关键词： 飞秒激光   刻蚀工艺   硬脆材料   蓝宝石   碳化硅  

摘要： 近年来,半导体行业快步发展,宽禁带的半导体凭借高的击穿电压、宽禁带、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点,在光电子器件、电力电子器件等领域的应用上正在迅速崛起。其中高透过率的硬脆材料亦逐渐在微光学器件中得到越来越多科研工作者的青睐。人们对微光学器件精度的需求越来越高,传统的技术手段如:机械法、干涉技术、二元光学以及直写技术的一些技术不足也就逐渐显现出来,特别是针对蓝宝石、碳化硅等透明硬脆材料来说,由于稳定的化学物理性质,严重地制约着在这种衬底材料上制备高精度的三维微光学器件。因此,探索能够在透明硬脆材料上制备微光学器件加工技术具有重要的研究意义。 针对传统方法对透明的硬质材料加工的制约和传统的飞秒激光加工的器件表面粗糙,大阵列器件加工效率低等问题。本论文提出了将飞秒激光加工与刻蚀方法相互结合,探究在透明的硬脆材料上制备高精度三维微光学器件的方法。主要针对以下几种方法进行了探究和实践工作:首先,针对硬脆材料表面高质量复杂三维微光学器件制备难得问题,发展了飞秒激光灰度加工技术,即利用飞秒激光双光子聚合技术制备光刻胶三维灰度模版,然后通过反应离子刻蚀实现光刻胶结构向硬脆材料基底的转移,验证了飞秒激光结合刻蚀工艺在硬脆材料上制备高精度三维微光学元器件的可行性;第二,针对飞秒激光加工硬脆材料效率低的问题,提出了飞秒激光壳层改性加工技术,实现了蓝宝石衬底微光学器件的高效制备;第三、针对硬脆材料上毫米级透镜及复眼制备难的问题,拓展了离子束辅助激光加工技术,为大尺寸复杂面型微光学器件的高效率高质量制备提供了解决方案;第四、设计并制备了一种基于碳化硅微透镜阵列的光束匀化与分光集成器件,基于微透镜阵列的波前分割再叠加机制实现了光束的匀化,而且结合菲涅尔反射随光入射角度的变化规律,实现了光束匀化与分光的集成。具体的研究工作如下: (1)借助双光子聚合技术,利用飞秒激光在光刻胶内部完成高度灰度模板的制备,完成三维结构的掩模图型的制备,然后利用光刻胶和蓝宝石不同的刻蚀速率,结合干法刻蚀工艺完成图形由光刻胶到衬底材料的转移工作。通过该方法,得出了光刻胶和蓝宝石的刻蚀速率比大概为5:2的结论;在蓝宝石衬底上制备出相同周期,不同高度和不同周期,相同高度的闪耀光栅结构;并利用闪耀光栅结构制备了涡旋光束发生器,获得了所需能级的衍射图形;利用光刻胶作为掩膜,可以在蓝宝石衬底上制备三维微光学元件,利用高度型灰度模版为透明硬脆材料上真三维结构的加工提供了可行性方案;(2)利用Zemax软件仿真获得微透镜的曲面参数,然后结合模拟仿真的微透镜参数利用飞秒激光在蓝宝石衬底内完成相应的微透镜壳层结构加工,然后通过湿法刻蚀工艺移除壳层结构,完成微透镜雏形的制备最后通过干法刻蚀工艺对微透镜表面进行抛光处理,获得表面质量较好的微透镜结构。对于传统湿法制备微透镜工艺,首先蓝宝石要在高温下才会与湿法刻蚀的腐蚀液发生反应,其次,不同材料采用湿法刻蚀都会有着无法避免的各项同性,这样制作出的微透镜表面较为粗糙,不能获取高质量的成像;针对此种情况,后续利用干法刻蚀完成表面的抛光处理,获取了高质量的微透镜结构;通过湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺辅助加工技术可以在硬脆材料上完成高质量微透镜的制备,并在一定程度上提高了微光学器件的加工效率;(3)利用离子束刻蚀在蓝宝石衬底上直接加工毫米级大尺寸的微透镜单元,然后在大尺寸微透镜内部利用传统的飞秒激光烧蚀完成内部小透镜单元的制备;验证了离子束聚焦度、离子枪束流和刻蚀时间对硬脆材料蓝宝石加工工艺的影响,当离子束聚焦度和离子枪高压增加时,硬脆材料的加工深度也会随之增加;刻蚀时间的增加可以在一定程度上增加材料的刻蚀深度,当达到一定时间后,由于离子束偏转角度在材料加工区域趋于稳定,样品深度不再增加。对内部小微透镜阵列,分别利用湿法刻蚀和干法刻蚀技术做了对比实验,实验结果发现,干法刻蚀工艺制备的微透镜阵列的填充率不高,小透镜之间有较大的间隙;而采用湿法刻蚀工艺后,小透镜的填充率会有明显改善,但整体透镜的形貌变成了柱透镜,这种变化是由于腐蚀液在材料改性区域移除后,材料各项同性的刻蚀所引起的。将干法刻蚀与湿法工艺刻蚀相结合就可以实现了在硬质材料上大尺寸微透镜的加工制备工作,为提高大尺寸的微光学器件制备加工效率提出了新的方案;(4)利用飞秒激光加工在碳化硅材料表面进行逐点改性,探究了碳化硅表面微凹透镜的直径与深度和飞秒激光功率和脉冲数的关系,实验结果表明随着飞秒激光功率的逐渐增加,硅基微凹透镜的直径和高度也逐渐增加;随着激光脉冲数的增加,硅基微凹透镜的直径和高度先逐渐增加,然后逐渐减小;通过干法刻蚀完成碳化硅表面改性区域的移除和提高微透镜阵列的填充率,最终制备的微透镜阵列实现了优良的光束匀化效果,并实现了分束比从1.2到3.2的动态可调节。这种方案验证了飞秒激

