关键词： 超快激光   微晶玻璃   粗糙度   微裂纹   微加工  

摘要： 因具有超短脉冲宽度和超高峰值功率密度等独特优势,超快激光与透明材料相互作用是光学领域和材料领域的热点研究方向之一;与传统机械加工方法相比,超快激光精密微加工方法在精度等方面具有显著优势。针对激光陀螺用微晶玻璃的高精度切割、钻孔等加工需求,本文系统研究了利用超快激光微加工近零膨胀微晶玻璃时,扫描速度等加工参数对加工质量的影响;通过工艺参数优化,获得高质量的切割和钻孔加工面。为了探索高质量加工的根本原因,基于单脉冲能量和辐照时间等参数变化,系统探索了飞秒激光与近零膨胀微晶玻璃的相互作用;通过观察辐照区域形貌的演化,结合DSC、XRD、SEM等先进表征方法,详细表征了超快激光与近零膨胀微晶玻璃作用后发生的结构演化,并进一步提出了物理模型,阐明了超快激光可以实现近零膨胀微晶玻璃高质量加工的物理机制。上述工作为进一步优化硬脆材料超快激光加工参数提供了重要的实验和理论依据。主要成果及创新点如下:(1)采用超快激光对近零膨胀微晶玻璃进行切割和钻孔,以平均表面粗糙度、锥度、圆度及显微硬度等参数为评判依据,系统表征了激光单脉冲能量、扫描速度等参数变化对加工面粗糙度和显微硬度等性能的影响。实验发现:通过光束整形和参数优化,可实现切割加工面平均粗糙度低于5μm;利用高速振镜扫描系统和水流辅助装置,可实现小锥度(0.15°)、大圆度(0.99)的激光钻孔;与原始近零膨胀微晶玻璃相比,超快激光加工后显微硬度均不低于加工前90%。(2)采用具有高斯光束特征的飞秒激光辐照近零膨胀微晶玻璃,通过单脉冲能量和激光辐照时间等参数变化,详细表征了辐照区域形貌的特征。结果分析表明:随着激光单脉冲能量的增加或辐照时间的延长,微晶玻璃辐照区域会相继出现光暗化、晶化、熔融、多孔泡沫以及汽化等典型特征,且激光能量的增加对于微晶玻璃形貌演化具有更显著的影响。(3)硬度和抗碎裂性能的表征表明商业化的近零膨胀微晶玻璃具有典型的硬、脆特性。超快激光辐照容易产生热应力,并导致微裂纹的萌生和扩展。我们发现,多孔泡沫区的形成可以有效地缓解界面间热膨胀系数不匹配产生的热应力。正是由于高斯光束的能量分布特点,容易导致上述提到的光暗化、晶化、熔融、多孔泡沫以及汽化等典型特征区域的同时出现,难以实现高精度无损伤加工;然而,利用贝塞尔光束,通过对激光加工参数的优化,仅在辐照区形成多孔泡沫区,可以获得更高精度和更高质量的加工表面。

