关键词： 单晶硅   飞秒激光加工   晶面取向   非晶化   烧蚀规律  

摘要： 晶体材料不同晶面具有不同的物理、化学特性，人们利用晶面的各向异性不断开阔材料加工领域的新方向。但晶面取向对飞秒激光加工的影响没有得到充分认识和深入研究，因此本文将晶面取向作为一个重要参数，研究晶面取向对单晶硅高功率飞秒激光加工的影响，开展了以下方面研究工作:　　(1)飞秒激光与硅相互作用的理论模拟　　建立硅在飞秒激光作用下的双温模型，模拟了飞秒激光单脉冲和多脉冲与硅相互作用过程，揭示飞秒激光作用下硅的非热熔化机制和热累积规律。通过双温模型计算获得1030nm和515nm飞秒激光作用下硅的熔化和烧蚀阈值，同时模拟结果表明，在相同条件下，515nm激光比1030nm激光能激发硅产生更多自由载流子，更有利于对硅材料进行去除加工。　　(2)晶面取向对飞秒激光单脉冲与硅相互作用的影响　　通过试验研究单脉冲作用下硅(111)面和(100)面的行为特性，对不同晶面单晶硅的元素成分、晶格结构和应力情况等进行深入分析。　　首先，发现在飞秒激光单脉冲的作用下硅(111)面形成非晶区和烧蚀区，在非晶区形成约60nm厚的非晶硅层，烧蚀区材料被激光直接去除，在烧蚀区表面只有一个约2nm厚的非晶硅层;而在相同的试验条件下，硅(100)面没有形成非晶区，只形成材料被去除的烧蚀区。与此同时，在硅(111)面非晶区的相同位置上，1030nm激光作用形成的非晶层要远厚于515nm激光作用形成的非晶层，说明短波长飞秒激光更有利于减少热影响区。　　其次，试验获得1030nm飞秒激光单脉冲作用下硅的熔化阈值和烧蚀阈值分别为0.28J/cm2和0.45J/cm2，515nm飞秒激光单脉冲作用下硅的熔化阈值和烧蚀阈值分别为0.25J/cm2和0.38J/cm2，与模拟计算结果相似。　　最后，对不同晶面取向的影响原因进行分析，产生差异的原因是不同晶面具有不同的原子排布，其导致了硅(111)面比(100)面再结晶能力弱，且硅(111)面为密排面，在再结晶过程中容易出现晶格缺陷，这导致在飞秒激光脉冲作用下，激发出的高密度载流子会引起硅晶格发生紊乱，在随后的快速冷却凝固阶段中，硅(111)面保留了晶格的紊乱状态，而(100)面恢复与母材相同的晶面取向。　　(3)晶面取向对单晶硅高功率飞秒激光刻蚀加工的影响　　首先，通过正交试验研究了高功率飞秒激光单脉冲能量、重复频率和扫描速度三个参数对不同晶面刻蚀凹槽深度的影响，对于两个晶面，对刻蚀深度影响的显著性由大到小的因素排序均为:单脉冲能量、扫描速度、重复频率。差异在于:对于硅(111)面，单脉冲能量对刻蚀深度影响的显著性要高于硅(100)面;而对于硅(100)面，激光重频率对刻蚀深度的影响显著性比硅(111)面要强。　　其次，通过单变量试验研究了高功率飞秒激光作用下不同晶面硅的刻蚀效果的差异，发现随着平均功率和扫描次数的增大，两个晶面的刻蚀深度和刻蚀深度差异都增大，当刻蚀深度达到约400μm时，硅(111)面比(100)面刻蚀深度要深20μm;同时，随着激光平均功率的增大，两个晶面的凹槽底部粗糙度差异也在变大，当凹槽底部粗糙度达到约20μm时，硅(111)面比(100)面凹槽底部粗糙度高4μm。在较少的激光扫描次数下，观察到硅(111)面比(100)面激光吸收率高。　　最后，通过试验研究了飞秒激光多脉冲作用下硅的非晶化和烧蚀规律，发现在本试验条件下，两个晶面的非晶化阈值近似，约为0.16J/cm2，烧蚀阈值也近似，约为0.32J/cm2。虽然硅(111)面和(100)面的非晶化阈值和烧蚀阈值近似，但两个晶面的再结晶能力和非晶化能力是不同的，硅(111)面再结晶能力弱和非晶化能力强，在飞秒激光作用下(111)面易形成较厚的非晶硅，而硅(100)再结晶能力强，形成的非晶硅容易再结晶为单晶硅。具有非晶硅的不均匀表面与后续激光脉冲相互作用，更易形成微纳结构，形成的微纳结构除了导致表面粗糙度的增大，也进一步增强材料对激光能量的吸收，从而导致激光刻蚀过程中(111)面材料被去除更多。在高飞秒激光重复频率下，热累积效应导致单晶硅被有效刻蚀，低重复频率下，热累积效应导致单晶硅容易非晶化。