关键词： 激光加工   仿生超润湿   液体注入表面   雾水收集   气泡操纵  

摘要： 激光加工凭借其加工精度高、结构可控性高及材料适用范围广的特点,已发展成为一种极具竞争力的材料表面微纳结构制备的新方法。并且相较于传统的化学刻蚀和机械加工,它打破了传统加工方式对材料种类和尺寸的限制,使其更适应当今材料表面功能化技术的发展。由于制备微纳结构是制备特殊润湿性材料的必经途径,所以激光加工技术也被广泛应用于制备仿生润湿性材料。我们以表面润湿性为理论基础,受多种生物启发,利用简单地激光选择性加工,辅以化学刻蚀及改性修饰,设计制备了一系列可用于高效雾收集、气泡运输、抗结冰、防污、自清洁的结构化功能表面,并研究了液滴和气泡在功能表面的传输机理,主要工作内容如下: (1)淡水资源匮乏是全世界都在努力解决的问题,对于生活在干旱地区的许多生物来说,快速高效地从雾中捕获水分是一个很好的解决方案。与超疏水表面相比,润滑油注入的超滑移表面具有出色的水滴捕获和传输特性。在滑动角非常小的同时不易产生水膜,可有效提高雾气收集效率。我们通过激光刻蚀灵活调整微纳结构的形状和尺寸,通过氨碱刻蚀将纳米线均匀地覆盖在微米尺度的微柱、凹槽和孔洞的复合结构上,再用旋涂法注入硅油,就得到了具有微纳米分级结构的润滑油注入表面。在我们构建的微纳米分级结构的协同作用下,注入润滑剂的超滑移表面表现出优异的稳定性和高效的液滴捕获、聚集和去除特性,大大提高了雾气收集效率(是原始样品的207.9%)。更重要的是,该表面具有出色的稳定性、延缓结冰性和耐酸碱性,有望在各种极端环境下使用。 (2)水资源短缺是一个全球性问题,对人们的生产和生活产生了巨大影响,如何尽可能多地获取淡水是当前急需解决的问题。受雨伞、瓦楞纸和沙漠甲虫的启发,本文提出了一种结合宏观结构和表面润湿梯度的高效雾气收集器。这种集雾器整体呈倒置伞状结构,伞面呈类瓦楞纸的波纹状结构,五角星形的亲水凸起均匀地分布在伞面上。当亲水凸起的数量为176个,且波纹结构的下棱与水平面成30°时,雾气收集器的最佳雾气收集效率为原铜片的231.5%。此外,还进行了沙粒冲击试验和抗紫外线试验,以测试样品的实际应用情况。经过长时间的紫外线照射和多次沙粒冲击后,接触角仍保持在150°以上。此外,该雾气收集器不仅使用的材料丰富易得,而且制备简单高效,为今后设计高效雾气收集器提供了新思路。 (3)在固体基底上灵活操纵水下气泡已引起电解水、气泡微反应、药物递送和热传递领域科学家的极大研究兴趣。受水生生物氧气结合机制的启发,科学家们设计了一系列界面材料,用于气泡收集、检测和分类以及进行微气泡反应。由于亲气表面具有出色的气体捕获特性,因此常被用于水下气泡操纵。然而,在气泡输送过程中,部分气泡会滞留在亲气表面的粗糙结构中,造成气体流失,长此以往会降低气体输送功能。此外,在高湿高压的水下环境中,亲气表面容易失效。润滑剂注入的超滑移表面由于油层的存在,可在粗糙的基底上保持稳定,且与水不相溶。此外,气泡在油层上传输时,除了溶解在水中的气泡外,不会造成其他损失,这些特性使其比亲气表面更有优势。受猪笼草和仙人掌刺启发,我们通过激光蚀刻和氨碱蚀刻技术开发出了一系列的图案化润滑油注入表面(PLIS),使得超疏气性和亲气性在同一表面共存。PLIS利用78°的润湿性差异捕捉气泡,通过拉普拉斯力和浮力输送气泡,并通过限制PLIS表面的接触面积来调节气泡的释放。PLIS的制备速度快且成本低廉,制备时长仅需一小时左右,具有大规模生产的潜力。经过高速剪切、耐酸碱和耐腐蚀等测试后,PLIS显示出令人印象深刻的耐候性,具有在某些极端环境中应用的潜力。