关键词： 电火花加工   SiCP/Al复合材料   多目标优化   工艺规律  

摘要： 电火花加工是一种具有非接触加工的特点的特种加工方法,被认为是加工SiC/Al复合材料的最有效方法之一。但目前在电火花加工SiC/Al复合材料过程中还存在一些需要解决的问题,例如电火花加工的影响参数众多,且互相影响制约,难以选取最符合生产需要的一组工艺参数。因此,本文针对SiC/Al复合材料在电火花加工中工艺参数选择困难的问题,通过软件仿真研究电参数对电火花加工SiC/Al复合材料的影响规律,建立多目标遗传算法获得了加工效率最高的同时表面粗糙度最低的工艺参数组合。其中主要研究工作如下:(1)基于复合材料的多相材料特性以及热传播理论,区分SiC/Al基体材料和增强颗粒的物理特性,建立了热源随电参数变化的SiC/Al复合材料单脉冲熔蚀过程二维模型,利用FLUENT软件中熔化/凝固模块对该模型进行了仿真。以不同电参数组合作为输入,获得了脉冲宽度、峰值电流、开路电压对凹坑尺寸和加工效率的影响规律。通过试验验证发现此模型预测的加工效率值与实际加工效率值平均误差为8.79%。(2)采用分形方法,将维尔斯特拉斯-曼德尔布罗特(W-M)分形函数引入电火花加工SiC/Al复合材料表面粗糙度的预测中,建立了电火花加工SiC/Al复合材料的随机放电模型。利用MATLAB软件建立了随机放电凹坑二维表面形貌,并利用小波变换法提取分形维数和尺度系数。以分形参数作为输入条件模拟出宏观粗糙表面的分形表面形貌,建立了加工放电凹坑微观表面形貌与宏观表面质量的对应关系,进而总结了脉冲宽度、峰值电流、开路电压对加工表面质量的影响规律。通过试验验证发现此模型预测的表面粗糙度与实际加工表面粗糙度平均误差为4.71%。(3)以脉冲宽度、峰值电流、开路电压作为决策变量,以加工效率和表面粗糙度作为优化目标,使用线性加权组合法建立了适应度函数,利用MATLAB软件编写了SiC/Al复合材料电火花加工多目标遗传算法程序结构,以加工效率最高,表面粗糙度最低为优化目标进行多目标参数优化,优化结果为开路电压为77V,峰值电流为3A,脉冲宽度为26μs,此时材料加工效率为1.89mm/min,表面粗糙度为3.08μm。本文的研究工作可以掌握电参数对SiC/Al复合材料电火花加工的影响规律,提出了一种改进的计算机优化电火花加工SiC/Al复合材料加工质量的方法,对提升SiC/Al复合材料的加工能力有重要指导意义。

关键词： Laser ablation in liquids   Electric field-assisted pulsed laser ablation(EF-PLAL)   picosecond laser   femtosecond laser   laser-induced periodic surface structures(LIPSS)   overall water splitting   Nanomaterials   Electrocatalysts   HER   OER   sulfur vacancy at a basal plane   MoSx   CuMoO4   Ni(OH)2   fs-structuring   Superhydrophobic surfaces   Anti-corrosion   Seawater  