关键词： 涡轮泵转子   激光加工   蜂窝密封   整体式挤压油膜阻尼器   振动控制  

摘要： 随着现代航天技术突飞猛进的发展,对火箭发动机工作稳定性的要求进一步提高,涡轮泵转子的动平衡问题是影响火箭发动机工作稳定性的一大关键因素。在石化行业,由于汽轮机出现的密封失效问题,导致机组不得不进行停机检修,严重影响了机组的安全性和稳定性。针对涡轮泵转子组件的动平衡问题,本文对涡轮泵转子初始不平衡量的影响因素进行了仿真分析;研究了基于超快激光的涡轮泵转子动平衡去重技术;提出了涡轮泵转子去重“点”“面”转化计算方法;针对汽轮机汽封出现的泄漏过大问题,应用蜂窝密封技术,对汽轮机汽封进行了蜂窝密封仿真分析和应用改造;针对悬臂转子出现的碰摩振动故障,使用整体式挤压油膜阻尼器(简称ISFD)与刚性支承进行了对比实验,研究了 ISFD对悬臂转子碰摩振动的控制效果。本文主要研究内容如下:(1)利用有限元软件计算了涡轮泵转子组件装配同轴度与垂直度偏差、轴孔加工同轴度偏差及叶片材质不均匀等对涡轮泵转子组件初始不平衡量的影响。(2)研究了超快激光金属去重技术;基于涡轮泵涡轮盘的特殊去重面形状,利用有限元软件计算了去重形状、去重深度和去重边缘倒角对涡轮盘应力响应的影响;研究了基于激光金属加工去重面的“点”“面”转化数值计算方法。(3)设计了涡轮泵转子超快激光去重试验台;实验研究了超快激光加工圆型、方形以及弧形去重面时的去重效果,同时进行了边缘倒角加工实验研究。实验结果表明,超快激光金属加工技术可以满足涡轮泵转子去重的技术要求。(4)通过仿真分析比较了梳齿密封与蜂窝密封的密封特性,研究了梳齿结构、蜂窝芯格深度和蜂窝芯格直径对密封性能的影响,探究了蜂窝密封的密封特性影响因素。依据仿真结果进行工程技术改造,改造后汽轮机的径向瓦监测温度降低了 20℃。(5)实验研究了不同转速、不同不平衡量和不同碰摩位置下整体式挤压油膜阻尼器对悬臂转子碰摩振动的抑制效果。结果表明,整体式挤压油膜阻尼器对悬臂转子的碰摩振动有一定的抑制效果,振动的最大降幅为40.8%。

