关键词： 微细电火花加工   叠层圆盘电极   微沟槽加工   铜锡合金   电极损耗规律  

摘要： 随着环境污染、能源危机等问题日益突出,具有节能、减阻等功能的表面功能结构及其制造已成为学术研究热点之一。为了高效制备具有疏水、减阻等功能的微沟槽表面,本文提出利用叠层圆盘电极旋转电火花加工微结构。不同金属电极材料加工效果存在差异,准备外径相同、损耗率不同的圆盘箔,根据微结构外观轮廓要求对不同损耗率的圆盘箔进行叠层组合,然后在工件不同位置进行多轮固定深度的成型,使叠层电极所加工的微结构断面轮廓趋于稳定,将该加工效果稳定的叠层电极用于微结构的加工。本文选用铜、锡这两种加工性能差异较大金属进行研究。为了使研究结果更全面,还对铜、锡在高温下的扩散特点进行了分析,并利用该特点制备了加工性能介于铜和锡之间的铜锡合金电极。通过研究发现,该工艺消除了传统电火花加工过程中电极损耗影响加工精度的问题,并且在加工之前不需要修形,提高了加工效率和加工精度。本文主要内容如下:（1）详细描述叠层电极的选料、备料、制造步骤。搭建符合实验要求的平台,介绍了本研究主要用到的实验仪器。（2）制备保温时间和处理温度不同的12组镀锡铜箔样品,通过分析样品中锡元素分布趋势,发现镀锡铜箔中锡元素的扩散随着真空热处理的保温温度和保温时长的增加而增加。根据镀锡铜箔的扩散规律,制备铜锡合金电极原料。（3）使用铜圆盘、锡圆盘和铜锡合金圆盘及它们组成的叠层电极在实验平台上加工钛合金至相同深度,对比相同材质电极的体积损耗,发现叠层加工方式改变了叠层电极中部分材质的电极损耗特性,叠层电极中铜锡合金圆盘电极的加工能力得到了提升。（4）使用铜、锡、铜锡合金组成的叠层电极在钛合金工件不同位置进行多轮固定深度的旋转电火花加工,对比每次加工后各材质的相对体积损耗率和各圆盘电极半径损耗,发现当加工至第5条微沟槽后,铜锡合金圆盘电极相对体积损耗率由之前的大于1变成小于1,进行多轮加工后各圆盘电极的半径损耗会趋近于同一值。利用该规律提炼出叠层圆盘电极加工模型,并使用0.1 mm厚的铜圆盘、0.1 mm厚的铜锡合金圆盘、0.3mm厚的锡圆盘组成Cu/CuSn/Sn/CuSn/Cu叠层圆盘电极和0.1 mm厚的铜圆盘、0.5 mm厚的锡圆盘组成的Cu/Sn/Cu叠层圆盘电极进行多轮旋转电火花加工实验,验证叠层圆盘电极旋转电火花加工微结构的可行性。

关键词： 水导激光   SiCf/SiC复合材料   工艺研究  

摘要： 航空航天发动机的推重比与其热端部件的工作温度密切相关,采用加力燃烧室可大幅提升发动机的性能,由于对航空要求的不断提高,国内外提出航空发动机的热端部件使用新型耐高温纤维增强陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)和冷却结构(气膜孔冷却)。现阶段常规的机械加工和经典的特种加工无法满足SiC/SiC复合材料精密低损伤的二次加工要求。本文提出水导激光加工的方法,利用其激光高效蚀除及水射流快速冷却、冲刷和保护加工材料的特点,对SiC/SiC复合材料进行高质量的加工。首先本文对激光与水的耦合装置及调整装置进行设计并通过COMSOL仿真软件分析了耦合腔流场的速度和压力分布,以此为基础搭建了一套主要包括耦合光路、供水系统及加工平台的水导激光加工系统。搭建好加工系统后进行了系统调试,主要对耦合模块进行对中耦合调试并检验耦合质量,提出了稳定水束的判断依据并对耦合失效的原因进行了分析。然后对SiC/SiC复合材料的水导激光材料蚀除过程进行了仿真研究,通过扫描电镜和激光热导仪对SiC/SiC复合材料进行了结构特性观察和热性能测定,对水导激光加工过程进行了分析,经简化假设和边界条件设定,建立了以傅里叶定律为基础的有限元仿真模型,利用ANSYS软件的生死单元技术进行了材料去除过程的仿真分析,研究了加工形貌的形成过程,通过实际的划切和多点加工验证了仿真模型的正确性。最后本文对SiC/SiC复合材料从划槽和打孔两方面进行了水导激光的加工工艺研究,在划槽加工时总结了不同工艺参数对加工结果的影响规律,并提出采用多道加宽的轨迹进行划槽,分析了不同线宽下的加工效果,接着采用多道轨迹进行了SiC/SiC复合材料的切断实验,分析了断面加工质量。在划切基础上从加工轨迹和激光功率两方面对SiC/SiC复合材料水导激光打孔进行了实验研究。本文搭建以纳秒绿光为激光光源的高耦合水压水导激光加工系统,结合仿真分析与实验研究了SiC/SiC复合材料水导激光材料去除过程,探索了SiC/SiC复合材料水导激光划切和打孔工艺,对SiC/SiC复合材料的高效精密加工有着重要指导意义。