摘要： 随着发展中国家的工业化,人类需要通过可再生资源来生产更多的能源,以缓解化石燃料的匮乏以及这些燃料的排放对环境的破坏。但是,可再生能源往往具有间歇性的特点,因此需要一种存储产生的能量以供以后使用的方法。氢气是一种具备应用潜力的燃料,因为它可以利用水作为生产原料,并以氧气为副产物共同生成,燃烧后再恢复为水,形成一个环保的生产-消耗循环。本论文提出了一种水制氢的新方法-将电能与地球丰富的金属氧化物或氢氧化物催化剂一起使用,并专注于电催化材料的选择,生产和优化,通过降低运营成本来提高氢电解生产的效率。水分解包括两个半反应:水的氧化和氢气的释放。这两个反应都依赖于高效的电催化剂。高性能,高效的析氢反应(Hydrogen evolution reaction,HER)和析氧反应(Oxygen evolution reaction,OER)催化剂对于可再生电力向燃料和原料的转化意义重大。铂(Pt)和铱(Ir)/钌(Ru)氧化物分别是最著名的HER和OER催化剂,他们在酸性介质中性能表现最好。在中性(因此具有生物相容性)介质中运行的廉价且富含地球的元素产生的高效催化剂可以实现低成本的海水分离,并实现生物升级的化学燃料。本文主要研究激光产生的用于水分解的电催化剂。我们使用可扩展的、单步的、环保的液体中脉冲激光烧蚀(Pulsed laser ablation in liquids,PLAL)方法,结合电泳沉积和波纹或激光诱导的周期性表面结构(Laser-induced periodic surface structures,LIPSS),开发了一系列新材料。所生产的纳米材料通过在碱性介质中进行水分解而用于产生氢气和氧气。不同实验参数的影响,包括激光脉冲能量和激光脉冲宽度(纳秒,皮秒,飞秒),激光扫描速度,液体介质的性质,烧蚀时间以及原位或异位施加电场的参数使用各种计量技术对尺寸,形状,形态,组成和晶体参数进行了彻底研究。将纳米材料电泳沉积在用作整体水分解的工作电极的不同基板上。此外,通过在每个项目范围内进行主动位点识别和对反应的机械理解,对催化剂进行了详细分析。使用X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)研究了金属物种对HER和OER活性的作用。密度泛函理论(Density functional theory,DFT)计算得出的结构-活性相关性进一步支持了我们的结论,并强调了金属性质的重要性。此外,具有最佳氢结合能的双金属催化剂被认为是针对HER和OER的有前途的活性催化剂。本论文主要描述了五项针对开发高效率、低成本析氢和析氧反应的电催化剂研究,并包括在系统集成中初步尝试功能性电化学水分解。测试了所制备的电催化剂的电化学性能,主要研究成果概括如下:第一章介绍了有关世界能源需求以及氢能在减少环境污染方面的作用。第二章概述了电催化,包括方法,机理,结构和电化学表征技术。第三章,在第一项研究中,利用完全环保且可持续的电场辅助液相脉冲激光烧蚀法,我们提出了一步快速制备现成用于水分解的Ni(OH)2/NF电催化剂,在生成纳米颗粒的同时实现纳米颗粒在泡沫镍基底上的电沉积。所制得的电催化剂在碱性介质中对HER和OER动力学具有很高的效率和稳定性,析出电位分别低至187 mV(与HER的RHE相比)和1.66V(与OER的RHE相比)即可达到20 mA/cm2的电流密度,相应的Tafel斜率分别为82和74 mV/dec。由双功能Ni(OH)2/NF电催化剂制成的双电极电化学电池只需低至1.68V的析出电位就能长期驱动10 mA/cm2的电流密度。第四章,在此,我们介绍了一种基于物理方法的自上而下的一步超快电场辅助脉冲激光烧蚀方法,该方法可同时控制MoSx纳米颗粒中的硫空位及其在泡沫镍上的原位双电泳沉积,几分钟内即可在载体上制备现成的MoSx/Ni F电催化剂,以实现高效的水分解。施加的电场可有效控制电催化剂中的硫活性位点,从而控制HER和OER性能。实验和密度泛函理论计算结果均表明,在较高电场下产生的MoSx/Ni F电催化剂具有较高的硫空位密度,且具有较低的H*吸附Gibbs自由能(GH*)。因此,它在～310 mV的超低析出电位下具有150 mA/cm2的高阴极电流密度,而Tafel斜率低至66 mV/dec。相反,发现在较低电场下产生的较低硫空位的电催化剂更适合于Tafel斜率低至71 mV/dec的析氧反应。重要的是,将两个MoSx/Ni F电催化剂组装到一个双电极电池中,仅需1.63V的电势即可出色地稳定驱动10mA/cm2的电流密度第五章,我们开发了一种创新的策略来控制铜掺杂的MoS2纳米结构在各种应用中的电催化和形态学性能。在典型过程中,脉冲皮秒激光束聚焦在固液界面处的MoS2表面上。将两个平行