关键词： 锆基非晶合金   脉冲激光加工   复合结构   体外生物活性   耐蚀性  

摘要： 在非晶合金体系中,锆基非晶合金由于优良的机械性能和生物相容性,在医疗植入手术拥有广泛的应用。但其植入物是非生物材料,手术之前必须要对表面进行活性处理,以减少人体与植入物之间的不嵌合甚至排斥反应,加强植入物界面的生物调控及动态组织重塑,保证手术顺利完成。一些传统的表面改性技术,通过改变表面形貌和粗糙度来实现生物活性的提升,这种方法具有不可控性,无法实现整体的一致性。本文通过脉冲激光与化学处理相结合的方法,对植入物进行表面活性改性,通过浸泡人体模拟体液的方法沉积出具有生物活性的羟基磷灰石(HA),对提高非晶合金医用植入物的成功率具有重要意义。(1)植入物表面微纳结构的仿生设计。通过分析人体骨及骨关节连接处表面组成,在锆基非晶合金表面设计出仿生微纳结构。通过试验不同参数下的表面微结构,速度过大或过小,微沟槽扫描不均匀出现点阵列或能量过剩使沟槽底部斑驳起伏;输出功率过大或过小,沟槽边界呈飞溅状、熔融材料在底部重新凝固使深度变浅或能量不足以制备实验所需深度。(2)ZrCuNiAl锆基非晶合金复合微纳结构的制备。利用优化后的激光参数加工出符合需求的表面微结构,再利用配置的强酸性溶液对表面进行腐蚀处理,加工出实验所需的微沟槽与腐蚀凹坑相结合的复合微结构;利用飞秒激光在纳秒激光加工的表面上进行直线扫描,加工出两种直线阵列的复合微结构。(3)ZrCuNiAl锆基非晶合金复合结构体外生物活性研究。植入物亲水性的提高可改善植入物与骨骼之间的粘附力,从而有助于在体内更快地再生受损组织。生物种植体的适宜性和生物响应取决于其表面润湿性,而润湿性是影响生物种植体性能的关键因素。高润湿性的表面有助于特定蛋白质和矿物质的吸附,从而促进植入物表面与组织之间的牢固结合。利用工业相机拍摄不同表面结构的静态接触角图像,借助测量软件Image J进行图像分析,观测对比不同表面的润湿性。人体模拟体液含有细胞生存环境所必需的离子,其中Ca、HCO、HPO等离子,可以反应生成骨细胞附着必需的羟基磷灰石晶体,通过浸泡实验使其沉积在样品表面。羟基磷灰石的含量是判断材料表面生物活性的主要方法,每隔三天称量样品干燥后的质量,利用SEM和EDS分析表面HA沉积情况和元素含量,通过对比不同表面结构的羟基磷灰石成核速度及增重百分比,研究不同加工方法的生物活性。(4)ZrCuNiAl锆基非晶合金复合结构电化学腐蚀行为测试。利用Auto Lab电化学工作站,通过不同加工方法将试样分成四组,制作为工作电极,分析极化曲线和阻抗谱,对比不同试样的腐蚀速度和难易程度,探讨表面生物活性改性技术的差异。图[39]表[7]参[90]

关键词： 电火花加工(EDM)   变质层   残余应力   有限元分析(FEA)   SiC  

摘要： 电火花加工(EDM)工件表面最重要的特性之一是变质层和残余应力。为了研究碳化硅陶瓷材料电火花加工过程中产生的变质层和残余应力问题,本文使用有限元仿真分析对表面变质层和残余应力的产生机制及其分布进行了建模。对单脉冲放电和多脉冲放电形的电火花加工蚀除过程进行了分析,研究SiC材料在放电蚀除下的热通量的高斯分布,用于恒定脉冲时间和不同放电半径的分析。通过仿真分析电火花加工SiC放电过程,工件的熔化区存在一个较高的压力梯度,发现熔化区和与熔化区接触的变质区具有更高的应力梯度。压力梯度和剪应力场是造成放电坑凸起的主要原因。使用单位振幅形状函数来描述曲率相对于去除深度的变化,并且提出了用一种用三个常数系数表示的幅度和脉宽相同但中心位置相反的两个高斯峰之和的高斯热源分布方式,用于设置放电加工区域。通过ANSYS仿真软件,建立了电火花加工工件表面的残余应力二维轴对称模型,用于预测SiC工件的温度和残余应力变化,仿真结果表明,当放电发生时,模型会识别工件上的不同区域,例如熔化区、热冲击区、沸腾区等。基于有限元分析,分析了电火花加工放电蚀除过程中残余应力的产生机制,研究结果表明随着放电加工的进行残余应力会在电蚀凹坑边界周围的各个方向累积的现象;残余应力本质上既具有拉伸性又具有压缩性,并且在一次火花后它们会少量留在工件中,并且随着时间的推移而积累,从而以微裂纹的形式造成表面损坏。该模型基于ANSYS软件创建,该软件使用有限元技术求解问题特有的基本控制方程和边界条件。