关键词： 金属陶瓷涂层  

ISBN: (纸本)9787564658625

摘要： 本书基于超音速火焰喷涂技术和激光重熔技术，以改善Ti6A14V钛合金耐磨性为目的，以理论分析、数值模拟、试验研究、涂层质量优化及控制为主线，研究了微米结构及微纳米结构WC-12Co涂层对金属表面的防护机制。

关键词： 特种加工  

ISBN: (纸本)9787111769132

摘要： 本书面向2035年，系统阐述了我国特种加工技术的发展现状、社会需求、应用前景、研发重点、关键技术及建议的发展路径，提出了未来的发展目标和实现措施。全书共七章，第一章和第二章论述了特种加工技术的需求环境和典型应用，分析了特种加工技术面临的发展机遇和挑战，提出了特种加工技术未来的发展趋势；第三章至第六章从产业需求、典型装备、关键技术等方面对电火花加工、电化学加工、激光加工和超声加工技术分别进行了论述，提出了不同时间节点的发展重点与实现路径，并预测了可达成的目标；第七章提出了路线图的实施建议。

关键词： 碳纤维增强复合材料   仿生粘附结构   粘附力学模型   激光加工   胶接性能  

摘要： 碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)因其比模量高、比强度高、抗腐蚀且质量轻等特点,被广泛用于航空航天领域。胶接以不破坏基材、密封性好且轻质的优点,成为目前CFRP连接件的新型连接方式。而CFRP表面粘附性较低,使胶接件胶接性能无法满足航空航天关键件的制造要求。本文受壁虎自由爬行现象的启发,针对CFRP表面粘附性低的问题,提出在CFRP表面制备仿壁虎足底粘附结构,达到提高CFRP胶接件胶接性能的目的。结合仿真模拟和实验表征等技术,首先研究CFRP上单根仿生刚毛的粘附力学行为,对仿生结构尺寸进行设计;然后分析激光与CFRP相互作用机理,对CFRP上的仿生粘附结构进行激光制备;最后构建CFRP仿生结构表面粘附特性—胶接性能—模型优化闭环,以提高粘附力学模型的预测精度。本文的主要研究内容如下: (1)CFRP仿壁虎足底粘附结构的粘附力学研究 参照壁虎自由爬行的行为,以仿壁虎足底粘附结构为研究对象,根据经典力学理论模型和壁虎足底粘附结构的粘附特性,建立了CFRP表面仿生结构的粘附力学模型,研究了仿生刚毛尺寸对仿生结构粘附力的影响规律。分析了胶接剂在微沟槽内的流动过程,揭示了仿生结构内胶接剂的流动机制,验证了粘附力学模型预测结果的有效性,制定了可以提高CFRP表面粘附性的仿生粘附结构设计原则。