关键词： 激光加工   数控系统   运动控制器   Teigha开发   COMSOL仿真  

摘要： 内燃机作为许多机械设备的动力源,在机械领域应用甚广,缸套或无缸套缸体与活塞环的滑动摩擦副作为内燃机的主运动副,其摩擦造成的能量损耗约占内燃机总能量损耗的一半以上。为了改善缸套、无缸套缸体内表面的摩擦磨损状况,使用激光在其内表面加工出有一定规律的微观织构形貌的方法应运而生。大量理论研究和试验都证明:在缸套-活塞环摩擦副接触面上加工与润滑性能要求相匹配的微观织构形貌,可以大大改善其润滑性能,减少油耗,延长使用寿命。本文采用NC嵌入PC+多轴运动控制器的开放式数控加工系统框架,基于Windows系统,构建激光加工缸套、无缸套缸体内表面微观织构形貌数控系统的硬件体系和软件架构,并对激光加工过程进行仿真模拟和实验验证。遵循激光加工硬件系统的模块化设计方法,选定纳秒光纤激光器作为加工光源,设计了一种焦点可调、可旋转的套筒嵌套式新型激光头。在运动控制部分,采用Ether CAT“一主多从”方式,由PC控制多轴运动控制器,多轴运动控制器控制激光器、伺服驱动器和伺服电机。搭建了试验平台,实现了激光光源相对于工件表面的X、Y、Z、θ四轴的相对运动。在系统软件的架构设计上,也按照功能任务区分了两大模块:矢量图纸参数识别和数控加工。在Visual Studio 2013的.NET集成开发平台下,使用C#语言,主要依靠动态链接库技术进行软件开发。通过调用***的动态链接库,实现脱离Auto CAD平台的dwg文件特征参数识别,使复合参数织构形貌的表达和加工更为直观。通过调用多轴运动控制器的动态链接库,实现对其各项功能的调用,包括插补运动、输入输出口状态控制等。合理设计了人机交互页面,力求软件的高度集成化,加工人员操作的简单化。针对目前工业应用上对激光加工凹腔精度和效率的不可控性,使用COMSOL Multiphysics仿真平台模拟纳秒脉冲激光烧蚀去除灰铸铁材料的过程,探索了加工凹腔开口半径、深度、体积随作用时间、功率的变化规律,基于此数据模型,探索了对单个凹腔多点连续加工路径的可能性和最优重复率,并通过实验验证。