关键词： 频率选择表面   三维激光加工   整流罩   曲面加工   加工轨迹  

摘要： 当前通讯手段繁杂,空间中电磁波类型复杂,同时电子信息战的迅速发展对各设备的特种电磁性能要求进一步提升。频率选择表面作为一种具有选波、滤波特性的结构且不影响飞行器的空气动力学特性,是一种良好的提升装备特殊电磁性能的解决方案。因此提出一种高精度、高效率、低成本的频率选择表面（frequency selective surface,FSS）制造技术势在必行。本文针对大幅面不可展曲面例如整流罩上的频率选择表面加工效率低、质量不一致的问题。从加工原理、加工轨迹规划、工艺参数三方面进行研究。首先,提出使用激光加工系统配合伺服运动机构进行高效加工。振镜式激光系统加工速度较机械系统提高三到五倍。提出利用激光光路逆变换结合激光焦深进行不可展曲面加工的关键技术。其次,根据加工原理及工艺需求搭建自主研发搭建了功能表面激光加工平台。使用直线电机作为驱动模组使重复定位精度小于0.01mm。机械运动速度可达500mm/s,激光束扫描速度可达8000mm/s。可实现加工范围在1000mm*500mm*500mm内的制件加工。最后,对铝、铜、银三种不同镀膜材质,双弯曲盖板、锥形回转体两种基体的多种试验样件进行工艺试验。通过显微镜观察FSS单元加工质量,并使用去除率和畸变率进行量化表征,探讨峰值功率、填充密度、延时参数与镀铝涂层加工质量之间的关系.同时探究加工线宽与重复频率与扫描速度的关系,实现线宽为0.0072mm的激光工艺。实验结果表明,通过对加工参数的优化,实现了双弯曲制件及回转体制件表面十万个以上FSS单元的制造,并保证加工质量保持一致。可实现铝制、铜制、银制的FSS的高质量加工,可为其他同类研究和实际应用提供参考。

