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金屬材料、陶瓷材料、高分子材料及復(fù)合材料構(gòu)成材料的四大支柱。傳統(tǒng)上金屬材料經(jīng)過高溫熔煉、鑄造、加工，形成各種制品。但是金屬材料的傳統(tǒng)成形方法能耗大，造成了很大的環(huán)境污染，且材料利用率也不高。為此，在金屬材料領(lǐng)域，借鑒現(xiàn)代陶瓷材料的成形方法，形成了相關(guān)的學(xué)科———粉末冶金。 
　　與傳統(tǒng)的成形方法相比，粉末冶金技術(shù)具有成形精確、組分可任意設(shè)計(jì)、材料組織均勻、節(jié)省原有材料、能源消耗少、環(huán)境污染輕等特點(diǎn)。但是由于粉末之間作用力強(qiáng)，流動(dòng)性差，因而存在密度低以及成形壓力大、坯件尺寸小以及不能形成復(fù)雜形狀制品等嚴(yán)重不足。為了非常容易地制造各種任意形狀的制品，材料科學(xué)工作者一直在尋找一種能使金屬粉末的成形類似高分子材料成形的技術(shù)。 

　　粉末注射成形技術(shù)正是這樣一種極具潛力的革命性技術(shù)。但有鑒于粉末與聚合物混合體結(jié)構(gòu)和注射成形的極端復(fù)雜性，理論研究的缺乏已成為這一技術(shù)發(fā)展的主要制約因素。 

　　經(jīng)過近10年的艱苦努力，中南大學(xué)材料學(xué)院以黃伯云院士為學(xué)術(shù)帶頭人，梁叔全教授、李益民教授、范竟蓮教授、李松林教授等為骨干的課題組在金屬粉末注射成形理論與技術(shù)領(lǐng)域，獲得了突破性進(jìn)展。 

　　為了統(tǒng)一數(shù)目繁多的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)流變學(xué)模型，梁叔全教授和黃伯云院士合著的《粉末注射成形流變學(xué)》提出了粉末近凈成形粉末塑化體分散系流變學(xué)理論。將該理論應(yīng)用于金屬粉末注射成形系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，預(yù)測的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。 

　　通過系統(tǒng)、全面地分析粘結(jié)劑各組元的功能，課題組提出了粉末近凈成形流變學(xué)與聚合物及助劑結(jié)構(gòu)關(guān)系的系統(tǒng)理論。從粘結(jié)劑分子官能團(tuán)摩爾引力入手，初步建立了塑化體中粘結(jié)劑作用的熱力學(xué)、流變學(xué)和分子結(jié)構(gòu)理論的聯(lián)系框架。提出了增塑劑“分子滑輪”效應(yīng)新概念和潤滑劑強(qiáng)化“分子滑輪”效應(yīng)的潤滑新機(jī)制，并提供了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 

　　課題組首次提出了粉末在聚合物粘結(jié)劑中自發(fā)分散的熱力學(xué)判據(jù)。通過引入顆粒點(diǎn)陣模型，描述了喂料結(jié)構(gòu)，并計(jì)算出顆粒間相互作用能。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，獲得了有關(guān)體系有條件的最佳顆粒尺寸和粉末裝載量。建立了預(yù)測有關(guān)粉末注射成形喂料密度的公式。討論了表面能、潤濕角、生坯強(qiáng)度、粘度、熱容、熔點(diǎn)等之間的關(guān)系。弄清了有關(guān)粉末與粘結(jié)劑兩相相互作用的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了潤濕角大于一定臨界值時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的兩相分離問題，影響注射成形、擠壓成形制品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致工藝失效。 

　　課題組提出了應(yīng)用流變學(xué)理論優(yōu)化粉末近凈成形工藝過程的系統(tǒng)理論。首次在國內(nèi)系統(tǒng)地進(jìn)行了針對Fe/Ni，W/Fe/Ni系粉末加聚合物粘結(jié)劑形成的粉末塑化體在幾種典型模腔中的填充過程分析、數(shù)值計(jì)算與模擬。獲得了聯(lián)系工藝參數(shù)、流變特性參數(shù)、模具參數(shù)的多參數(shù)數(shù)學(xué)模型。并將模型應(yīng)用于優(yōu)化有關(guān)系統(tǒng)的粉末注射成形工藝過程。對相關(guān)的注射成形工藝和模具設(shè)計(jì)提出了優(yōu)化方案和方向。通過計(jì)算機(jī)模擬了等溫、牛頓流體和非等溫、非牛頓流體流動(dòng)分析。探討了模腔內(nèi)溫度場、壓力場、速度場的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。揭示了一些新的規(guī)律，如發(fā)現(xiàn)金屬粉末由于傳熱性強(qiáng)，對環(huán)境熱交換非常敏感，為此對復(fù)雜制品模具設(shè)計(jì)提出了新要求。通過研究注射過程中的凝固問題，預(yù)測了坯件內(nèi)部縮孔和裂紋產(chǎn)生。并提出了采用高的保壓和低的注射溫度可以減小坯件內(nèi)部縮孔生成，高的模具溫度可避免應(yīng)力開裂等保證注射成形制品質(zhì)量的新措施。 

　　課題組在國內(nèi)外知名學(xué)術(shù)刊物，重要國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議文集上發(fā)表相關(guān)論文近百篇，其中不少被SCI、EI、ISTP等著名國際檢索刊物所檢索和引用。由黃伯云院士和梁叔全教授合著的《粉末注射成形流變學(xué)》在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了較大影響。其相關(guān)成果獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)多項(xiàng)�！斗勰┳⑸涑尚瘟髯儗W(xué)》獲第五屆國家圖書獎(jiǎng)提名獎(jiǎng)、第十屆國家優(yōu)秀科技圖書獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。梁叔全教授還在國際學(xué)術(shù)會(huì)議作了5次特邀報(bào)告。基于上述理論研究成果，課題組現(xiàn)已開發(fā)出了8個(gè)新產(chǎn)品，并建立了產(chǎn)值為5千萬元的工業(yè)性示范中試生產(chǎn)線。這些成果使我國粉末冶金技術(shù)在國際前沿有了一席之地，產(chǎn)生了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且其產(chǎn)品對加強(qiáng)國防現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。實(shí)現(xiàn)了從理論到工藝再到高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的跨越。 

　　經(jīng)國家自然科學(xué)基金委聘請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以u審，專家們認(rèn)為，中南大學(xué)材料學(xué)科的粉末注射成形已“形成了比較系統(tǒng)的理論，其成果在許多方面具有原創(chuàng)性，具有很高的學(xué)術(shù)水平和學(xué)術(shù)價(jià)值，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平”�！皩ν苿�(dòng)學(xué)科理論及工藝的發(fā)展會(huì)產(chǎn)生很大的作用，在粉末注射成形基礎(chǔ)理論發(fā)展上有重要貢獻(xiàn)”。 

科技日報(bào)