关键词： 马兰戈尼效应   致动器   石墨烯   激光加工   多场驱动  

摘要： 刺激响应致动器可将自然环境中的化学能或物理能转化为自身机械能,例如将光能、热能、磁场能、电能等各类能源转化为自身的动能进行运动,并且刺激响应致动器具有无线操控功能,因此它在智能机器设计和尖端应用等领域得到了快速发展。马兰戈尼效应是刺激响应致动器在液体环境中的驱动方案之一,根据马兰戈尼效应的诱发方式不同可以分为热场、光热场和溶质马兰戈尼效应。热场和光热场马兰戈尼效应主要由温度梯度引起,而溶质马兰戈尼效应则由溶质或化学反应所产生的浓度梯度引起。基于马兰戈尼效应在可操控性、多种操控方式、运动性能等方面的优势,使得马兰戈尼效应致动器具有广阔的应用潜力。因此进一步开发更加智能的马兰戈尼效应致动器具有重要的研究价值和意义。通过对目前马兰戈尼效应致动器在发展历程、制备方法、驱动策略,实际应用等方面的系统研究,我们发现基于马兰戈尼效应驱动的致动器仍然面临以下问题:1.基于光热效应的马兰戈尼效应致动器最为常见,然而如何将光热转化材料与任意形状、材质的器件进行集成仍然面临诸多问题,限制了马兰戈尼效应在大多数物体上的应用拓展。2.基于不同诱导方式的马兰戈尼效应可形成优势互补,而目前很少有研究报道可多场耦合操控的马兰戈尼效应致动器,使该类型致动器在操控方面有所欠缺。3.目前马兰戈尼效应致动器的研究集中于运动原理的探索,可真正面向应用进行拓展的器件较少,仍需更具实用性且面向应用场景设计的马兰戈尼效应致动器。因此,针对马兰戈尼效应致动器在诸多方面受限的问题,我们将多种设计方案、制备方法和材料选择相结合,分别从设计制备、操控和实际应用三大方面对马兰戈尼效应致动器进行了研究。即1.集成化马兰戈尼效应致动器的设计与制备,2.多场耦合操控马兰戈尼效应致动器,3.药物装载马兰戈尼效应致动器的制备与研究。取得的主要成果如下:1.在设计与制备方面,实现了集成化马兰戈尼效应致动器的制备,使马兰戈尼效应可拓展到大部分基底上。利用激光诱导石墨烯(LIG)胶带制备集成化光热马兰戈尼效应致动器。激光直写技术可在聚酰亚胺胶带上直接图案化诱导石墨烯,聚酰亚胺胶带可以粘贴在大部分物体上,形成简易的集成化致动器。LIG结构具有良好的光热转化特性,在光照下引起致动器非均匀的温度分布,这种不均匀的温度梯度场产生马兰戈尼效应。根据这一原理,设计并制备了二维图案化漂浮薄膜致动器、集成化叶片致动器和三维柔性折纸致动器,展现了激光加工进行灵活图案化制备的能力。通过人类乳腺癌细胞MDA-MB-231的增殖实验验证了基于LIG胶带的光热马兰戈尼效应致动器具有良好的生物相容性。并且实现了马兰戈尼效应致动器在培养基中的应用:远程操控致动器实现培养基的搅拌。2.在操控方式方面,实现了多场耦合操控马兰戈尼效应致动器,使两种马兰戈尼效应实现了在致动器运动持续时间和启动时间方面的优势互补。利用真空冷冻干燥的方法制备了基于石墨烯多孔膜的马兰戈尼效应致动器,通过在多孔膜中添加十二烷基硫酸钠(SDS)作为“燃料”,利用激光加工制备还原氧化石墨烯(RGO)多孔膜作为光热材料,将溶质马兰戈尼效应与光热马兰戈尼效应进行有效结合,实现优势互补。本研究成功验证了石墨烯多孔膜致动器在溶质马兰戈尼效应驱动下进行旋转运动,同时也在白炽灯或激光驱动下实现基于光热马兰戈尼效应的旋转和线性运动,展现了马兰戈尼效应产生的运动模式的多样化和灵活性。进一步通过在致动器的制备中引入磁性纳米粒子,开发出磁场辅助操控的马兰戈尼效应致动器,拓展了操控手段和潜在应用场景。石墨烯多孔膜致动器在无外力破坏下具有良好稳定性的同时具备溶解再制备全新致动器的能力。3.在实际应用方面,实现了面向实际应用需求的马兰戈尼效应致动器的设计与制备,成功研制了药物装载马兰戈尼效应致动器。分别采用壳聚糖和药用辅料尤特奇作为致动器的主体和功能层,六氟异丙醇(HFIP)和植物炭黑作为功能物质被包裹在尤特奇层内,使致动器具备了双重马兰戈尼效应驱动的能力。该致动器首次将刺激响应形变与马兰戈尼效应相耦合驱动,在水环境的刺激下壳聚糖层与尤特奇层产生形变失配使致动器从二维平面形变为三维结构实现减阻效果,展现了刺激响应材料优异的形变能力。通过生物体内体外实验证明了马兰戈尼效应致动器具备良好的生物安全性。最终成功实现了马兰戈尼效应致动器对药物DOX的搭载与释放。