关键词： 超疏水   超滑表面   激光加工   微纳结构   润湿状态   润湿性能   耐久性  

摘要： 仿生学的蓬勃兴起带动了材料表面功能化的迅猛发展,其中,受荷叶和猪笼草表面特殊润湿性启发而创造出的超疏水/超滑表面,在防污、抗腐蚀、微滴操控、抗结冰、减阻以及细胞工程等领域都展现出了广阔的应用前景,引起了研究学者的广泛关注。目前,各类人造仿生超疏水/超滑表面均展现出了优异的润湿特性,但普遍存在制备过程复杂、工艺条件严苛,难以实现大规模生产的问题;且所制备的功能膜层都过于脆弱,耐久性差,极大限制了其实际应用。针对上述问题,本文以广泛应用于航天航空、海洋工程、生物医用领域的TC4（Ti6Al4V）钛合金为研究对象,采用高效的激光直写技术进行微米级结构设计,在钛合金表面构造出点阵列图案的氧化物层,以增强膜层的机械稳定性;同时,结合简单的化学法,利用钛合金基体的本征属性原位构造纳米结构,制备出微纳复合结构膜层。之后通过低表面能修饰及黏度合适的润滑剂注入,最终获得兼具优异润湿性及长久耐受性的超疏水/超滑表面,促进特殊润湿性表面从实验研究阶段迈向工业化。首先采用纳秒激光设备在TC4钛合金表面构造出点阵列的微米级孔结构,在系统分析了点阵排列方式、孔间距及孔深度对表面润湿性能（疏水角、滚动角）的影响基础上,通过激光工艺调整和优化,获得了疏水角为160.6°,滚动角为1.2°的超疏水表面（经十四烷酸修饰）。同时,通过构建热力学分析模型,从理论上分析了本征接触角（θY）、孔隙间距（b）及孔深度（H）对润湿状态及润湿性能的影响,实现了点阵列激光加工表面不同润湿状态（Cassie/Wenzel）间相互转变的临界条件计算及润湿性能预测。模型验证结果显示,本模型的预测结果与实验结果非常接近,表明本文的模型具有很高的可信度,可用于指导点阵列激光加工超疏水表面的设计及工艺优化。基于点阵列激光加工的微米结构表面,采用“水热-酸化-煅烧”工艺在微米级孔结构表层原位生长了锐钛矿型Ti O2纳米线结构,通过正交试验法,确定了最佳的水热反应温度（250℃）、反应时间（15 h）及碱液浓度（1 M）,获得了纳米结构均匀覆盖微米孔的微纳复合结构表面。经有机硅烷修饰后,其疏水角高达165.2°,滚动角<1°。对比单一微米结构的激光加工表面,该微纳复合结构表面的超疏水性表现出了更优异的耐久性,在经受13.24 m/s高速水流冲击5 min,3.5 wt.%Na Cl溶液浸泡146 h或5次循环摩擦后,该微纳复合结构表面仍然维持其超疏水性。其次,对比了表面不同有机修饰层的稳定性,结果表明聚二甲基硅氧烷（PDMS）比十六烷基三甲氧基硅氧烷（HDTMS）具有更优异的热稳定性及耐光催化降解性;能承受450℃下30 min的高温而不分解,8 h紫外光照（250 W,365 nm）而不降解。基于上述微纳复合结构表面,本文以二甲基硅油为填充润滑剂,通过注入方式构造了超滑表面（SLIPS）。分析了不同黏度（20、50、100、350、500 m Pa·s）润滑剂的注入量与填充后的表面形貌,结果表明低黏度润滑剂更易在表面倾斜时发生流失,表面微结构未能被完全覆盖,粗糙度较高;而高黏度润滑剂注入的表面较为平整,粗糙度较低。水流搅拌冲刷测试结果表明:低黏度润滑剂（20 m Pa·s）注入的超滑表面（20-SLIPS）具有较快的水滴滚动速度,但随着冲刷时间延长,滚动速度下降幅度最大;而高黏度润滑剂（350、500 m Pa·s）注入的超滑表面（350-SLIPS、500-SLIPS）虽然水滴滚动速度较慢,但能承受长时间（4 days）的水流搅拌冲刷而基本保持性能不变。自愈性测试中,350-SLIPS与500-SLIPS试样均表现出了对刀片划痕的自修复性,而其它试样则出现了“反自愈”现象,本文认为这种反常现象与纳米结构的毛细作用和表面润滑剂填充量有关,并对其进行了深入的机理分析。在疏液性能上,超滑表面比超疏水表面表现出更广泛的疏液性,尤其是对有机溶剂,具有广阔的应用前景。