关键词： 医用非晶合金   飞秒激光加工   表面形貌   化学变化   润湿性  

摘要： 与医用不锈钢、钛及其合金等常用的人体植入物材料相比,医用块体非晶合金兼具生物玻璃和生物金属材料的优良特性,拥有优异的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性,在生物医学领域表现出极大的潜力。目前常用的医用材料存在生物惰性、结合度不高等问题,通常需要进行复杂的表面处理以提高其生物相容性。非晶态合金处于亚稳态结构,常用的表面处理方法会破坏其独特的结构,影响其物化特性。而飞秒激光加工的作用脉冲宽度极短,具有很高的时间和空间分辨率,对基体的影响极小,在材料表面处理方面具有极大的优势。因此,开展新一代医用块体非晶合金飞秒激光加工研究具有重要的价值。为实现高效、高质量非晶合金表面处理,本文基于相关理论与实验研究,选取ZrTiCuAl医用块体非晶合金材料,以飞秒激光加工为手段,进行单点烧蚀、划线和大面积结构制备试验,计算了材料的烧蚀阈值,并对加工后表面微观形貌、元素组分和润湿性进行了检测分析。课题具体研究如下:(1)ZrTiCuAl非晶合金的不同脉冲下的烧蚀阈值研究。基于激光烧蚀阈值理论,设计不同能量和脉冲个数进行单点烧蚀试验,利用光学轮廓仪测量出烧蚀孔直径,建立起形貌尺寸与激光参数的关系,得出不同脉冲数下的烧蚀阈值。(2)不同参数下的飞秒激光单点烧蚀和刻槽划线研究。利用SEM和EDS对多参数下的飞秒激光加工形貌和元素成分进行分析。结果表明,飞秒激光加工会对材料表面进行氧化;单点烧蚀时,随着激光功率或脉冲个数的增加,在非晶合金出现深孔烧蚀区和微纳结构改性区;进行刻槽划线时,速度较低会导致表面堆积物较多,随着激光速度不断增加,材料去除量降低,在冲击压力下,可以有效去除烧蚀生成物,表面质量逐渐提高。同时还发现低速度下能量累积可能会对槽两侧的氧化层表现出“清洗”作用。(3)飞秒激光加工前后非晶合金表面湿润性研究。利用接触角测量仪对飞秒激光加工前后表面进行了测量并在3个月后再一次测量进行对比。研究发现,未加工ZrTiCuAl非晶合金本身具有亲水特性,而通过飞秒激光制备的不同微纳结构表面的接触角均明显降低,表现出优异的亲水特性。同时还发现,在空气中静置三个月后,未加工表面接触角减小,加工后表面接触角增大,亲水特性降低。(4)未加工非晶合金表面及加工后静置3月后表面化学组成变化研究。运用XPS对两组表面的元素组成及可能存在的化合物进行了检测分析。研究结果表明,未加工表面会在空气中形成主要由氧化锆构成的钝化层。研究还从表面存在的基团变化这一角度分析了加工后表面久置后,亲水性变弱的原因。本课题的研究成果可以为医用非晶合金的飞秒激光精密加工、亲水性表面的制备和种植体的表面处理提供技术上的支持和借鉴。

关键词： 激光   加工机床   设备终端   升级改良  

摘要： 激光加工机床设备在工程实际中得到了广泛的应用,但早期的激光加工机床设备终端由于设备的制造时间较早,设备的性能难以满足目前的使用需求,故需要对激光加工机床设备终端进行升级改良.本文详细分析了对激光加工机床设备终端进行升级改良的措施及方法.