关键词： 电火花加工   超声振动   温度场   表面粗糙度  

摘要： 微小孔的高效加工向来是机加工领域亟待解决的难题之一。而电火花加工技术在进行微小孔加工时具有明显的优势，主要是因为在进行加工时，工具和工件不直接接触，不会产生作用力，但也存在一些局限性，诸如放电状态不稳定、难以排屑等问题。超声辅助电火花加工技术可有效解决电火花加工的一些短板。　　在电火花加工中，表面粗糙度与峰值电流和脉冲宽度有关。若要获得更高的加工表面质量，必须减小峰值电流和脉冲宽度，即必须减小单个脉冲放电能量。相应地，材料去除率也会随之减小，即材料去除率和表面粗糙度是一对矛盾。在电火花加工中，需要有效地消电离。为提高材料去除率、降低表面粗糙度、及时消电离，本文开展超声振动辅助电火花加工机理及其温度场研究。　　本文首先研究超声振动辅助电火花加工机理。超声振动可改善极间放电间隙状态，使放电通道更易形成;基于游离碰撞理论，超声振动一方面促使放电通道内的分子相互碰撞产生游离，另一方面引起二次电子崩过程，形成自持放电;超声振动可增强火花放电爆炸力;超声振动还能加速电蚀产物在极间的运动速度，促使其从放电通道排出并改善冷却液的循环和消电离状态。　　论文还研究了超声电火花复合加工时的工件温度场分布。为探寻超声振动辅助电火花加工过程中材料的蚀除机理，本文基于热传导理论研究放电参数对工件电极材料蚀除量的影响，采用有限元法，针对不同脉冲宽度和峰值电流下，分析工件材料的温度场分布，得到了在高斯热源下工件内部的温度场分布。在仿真过程中，充分考虑材料热物性参数、放电通道半径随电参数的变化关系、阳极能量分配系数、相变问题和热流密度载荷等问题，得到了电蚀凹坑的半径、深度、深径比及材料蚀除体积与单脉冲宽度、峰值电流的对应关系。仿真结果表明：放电条件的不同一定程度上会影响放电蚀坑的形貌，当脉冲宽度增加时，凹坑半径和深度均呈现稳步增长的趋势，但增长趋势逐渐减缓，深度增长速率小于半径增长速率，也导致了深径比的增长速率减缓。当峰值电流增大时，凹坑半径呈现较为平滑的增长趋势，而凹坑深度在初始阶段上升明显，随后略微放缓。对比材料蚀除体积，可以看出峰值电流对材料去除的影响更大。分析材料去除率可知，增大电流，材料去除率明显增大，并且附加超声振动的材料去除要比单一电火花加工的材料去除率提高2.1倍。　　综上所述，本文分析了超声振动辅助电火花加工机理，通过数值模拟研究了单脉冲下工件温度场的分布情况，可为超声电火花复合加工能量精密控制、加工电参数的设置及工艺改进提供理论支持。

关键词： 微细电火花加工   小波变换   放电状态识别   FPGA  

摘要： 微细电火花加工具有电极制作简单、电极与工件间没有宏观作用力、可控性好等优点,因此在微细制造领域有着非常独特的技术优势和非常广阔的应用前景。随着微细部件加工需求的增加以及MEMS技术的发展,对微细电火花加工的需求也日益提高。但是由于微细电火花加工放电能量小,放电间隙小,排屑困难,放电状态不好,导致加工效率很低。实现高效稳定的微细电火花加工的前提是对其放电状态进行正确的识别。但是,电火花加工放电状态受到电场力、磁力、热力等多种因素的综合影响,且放电状态变化迅速,难以建立固定的数学模型进行识别和检测。因此,高实时性、高准确性的放电状态识别成为微细电火花加工的重要关键技术问题之一。微细电火花加工的放电状态识别是实现微细电火花加工高精度伺服控制的前提和必要条件,对微细电火花加工放电状态识别方法的研究具有重要意义。本课题以小波变换作为极间电压波形分析的工具,对小波变换放电状态识别方法进行了理论分析研究,包括极间电压信号小波变换方法、小波函数选择方法和小波变换后处理方法,在此基础上,利用FPGA实现了所构建的小波变换放电状态识别方法。进而,基于小波变换放电状态识别结果利用FPGA建立了伺服控制算法,实现了基于小波变换的放电状态识别和极间伺服控制。由于利用FPGA实现小波变换放电状态识别方法需要与之相适应的外部电路,因此本研究还研制了极间电压信号采集电路。针对晶体管脉冲电源,通过分析放电时不同放电状态的波形特点研究了相应的小波变换后处理方法,并利用Modelsim软件对晶体管脉冲电源放电状态识别方法进行了功能仿真。针对RC脉冲电源,通过观测低开路电压下的微能RC脉冲电源在不同参数下的放电波形,分析了其放电波形特点,得到了低开路电压下微能RC脉冲电源存在维持电压的结论。同时,根据放电波形特点研究了相应的小波变换后处理模块,并利用Modelsim软件对RC脉冲电源放电状态识别方法进行了功能仿真。最后,针对晶体管脉冲电源,对基于小波变换的放电状态识别方法及伺服控制策略的效果进行了微细电火花加工实验研究,与平均电压放电状态识别方法进行了对比,评价了微孔微细电火花加工过程的放电状态和加工速度,验证了小波变换放电状态识别方法的准确性和利用小波变换识别结果进行伺服控制的有效性。