研究发现,仿生刚毛的长度和密度影响了胶接剂流量,仿生刚毛的倾角决定了胶接剂的流向,存在最佳长度和倾角使仿生结构的粘附力达到最大。 (2)激光加工CFRP的烧蚀机理和去除规律研究 为了规划CFRP仿生粘附结构的激光加工工艺参数范围,基于ANSYS有限元软件建立了考虑碳纤维和树脂两相的CFRP微观异质激光加工有限元仿真模型,分析了CFRP在短脉冲激光作用下两相的去除过程。通过分析单脉冲激光烧蚀效果,揭示了材料烧蚀形态和CFRP表面温度场的变化规律。通过对CFRP进行双脉冲单向和多向的烧蚀,分析了激光工艺参数对CFRP烧蚀质量的影响规律,并通过激光工艺实验验证了仿真模型的有效性。研究发现,存在最佳光斑间距和扫描方向,使CFRP烧蚀区域的材料剩余梯度和热影响区宽度最小。 (3)CFRP仿生粘附结构的激光制备方法研究 通过对CFRP表面进行非仿生结构激光加工实验,揭示了不同图案对CFRP表面粘附性的影响机制,获得了高粘附性CFRP表面的改性图案特征,阐明了CFRP表面仿壁虎足底粘附结构制备的必要性。基于CFRP仿生结构的设计原则和激光加工CFRP仿真模拟的工艺参数范围,利用激光环状等间距扫描路径加工技术对CFRP表面仿生结构进行了制备,并通过对其表面进行了系统的微观形貌、元素类型及接触角观测和分析,揭示了仿生结构尺寸对CFRP表面粘附特性的影响机制,为仿生结构改性表面后CFRP胶接件胶接性能的评价提供理论基础。研究发现,相比于非仿生结构,仿生刚毛间沟槽内密集分布的氧元素为CFRP表面提供了更好的润湿性,仿生刚毛的尺寸在影响其表面能大小的同时,也决定了仿生结构的粘附能力。 (4)CFRP仿生结构表面胶接性能研究 通过对比非仿生结构和仿生结构改性表面后CFRP胶接件的胶接强度和失效模式,阐明了仿生结构在提高胶接性能方面的突出性。根据仿生结构粘附力学模型预测结果和仿生结构的表面物理化学特征,分析了仿生结构尺寸对胶接件胶接强度和失效模式的影响规律,建立了仿生结构尺寸、表面特征与胶接性能间的相互映射关系,揭示了仿生结构对CFRP表面粘附性的作用机理。并基于已有研究结论,对仿生结构粘附力学模型进行了优化,提高CFRP表面粘附力的预测精度。研究发现,仿生结构改性表面后的CFRP胶接件胶接强度最大可提升56.8%。 综上所述,本文针对航天航空设备对CFRP胶接件高胶接强度的迫切需求,采用激光微加工工艺制备了具有高粘附性的仿壁虎足底粘附结构CFRP胶接件。通过对材料表面特征、仿生结构粘附力学性能及胶接件的胶接性能研究,验证了仿壁虎足底粘附结构具有优异的粘附性能。上述研究为激光可控制备CFRP仿壁虎粘附结构胶接件提供了实验和理论基础。