关键词： 微流控芯片   梯形微通道   激光加工   多程平移法  

摘要： 微流控芯片(Lab-On-Chip)是操控微小体积的流体流动的系统。微米、纳米尺度的微通道是它的基本组成部分，因此制备高质量的微通道可以直接提高微流控芯片的性能。高质量的微通道一方面应有清洁的、光滑的底面，可以尽量无损的传导液体。另一方面，减少激光边缘低能量区生成的附加产物。传统方法中，激光能量的高斯分布会产生三角形的横截面。相比梯形、矩形微通道，它有更大的压强差使得流体的通量降低，影响芯片的稳定性。　　本文以制备高质量梯形横截面微通道为目标，创新性的提出一种基于激光的多程平移法，使用CO2激光、Nd∶YAG激光两种光源，进行了三部分的实验研究:　　1、方法参数确立及对照实验。多程平移法(Multi-pass translational method)是在一次激光刻蚀后，以首次刻蚀形成的热影响区(HAZ)为界限进行横向平移刻蚀。通过与传统的静态多次刻蚀的对照实验，改变平移次数等，证明这种新的方法在合适的参数下可以产生洁净的梯形PMMA微通道。　　2、多程平移法制备梯形微通道实验。基于CO2激光，建立了微通道质量评价体系，提出了新的评价标准“S”参数，并建立了激光多次平移消融光热材料的宽度与深度的数学模型。　　3、Nd∶YAG激光水下环境刻蚀实验。使用1064nm波段的固体激光在水下环境多程平移刻蚀，通过与空气刻蚀对比，结果表明水下刻蚀具有消除激光低能量区附加产物的优点和分散高能量区热量的缺点。　　上述研究表明，基于激光的多程平移法可以在光热材料上制备出高质量的梯形微通道，且具有操作简便、经济、计算量小的优点。其中，CO2激光条件下微通道形貌好、粗糙度低、消融效率高，但边缘毛刺和HAZ相对较大;Nd∶YAG激光水下加工时HAZ和边缘毛刺很小，便于微流控芯片键合，但加工效率与微通道形貌存在缺陷。因此，在实际应用中应根据需求选择合适的条件，平衡各个质量因子，得到所需要的微通道。本文的研究成果，对微流控芯片中高质量微通道的激光制备具有相应的参考价值。

关键词： 钢基体   镍基合金粉末涂层   等离子热喷涂   织构图案   激光加工   油润湿性   疲劳寿命  

摘要： 随着中国机械制造业的快速发展，轴承类零件在服役过程中发挥着重要作用。但轴承零件在运转过程中容易受到循环应力的作用产生疲劳裂纹，形成疲劳磨损，由此造成的失效带来严重的经济损失，因此对这些重要机械零部件提出了延长其服役寿命的要求。运用先进的表面工程技术改变零件表面的特性从而提高耐疲劳磨损性能是目前行之有效的方法之一，且能控制经济成本和减少环境污染。　　本文将等离子热喷涂技术与激光表面织构化技术相结合，在45钢基体上喷涂Ni60涂层并加工不同织构图案，综合分析了涂层对轴承表面性能的影响，并研究了不同织构参数对油的润湿性及接触疲劳性能的影响，进一步提高了工件的滚动接触疲劳性能。　　研究了激光加工参数在Ni60涂层表面加工织构图案的形貌，采用SEM评估表面形貌，通过三维扫描仪观察了织构图案的深度。发现改变激光功率和扫描速度可以得到不同直径的凹坑深度，改变加工次数可以得到不同宽度的条纹深度。激光加工Ni60涂层表面可明显提高织构图案的硬度，其硬度变化呈现出软硬交替相，这种表面结构能够阻止裂纹的扩展。　　采用正交试验法研究了凹坑织构图案对油润湿性及疲劳失效寿命的影响。发现织构图案的深度对油润湿性和疲劳失效寿命都是最大影响因素。随着深度的增大，油润湿性变差，疲劳失效寿命减小，两者具有映射关系。当面积率较小时，加工凹坑、条纹、网格状织构图案，发现凹坑状织构具有最佳抗疲劳磨损性能。　　对未激光加工试样和织构化试样表面及截面进行分析，得到织构图案影响接触疲劳寿命有以下四个机制：激光加工后提高了表面硬度;织构图案储存润滑油;织构图案容纳磨屑;织构图案减小了实际接触面积，增大了接触区应力。通过单因素试验进一步研究织构参数对油润湿性及疲劳寿命的影响，发现油润湿性及表面硬度共同影响疲劳寿命。