关键词： 表面微织构   硬质合金刀具   激光加工   润湿性   摩擦磨损试验  

摘要： 微织构刀具是为解决难切削材料的加工问题所提出的一种增强刀具切削表现的新型刀具。近年来的研究发现,在刀具表面置入特定规律的微型图案设计,会改变表面结构,使得刀-屑接触长度减小,剪切角增大,从而使切削力降低。此外,微织构还会起到收集磨屑,使切削液在刀-屑剧烈摩擦的情况下更好进入切削区,改善润滑情况的作用,从而减少表面磨损,提高刀具寿命。本文设计沟槽型与蜂窝型两种微织构形式,采用激光加工的方式在YG8硬质合金表面制备微织构。从激光加工参数与微织构设计参数出发,对微织构进行优化设计。使用理论与试验相结合的方式研究微织构参数变化对其表面润湿性与摩擦磨损性能的影响规律,并对两种性能间的关系进行讨论研究。从而获得一种具有较高减磨能力的微织构设计及优化思路。首先针对半导体激光器,推导出适合其椭圆形光斑的烧蚀阈值理论,结合实验得到光斑尺寸大小,YG8材料在多脉冲作用下的烧蚀阈值及其变化规律,用以指导激光加工参数选择。其次,研究了激光加工参数对YG8硬质合金表面微织构形貌的影响。采用正交试验法与单因素试验法分别讨论了激光加工参数对微沟槽形貌完整度与结构参数的影响规律。实验发现,激光功率与脉冲重复频率是对微织构形貌完整度影响最大的两个因素。不同激光参数对微织构尺寸影响也各有不同。这为之后制备微织构表面试样进行性能研究提供参考。再次,针对沟槽型与蜂窝型两种微织构形式,使用经典的Wenzel与Cassie-Baxter接触模型,推导出理论接触角公式,得到微织构参数对接触角的理论影响规律。发现在Wenzel接触状态下,相同织构密度下蜂窝型表面亲水性比沟槽型表面更强。制备不同微织构表面并进行了润湿性实验,发现微织构密度越大时接触角越大,微沟槽深度则会影响液体渗透效果。最后,还对两种微织构表面进行了在干/湿状态下的摩擦磨损实验,对比了不同织构及不同摩擦方向时的摩擦系数与磨损形貌,分析了表面微织构的磨损机制与其在干/湿状态下的减摩机理。结果发现,干摩擦下微织构通过收集磨屑来减小磨损。由于收集磨屑效率更高,摩擦方向与微沟槽方向垂直时其减磨能力更强。湿摩擦下微织构储存切削液,能够实现更好润滑效果。将微织构变化带来的润湿性与摩擦磨损性能进行比较研究,发现在织构密度较大时,微织构表面越亲水,渗透效果越好时摩擦系数越小,磨损也更低。总的来说,表面润湿性更好的表面有着更强的减磨效果。本文对激光加工硬质合金表面微织构,润湿性与摩擦磨损性能的相关研究,为微织构表面的制备,优化设计思路提供了新的参考,对微织构刀具设计具有重要的指导意义。