关键词： 仿生设计   激光加工   酸蚀   生物活性   摩擦性能  

摘要： 钛合金材料因具有优秀的抗腐蚀性能、机械力学性能以及易加工性能,被广泛的应用于人工骨制造领域。但是由于钛合金表面表现出惰性和耐磨性差的缺点,使得人工骨在植入人体以后出现结合速度慢与磨损严重的问题,导致人工骨周围发生炎症,甚至会发生人工骨脱落的症状,降低了钛合金人工骨的使用性能,因此解决钛合金人工骨的结合能力差和耐磨性差是当下研究的关键问题。通过在钛合金人工骨表面制备微纳结构有利于提升钛合金表面的生物相容性和耐磨性。本文对钛合金表面进行微纳结构设计和制备,并进行摩擦性能和生物相容性研究。首先,本文基于仿生学理论设计钛合金人工骨表面织构形状。在分析天然骨表面结构和树蛙的脚掌足间皮肤形貌基础上,结合微纳尺寸对于骨细胞行为的影响,仿生设计出圆形和正六边形组合的四种表面微纳复合结构并确定织构参数。然后,本文研究了钛合金表面微纳复合的构建方法。采用激光烧蚀的方法制备表面微米级的凸起织构,分析不同加工参数情况下的钛合金表面形貌,最终确定最优加工参数为:加工速度300mm/s,功率20W,频率30KHZ。在此基础上研究加工次数与织构的高度的关系。采用多重酸蚀的方法制备钛合金表面纳米级孔洞,同时解决激光烧蚀在钛合金表面留下的熔渣的问题。其次,本文采用摩擦磨损实验研究了不同形状、边长和高度的钛合金表面微纳结构的减摩效果。首先分析不同形状、边长和高度的织构分别对平均摩擦系数影响,然后研究形状、边长和高度三因素的交互作用对平均摩擦系数的影响,通过Design Expert中Box-Benhken模块进行响应曲面拟合和优化分析,得到最小的平均摩擦系数。最终得到最小的平均摩擦系数为0.0902,对应的特征值为:形状为0.66(圆形包围正六边形阵列图案),边长为200μm,高度为60μm。再次,本文采用接触角实验研究了不同表面微纳复合结构的浸润性。通过测量不同形状、边长和高度的织构表面的接触角值,分析形状、边长和高度分别对表面织构的接触角值的影响。采用全因素实验分析形状与边长对接触角的交互影响,通过MATLAB中fit函数拟合交互曲面,得到最小的表面接触角。最后,本文采用模拟体液浸泡实验研究了不同表面微纳复合结构的生物活性。分析不同形状、边长和高度分别对钛合金表面织构的羟基磷灰石沉积的影响,并分析羟基磷灰石在模拟体液中的生长机理。

关键词： 薄木加工   激光   耦合机理   温度场仿真   流场结构  

摘要： 木材作为一种可再生和循环利用的生物资源,具有天然的纹理之美和优良的加工性能,是世界公认的绿色材料之一。传统木材机械加工主要以锯切、铣削、刨削、砂光为主,这些方式由于加工锯路宽、加工余量大、运动轨迹约束等条件限制难以实现复杂构件的非接触成型加工。激光加工作为一种先进的特种加工技术是科学发展的典型创新性成果,是我国加工行业优化提升的重要基础,作为对传统工艺的渗透和替代,其自主可控、安全高效等优势使其在木材加工领域得到发展,绿色节能的加工过程以及综合利用率的提高也符合我国木材加工行业优化升级的产业政策。但是木材的燃点较低,激光聚焦产生高温在使木材瞬间汽化的同时,导致切口周围热影响区扩大,致使木材激光加工表面产生烧痕和残碳现象,严重影响木制品加工表面精度和成型质量,限制了该工艺的推广应用。针对上述问题,本文将气体辅助与木材激光加工有机结合,通过理论分析、多场耦合模拟以及实验验证的方法对气体辅助激光加工薄木技术进行系统性研究。主要研究内容如下:研究气体辅助激光加工薄木成型机理。通过对激光频率和时序的精准调控,利用高能量激光束对木材进行照射,分析激光能量与木材的热作用以及能量在切缝内的吸收与反射过程,根据激光加工过程中气体射流的撞击作用,分析气流特性对流场结构的影响,揭示激光—气体射流—木材的多尺度作用及成型机理。通过实验进行机理的深入探究,以薄木为研究对象,对比不同气体对切割质量的影响规律,通过扫描电镜进行微观比对,探讨气体的物理属性对激光加工薄木的抑制燃烧作用。研究气体辅助激光加工薄木过程中热量传递的数值模拟及影响规律。采用COMSOL有限元软件建立面向于气体辅助激光加工过程中的多场耦合温度场传热模型,通过激光加工热源模型分析以及控制边界条件加载,讨论无气体辅助、氮气辅助和氦气辅助情况下温度场分布差异,分析气体射流在激光加工木材过程中的作用意义。研究气体辅助激光加工过程中温度场瞬态变化规律以及切缝形成过程,分析不同工艺参数对气体辅助激光加工过程的温度分布、烧蚀损伤体积以及汽化体积的影响规律,通过实验验证温度场模型的合理性以及仿真分析结果的可靠性。研究辅助气体抑制燃烧的浓度分布区间以及多场耦合下的气流影响。构建激光加工薄木过程中气体扩散模型,通过有限差分法求解激光照射条件下木材不发生燃烧反应的必要条件以及区间分布。建立气体辅助激光加工薄木的轴对称撞击射流模型,通过对有无燃烧放热反应发生的仿真结果对比,揭示气体射流对切缝中流场结构稳定性以及对压力、速度和剪切力分布的影响趋势。研究不同气体压力以及喷嘴与工件在不同距离下流场结构和特征量的变化情况,分析气体参数对气体流动稳定性的影响规律,并获得适用于激光加工薄木成型质量良好的工艺参数。采用樱桃木为试验材料,通过对传统激光加工与气体辅助激光加工对比分析,探究工艺参数、纹理方向、加工方法对木材切缝宽度、表面粗糙度、微观形貌、表面成分的影响。通过单因素试验,获得气体辅助激光加工工艺参数对薄木成型质量的影响规律,采用响应曲面法对各响应因素的交互作用进行显著性分析,获得气体辅助激光加工樱桃木的切缝宽度、切缝深度和表面粗糙度的预测模型及最佳工艺参数。以最佳工艺参数进行切割试验,通过表面切割质量对比和切缝微观形貌分析,验证所建立模型具有较好的预测效果,为实现切割质量优化提供适当的参考。