关键词： 飞秒激光   加工控制软件   飞秒激光加工平台   多芯光纤  

摘要： 飞秒激光加工技术是一种利用飞秒激光脉冲与物质相互作用,从而改变物质物理化学特性的先进加工技术。飞秒激光具有极短的脉冲宽度和超高的峰值功率,加工过程中的热影响区域小,属于典型“冷加工”工艺。同时,利用飞秒激光可进行加工的材料包括金属、半导体、透明介质材料等。此外,由于飞秒激光可与材料发生多光子吸收作用,所以利用飞秒激光加工可以完成突破物镜衍射极限的加工三维微纳结构,加工精度高。本论文研究工作围绕飞秒激光加工平台的可编程控制展开,实现了飞秒激光加工平台的可编程控制,为利用飞秒激光加工平台进行高精度、高效率的微纳加工做出了贡献。研究内容涉及飞秒激光加工平台的构建,加工控制软件的编写调试,以及完成多芯光纤端面的微纳结构加工,以验证所编写控制软件的可行性。本论文的研究成果包括:(1)系统总结了飞秒激光器的发展概况和飞秒激光加工的独特优点,详细介绍了飞秒激光加工平台国内外研究进展。(2)阐述了飞秒激光与透明介质材料的作用机理,详细介绍了飞秒激光加工平台设计,组成器件的工作原理及功能,最后成功搭建了飞秒激光加工平台。(3)设计并编写了加工控制软件,介绍了加工控制软件的工作原理以及相关功能,实现飞秒激光加工平台的可编程控制,并以七芯光纤的端面加工为例,成功地在多芯光纤端面上纤芯的位置加工6个具有连续深度差的微孔,深度分别为5.36μm,10.43μm,15.05μm,20.25μm,24.42μm和30.53μm,其中最大加工误差为0.53μm,满足误差允许范围,加工结果成功地验证了可编程控制软件的可行性。

关键词： 电子芯片   平板微热管   沟槽吸液芯   激光加工   传热性能  

摘要： 近年来，随着微电子技术和信息产业的快速发展，高功率，高集成度的电子芯片功耗不断增加，电子设备产生的热量越来越多，而且热流密度也越来越大。并且目前电子设备的整体结构一直朝着轻薄化、紧凑化的趋势发展，这就对系统散热提出了更大的挑战，迫切需要性能更加强大的热管理系统去解决这个问题。微热管是一种高效的利用相变进行传热的元件，已经在众多领域用于传热。吸液芯是微热管的核心部件，它的结构直接影响平板微热管的传热性能。沟槽吸液芯平板微热管的主要特点是重量轻、热响应快，具有较高的渗透率，这符合目前电子设备轻薄化的发展趋势。因此，本文采用激光加工的方法在铜表面制备沟槽吸液芯结构，通过图像拍摄的方法直接观察液滴在沟槽内的扩散和爬升过程，并以此对比不同深宽比沟槽吸液芯毛细压力的大小。测量不同深宽比沟槽吸液芯平板微热管的传热性能，最后将实验结果进行对比。本文主要研究工作如下：　　（1）实验研究不同波长脉冲激光加工铜基板的过程中材料的去除机理，探究不同加工工艺参数对沟槽吸液芯结构的影响，如扫描速度，扫描次数，扫描间距，以及填充方式等等对沟槽吸液芯结构和形貌的影响规律，并找到合理的加工沟槽吸液芯的工艺参数。实验中最终确定的激光加工工艺参数为：对于532nm绿光激光器，工艺参数为能量密度63.7J/cm2，扫描速度180mm/s，扫描间距50μm。对于1064nm红外激光器，工艺参数为能量密度46.8J/cm2，扫描速度200mm/s，扫描间距50μm;最后通过扫描电镜（SEM）和激光共聚焦观察沟槽表面形貌结构测量沟槽尺寸。　　（2）在激光加工功率，扫描速度，扫描间距等参数确定的基础上，通过改变扫描次数的方法加工出不同深宽比沟槽吸液芯结构。使用单反相机记录液滴在沟槽表面的流动情况，并分别在吸液芯水平放置和垂直放置时进行观察，对比相同时间内液滴的水平流动距离和垂直爬升高度，以此来比较不同深宽比沟槽吸液芯毛细压力的大小。　　（3）设计热管壳结构，使用焊锡膏和热风枪在400℃温度下对热管进行封装。搭建平板微热管的注液和抽真空系统，使用真空泵进行抽真空，最终微热管内部压力控制在0.1Pa以下。搭建平板微热管传热性能测试平台，使用电源和加热棒在不同功率下对热管进行加热处理，利用K型热电偶和数据采集仪分别采集不同深宽比沟槽吸液芯平板微热管蒸发端和冷凝端的温度，并计算出其热阻变化情况。通过对比近红外和绿光激光器加工的沟槽吸液芯平板微热管传热性能，发现近红外激光器所加工的微热管传热性能更佳，且具有更大深宽比的沟槽吸液芯平板微热管在相同条件下具有更小的热阻，且随着加热功率的增大，热阻呈现先减小后增大的趋势，最大加热功率为13W，对应的最小热阻为0.024℃/W。