关键词： 气液电火花加工   电火花加工   钛合金   表面改性  

摘要： Ti-6Al-4V钛合金以其优异的性能而被广泛应用于航空航天、生物医疗、化学工业和汽车制造等领域。但是传统机械加工方式加工Ti-6Al-4V钛合金较为困难,因此常用电火花加工Ti-6Al-4V钛合金。但传统电火花加工Ti-6Al-4V的表面质量较差,降低了其使役性能。为了解决这一问题,本文针对Ti-6Al-4V的理化特性,创新的提出了利用氮气辅助电火花加工(Nitrogen gas assisted EDM,NAEDM)技术来实现对Ti-6Al-4V钛合金的表面改性。本文对氮气辅助电火花加工工艺进行了基础研究,探究了峰值电流、脉冲宽度、电极转速和气体压力对表面形貌、表面粗糙度、加工性能和重凝层厚度的影响规律,并研究了表面改性的效果。根据试验结果,分析了氮气辅助电火花加工的机理。主要的研究内容及结论如下: (1)搭建了一套氮气辅助电火花加工系统。设计并制造了一套旋转电极气液混合装置,高纯氮气通过多孔电极经过气液混合后到达工件表面。 (2)开展了氮气辅助电火花加工Ti-6A1-4V钛合金的基础试验,并与传统电火花加工进行了比较。以峰值电流、脉冲宽度、电极转速、气体压力为试验因子,对不同参数下的表面形貌、表面粗糙度、放电稳定性、材料去除率和重凝层厚度进行了分析。结果表明,在液体介质中混入氮气可以获得比传统电火花更小的放电凹坑,提高表面平整性,但材料去除率会有所降低,通过提高峰值电流和脉冲宽度可以获得更高的材料去除率。相比于传统电火花,氮气辅助电火花加工的表面粗糙度更低,将电极转速从60RPM提高到180RPM或将进气压力从0.005MPa提高到0.02MPa可以有效降低表面粗糙度。受氮气介质导热性低的影响,氮气辅助电火花形成的重凝层更厚,气体的冲刷作用使重凝层的厚度更加均匀。 (3)采用氮气辅助电火花工艺对Ti-6Al-4V钛合金进行了表面改性。研究了改性后的表面成分、微观组织和微观硬度及其形成机理,对不同峰值电流下的表面润湿性、摩擦学性能和耐腐蚀性能进行了探究。氮气辅助电火花表面形成的Ti N硬质相使其表面硬度相较于传统电火花提高了31.18%,同时Ti N的自润滑特性降低了摩擦系数,提高了耐磨损性能。氮气辅助电火花的表面形貌和Ti N的形成使其表面具备了疏水特性,在峰值电流达到11A时表现出超疏水性能。更厚的重凝层和更少的表面缺陷提高了抵抗溶液入侵的能力,获得了更高的耐腐蚀性能。 (4)对氮气辅助电火花放电间隙内的气液两相流体的速度场、压力场和体积分数进行了仿真。根据仿真结果,氮气辅助电火花实际存在气液和气中两种加工状态,据此改进了电极摇动策略,获得了更加均匀一致的表面。

关键词： 宽禁带金属氧化物半导体   紫外光电探测器   SnO2薄膜   偏振光探测器   超快飞秒激光工程  

摘要： 紫外光电探测器（Ultraviolet Photodetectors,UVPDs）具有将紫外光精确转换为电信号的能力,是天文观测、光通信、生物医学成像和军事防御等领域中的重要组件之一。氧化锡（SnO2）,由于其突出的光电特性、超高的透光性、合适的禁带宽度（3.6-4.2 e V）,及其对紫外光谱良好的吸光性,近年来,已成为紫外光电探测器应用中炙手可热的目标材料。基于SnO2二维（2 Dimension,2D）薄膜结构虽然便于器件加工、与半导体工艺兼容,但是因其内部存在的高密度缺陷态从而形成持久性光电导效应（Persistent Photoconductivity,PPC）,导致了对紫外光信号的超慢响应,限制了其在光电子器件中的应用。受到微纳米器件工程的启发,单根SnO2微/纳米线一维（1Dimension,1D）结构的UVPDs表现出极高的响应度以及极短的响应时间。然而,很难通过现有溶液法或化学气相沉积工艺制备出具有有序排列的规则微/纳米线,同时,单根微/纳米线器件制作与封装的技术难度大、成本高。 制造高质量有序的低维结构（如微/纳米线和取向膜）是实现横向光电导型UVPDs的一种实用策略,可使得所制备UVPDs同时具有1D微/纳米线优异性能和2D薄膜便于器件加工的优势。本论文中,我们采用了辅助吸收中间层超快飞秒（Femtosecond,fs）激光微加工技术来诱导制备SnO2微米线阵列（Microwire Arrays,MWAs）薄膜。首先通过射频磁控溅射镀膜技术在Si O2衬底上沉积一层SnO2薄膜,再通过超快fs激光微加工技术在所得SnO2薄膜上诱导得到SnO2 MWAs,最后在SnO2MWAs薄膜上沉积金属电极,得到基于SnO2 MWAs薄膜的UVPDs。所获得的基于SnO2 MWAs膜的UVPDs在UV光谱区表现出优异的灵敏度和响应时间。此外,基于微米线阵列的各向异性,探究了器件的偏振光敏感性。通过引入偏振比率ω=Imax/Imin对器件的偏振敏感度进行定量评价。此项工作为优化2D SnO2薄膜型UVPDs光电性能提供了一个创新可行的新思路。