关键词： 飞秒激光   湿法刻蚀   菲涅尔透镜   光镊  

摘要： 近年来,越来越多的光纤技术领域中需要光纤微透镜,光纤微透镜是将光信号从一端有效地传输到另一端口的光纤器件,在光通信、传感、激光信号处理等领域有着较大的研究价值和应用前景,因此,基于光纤制作的微透镜已成为光纤技术领域中的研究热点。在光纤端面制作微透镜是促进光纤和激光信号模态匹配最有效的低成本方法,可以有效提升激光信号的耦合效率。通过在光纤端面形成特定的透镜结构,可以对光纤出射光做任意的光场变换。随着光纤微透镜加工技术的发展,光纤端光场变换更加容易实现,飞秒激光技术是目前制作光纤微透镜的较好的技术之一,大大丰富了光纤微透镜的制备手段。本文在现有加工光纤微透镜技术的基础上,围绕光纤端面微透镜开展工作,利用飞秒激光加工技术在无芯光纤端面制作了菲涅尔透镜,对透镜结构进行了数值分析,通过实验验证了理论分析的正确性。首先,分析了光纤微透镜的国内外研究进展,提出了本文的研究方法及内容,其次,分析了飞秒激光加工技术原理及其研究进展,同时,研究了湿法刻蚀原理并利用飞秒激光微加工系统辅助湿法刻蚀加工了斜锥透镜,最后,设计了一种“三明治”组合型光纤光镊微透镜结构,在无芯光纤端面利用飞秒加工系统制作了菲涅尔透镜,对该透镜结构进行了数值仿真分析,绘制了不同参数条件下该结构的横向光阱力和轴向光阱力变化曲线,从仿真结果可以得出粒子所受的横向光阱力与横向捕获范围会随着粒子半径或者折射率的增大而增大,但横向捕获位置不变;通过仿真还发现,粒子所受的轴向梯度力较小,不能在轴向稳定捕获。因此我们在做实验的时候,将光纤与样品池呈一定的角度,使得梯度力与散射力的水平方向分量平衡,从而可以二维操控粒子,通过实验证明了理论的可行性。

关键词： 激光加工   复合镀   铜镍合金   耐腐蚀  

摘要： 固体材料表面微观粗糙结构对自身润湿性有着重要影响,其中难润湿的疏水表面具有天然阻碍固液两相相接触的能力,这对材料的耐腐蚀性能提升具有积极作用。通过采用激光与电刷镀工艺方法相结合,在B10铜镍合金上制备出不同形貌的粗糙表面,发现使用激光加工工艺处理后,在焦点光斑扫描路径边缘位置处会产生凸起肋状纹理结构,使用电刷镀加工工艺处理后,在激光加工凸起肋状纹理结构上生长出菜花状镍团,镍团成簇出现并且随着凸起肋状纹理结构延伸进行规律排列,形成具有微米尺寸粗糙结构的“激光辅助镀镍表面”。将纳米二氧化硅不溶性微粒分散在电刷镀镀液中,配制成不同浓度的复合镀镀液,重复进行上述激光加工工艺与电刷镀加工工艺,制备“激光辅助复合镀镍表面”。为探究所制备表面的耐腐蚀性变化规律,对不同加工工艺方式的铜镍合金进行了润湿性测试与电化学测试。结果表明,激光辅助复合镀镍对铜镍合金的耐腐蚀性提升具有积极影响,当处于大气环境下,复合镀层能够发挥其表面疏水性能,让腐蚀溶液流动滚落脱离不沾,从而降低材料发生腐蚀的可能性;长期浸没静置于含盐的水介质环境下时,与铜镍合金基体相比,复合镀层电位相对较低,具有优先腐蚀倾向,成为牺牲阳极进而保护基体材料。并且由于镀层镍金属易于发生钝化作用,其阻抗更大、腐蚀电流密度更小,可形成大阳极小阴极的镀层保护体系,腐蚀速率比铜镍合金基材更加缓慢。此研究对服役在干湿条件存在变化场所处的金属耐腐蚀性提高具有一定指导意义。