关键词： 超疏水表面   激光加工   仿生   聚二甲基硅氧烷  

摘要： 固体材料的表面润湿性研究是表面化学的重要研究方向。在过去十几年的研究中,超疏水表面被认为具有结构新颖与功能强大的特点,在基础研究中具有相当重要的意义。另外,超疏水材料在实践应用中也备受关注,究其原因,可以理解为因其拥有卓越的防腐蚀,防水,自清洁和防污等特点。仿芦苇叶结构的超疏水表面在抗结冰和自清洁领域具有重要的应用。制备超疏水材料的典型方法包括自组装法、等离子体蚀刻法、电沉积法、静电纺丝法、溶胶-凝胶法、层层组装法、激光处理法、化学蚀刻法等方法。迄今为止,仍然缺乏制备仿芦苇叶结构的超疏水材料的简单方法。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种弹性高分子聚合物,通常通过以一定比例热聚合聚二甲基硅氧烷基质和相应的固化剂而形成。作为用于制备芦苇叶结构的超疏水材料,聚二甲基硅氧烷具有许多优点:原料成本低,制造周期短,耐久性好,柔韧性高,化学惰性好。在本课题中,在总结本课题组和国内外同行研究经验的基础上,我们通过激光烧蚀制备具有基于聚二甲基硅氧烷的仿芦苇叶结构的超疏水表面。具有微光栅结构的聚二甲基硅氧烷被激光烧蚀处理后,高能量的激光可烧蚀出多级微纳结构,提高表面粗糙度,同时具有超疏水特点;与在平行方向上测量的接触角相比,在垂直方向上测量的滚动角相对较小。该方法为激光制备仿生结构的超疏水表面提供了新思路。主要研究内容如下:(1)归纳总结有机高分子超疏水表面的最新进展,包括它们的理论基础,结构设计,制造方法和潜在应用。首先,我们将介绍自然中的超疏水现象及其相关研究进展。然后,我们将介绍基础理论发展。最后,我们将介绍适用于制造超疏水表面的常用方法。为接下来的实验提供一定的理论依据和方法。(2)首先,使用聚二甲基硅氧烷转写微米结构模板,以获得具有微米级的聚二甲基硅氧烷光栅结构。然后,使用二氧化碳激光器烧蚀聚二甲基硅氧烷微结构的表面以引入纳米结构,改变化学组成。最后,通过制备仿芦苇叶的微纳米复合结构,实现超疏水功能和各向异性的浸润性。该方法具有制备过程简单,方便,成本低等优点,有望成为制备超疏水表面的常用方法。

关键词： 激光技术   激光加工  

ISBN: (纸本)9787506692199

摘要： 本书收录了截至2018年12月发布实施的现行有效国家标准18项和机械工业行业标准1项，内容涉及：激光基础技术、激光器件和材料、激光设备、激光加工设备的使用安全要求、激光应用及相关领域。