壓成形、擴(kuò)散焊接”的原理與技術(shù)，找到了一種基于木質(zhì)粉末的新型木基復(fù)合材料的成形新方法[1-6]，并于2010年10月完成了題為“木質(zhì)粉末高壓無(wú)膠模塑成形原理與技術(shù)”的博士論文。按照

3、新的成形方法，在65～70MPa高成形壓力下成功獲得了密度超過(guò)鐵梨木，表觀硬度達(dá)到FZ2365銅基燒結(jié)軸承硬度標(biāo)準(zhǔn)的純木質(zhì)滑動(dòng)軸承材料；以及表觀硬度達(dá)到HB51.9，可與FZ1460銅基燒結(jié)軸承和FZ1260鐵基燒結(jié)軸承媲美的金屬化木質(zhì)復(fù)合滑動(dòng)軸承材料。試驗(yàn)研究表明，這些新型木基復(fù)合材料的物理力學(xué)性能仍有很大的提升空間，而且成形壓力仍然是提升其綜合性能的主要誘因[7]。因而，項(xiàng)目“木質(zhì)植物粉末溫壓成形與燒結(jié)技術(shù)”的意義在于：⑴對(duì)蘆葦、麥秸、棉梗等木質(zhì)化秸稈粉末實(shí)施超高壓無(wú)膠成形，探明其結(jié)合機(jī)理；解析“壓坯強(qiáng)度與成形壓力”、“壓坯強(qiáng)度與成形溫度”、“壓坯強(qiáng)度與保溫保壓時(shí)間

4、”以及“壓坯密度或模沖位移”與“成形壓力、成形溫度和保溫時(shí)間”之間的函數(shù)關(guān)系，建立木質(zhì)化秸稈粉末超高壓無(wú)膠成形壓制方程；為高致密強(qiáng)韌化木基復(fù)合材料的綠色制造提供理論指導(dǎo)。⑵拓寬諸如蘆葦、麥秸、棉梗等木質(zhì)化秸稈資源的高質(zhì)清潔利用渠道；拓展木基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，使其可供機(jī)械工程等領(lǐng)域選用（例如：替代金屬材料、有機(jī)高分子復(fù)合材料或鐵梨木制備滑動(dòng)軸承、齒輪等，替代牛骨或紅木制備汽車(chē)離合器手柄、儀表盤(pán)、飾條等高檔木質(zhì)內(nèi)飾件）。⑶促進(jìn)學(xué)科交叉，創(chuàng)新木基復(fù)合材料成形理論與技術(shù)體系，推進(jìn)木材科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展。筆者認(rèn)為，10木材科學(xué)和技術(shù)的創(chuàng)新務(wù)必兩眼對(duì)外，要廣泛吸納金屬材料、陶瓷材

5、料（包括金屬陶瓷）、高分子材料、復(fù)合材料以及機(jī)械工程、石油化工等學(xué)科專(zhuān)業(yè)或領(lǐng)域的高新技術(shù)（如新材料技術(shù)、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)值模擬與仿真技術(shù)、信息技術(shù)等），與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境的發(fā)展緊密結(jié)合，促進(jìn)學(xué)科前沿新的生長(zhǎng)點(diǎn)和交叉點(diǎn)的出現(xiàn)，使學(xué)科邊緣向其它相關(guān)學(xué)科不斷延伸，在促進(jìn)木材科學(xué)與技術(shù)學(xué)科自身發(fā)展的同時(shí)，豐富森林工程和材料科學(xué)的內(nèi)涵[8-9]。本項(xiàng)目的研究實(shí)踐，將在涉及“木質(zhì)材料無(wú)膠熱壓成形原理與技術(shù)”的同時(shí)，還將涉及“金屬粉末溫壓成形原理與技術(shù)”和“擴(kuò)散焊接成形原理與技術(shù)”。金屬粉末溫壓成形是生產(chǎn)高密度、高性能、高精度、低成本復(fù)合材料與制品的一種粉體材料成

6、形新技術(shù)新工藝。其成形機(jī)理在于：在壓力（300～600MPa）、溫度（130～150℃）、時(shí)間（以秒計(jì)）作用下，由于聚合物潤(rùn)滑劑的加入，粉末顆粒表面形成潤(rùn)滑膜，改善了顆粒之間以及粉末與成形模壁之間的潤(rùn)滑狀態(tài)，減少了摩擦阻力，使粉末顆粒的移動(dòng)和重排變得容易，因而潤(rùn)滑是溫壓致密化的主導(dǎo)機(jī)制；同時(shí)由于溫度的升高，使粉末顆粒的加工硬化得以有效消除，使得粉末顆粒的塑性變形能力得到改善，從而使壓坯的密度得到進(jìn)一步提高，是溫壓致密化的次要機(jī)制[1-2]。擴(kuò)散焊接作為一種新穎的壓焊技術(shù)，其成形過(guò)程是相互接觸的兩個(gè)材料表面，在溫度、壓力和時(shí)間等因素的作用下,被連接表面相互靠近,緊密結(jié)合點(diǎn)

7、發(fā)生塑性變形的同時(shí)結(jié)合層原子間相互擴(kuò)散而形成整體的可靠連接過(guò)程。其成形機(jī)理是，由塑性變形機(jī)理、粘性變形機(jī)理、界面擴(kuò)散機(jī)理及體積擴(kuò)散機(jī)理共同作用所構(gòu)成的界面孔洞消失過(guò)程機(jī)理。擴(kuò)散焊接不僅適合金屬材料成形，同時(shí)也適于石墨、陶瓷、木材和有機(jī)高分子材料等[3-4]。木質(zhì)材料無(wú)膠熱壓成形作為木基復(fù)合材料成形的新技術(shù)新工藝，“木素?zé)崴苋诤稀币约鞍ā皻滏I結(jié)合”和“半纖維素結(jié)合”在內(nèi)的化學(xué)鍵合是普遍公認(rèn)的成形機(jī)理[5-6]。融匯上述三大材料成形原理與技術(shù)，創(chuàng)新木基復(fù)合材料成形方法，制備高致密強(qiáng)韌化木基復(fù)合材料，揭示成形結(jié)合機(jī)理，解析“壓坯密度（ρ）或模