关键词： 冠脉支架   微纳结构   互注入激光器   仿生涂层   miRNA137  

摘要： 以药物支架为代表的经皮冠状动脉介入治疗（PCI）已经成为近年来临床上治疗冠心病的主要手段之一,但是术后发生的支架内再狭窄迄今仍是临床上需要解决的难题。使用药物洗脱支架可显著降低再狭窄率,但是仍存在支架内晚期血栓形成的风险,因此,开发靶向性好、毒副作用小、再狭窄率低且避免血栓形成的新型支架具有巨大的理论及现实意义。利用激光加工技术在支架表面制备微纳结构可以有效改善支架的生物相容性,同时提升载药性能,四光束激光干涉加工技术在冠脉支架微结构的制备中获得了良好的理论研究和实验进展,进一步提高加工效果成为当今研究的热点。本文利用双路互注入固体激光器作为光源,搭建了互注入四光束干涉加工系统,对冠脉支架表面进行了微结构加工。首先利用MATLAB对加工过程进行了仿真模拟,主要模拟各参数对干涉结果的影响,为干涉加工实验提供理论依据。之后进行支架表面微结构的加工实验,在入射角分别为48.8°、14.5°和8.6°的条件下,获得了周期分别为1.063μm、3.077μm和5.082μm的三种微纳结构,实验制备的微纳结构同仿真结果相符。最后进行支架的载药实验,先采用电泳沉积的方法将聚乙二醇化脂质体固定于支架表面,形成聚乙二醇化脂质体涂层支架,再通过浸涂自组装的方式将miRNA137包埋于涂层当中,获得新型载miRNA137仿生涂层冠脉支架。为了检测加工后支架的载药量及药物释放性能,将三组支架进行称重后放入血液循环模拟装置当中,经过对比,周期为3.077μm的支架微纳结构相较于其他结构对miRNA137具有更优越的组装粘附力和药物释放性能,实验所制备的载miRNA137仿生涂层冠脉支架对抑制术后再狭窄具有积极意义。

关键词： 超声振动   电火花放电   数值模拟   温度场   电蚀量  

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。