关键词： 飞秒激光   复耦合模型   动态吸收率   扫描速度   烧蚀形貌  

摘要： 面齿轮在许多航空航天、船舶等大型机械装备中起着关键传动作用,具有大量优点,但面齿轮的齿形是一种复杂的曲面,对其精微加工的技术要求较高,国内的面齿轮能够达到的精度远远不如国外,而国外在这些先进制造技术方面对我国进行封锁。为解决这种制造困难和精度不足的问题,本文采用飞秒激光精微加工的方法对面齿轮的表面余量进行去除,研究飞秒激光参数和加工工艺参数对面齿轮齿面形貌的影响规律,从而在提高面齿轮表面精度方面提供一种新型加工方法。本文研究了飞秒激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA过程中的烧蚀机理,分析了飞秒激光精微去除面齿轮材料的作用方式,揭示了飞秒激光烧蚀面齿轮材料的复杂的物理过程,分析了随着温度的变化而发生变化的热力学参数,在光子与电子,电子与晶格之间温度传递的双温模型的基础上建立了耦合这些动态热力学参数的复耦合模型。在建立的复耦合模型的基础上考虑晶格与晶格之间的传热,建立了三温传热模型。基于建立的模型通过有限元软件计算得到了飞秒激光烧蚀面齿轮材料时齿面温度场的分布规律,揭示了飞秒激光烧蚀面齿轮材料过程中电子晶格之间的温度传递变化过程。单脉冲加载时,发现随着飞秒激光能量密度的增大,电子达到的最高温度在逐渐增大,电子与晶格耦合达到的最终平衡温度也在逐渐增大,耦合时间也有略微的增加;随着脉冲宽度的增大,电子最高温度逐渐减小,并根据复耦合模型计算出的温度预测了去除高于蒸发温度的材料烧蚀形貌;多脉冲加载时,随着能量密度的增大,电子最高温度增大,最终材料表面平衡温度也在增大。揭示了飞秒激光烧蚀面齿轮材料过程中,电子晶格温度的变化对烧蚀形貌产生的影响规律。研究飞秒激光扫描加工面齿轮时,通过分析激光热源项,将激光光斑移动路径进行了x和y方向的规划,考虑飞秒激光多脉冲能量累积效应,分析了不同扫描速度和不同间距下的飞秒脉冲激光能量累积强度和分布尺度;发现随着扫描速度和扫描间距的增大,多脉冲累积能量强度有一定的减小,能量分布尺度在增大。揭示了飞秒激光扫描加工面齿轮材料过程中,能量累积强度对烧蚀形貌产生的影响规律。分别对面齿轮材料进行单脉冲飞秒激光打点加工实验、线加工实验和面加工实验,通过改变激光能量密度、脉冲宽度、扫描速度和扫描间距分析了面齿轮齿面烧蚀形貌和齿面粗糙度的变化规律。优化了飞秒激光加工面齿轮材料的激光参数与工艺参数。这些为提高飞秒激光扫描加工面齿轮材料的表面形貌质量提供了研究基础。

关键词： 激光加工   激光诱导石墨烯   激光界面烧蚀   超级电容器   软件开发  

摘要： 激光界面加工继承了传统激光加工响应速度快、加工区域精准灵活、非接触制造的优势,利用激光通过透明基板聚焦基板-材料界面实现对界面的精准调控,在微纳制造、转印、图案化打印等方面有着广阔的应用前景。本文基于激光诱导石墨烯技术,提出了激光界面烧蚀生成图案化石墨烯电极的工艺,构建了超级电容器的“一步式”制造工艺,并对电容器性能进行了测试研究,最后完成了激光界面加工原理样机软件开发,并在样机上验证了该工艺的可行性,主要研究内容包括以下几个方面:(1)提出了激光界面烧蚀制备图案化电极的加工方法,在此基础上探究了激光界面烧蚀的碳化过程,得到激光界面烧蚀石墨烯的工艺窗口。相比激光表面烧蚀石墨烯工艺,本论文提出的方法所制备的石墨烯在图案线宽、导电性能和生成质量上极具优势,最低方阻可达8Ω/sq,是目前所有激光烧蚀聚酰亚胺(Polymide,PI)制备石墨烯的报道中,所制石墨烯方阻最小的。进一步,系统地研究了激光烧蚀功率、烧蚀速度以及重复扫描次数这三种工艺参数对石墨烯的表面形貌、线宽、导电性能以及生成质量的影响规律,为后续器件制造的参数选择提供指导。(2)基于上述提出的激光界面烧蚀工艺,完成了石墨烯基超级电容器的“一步式”制造,并对所制器件的面积比电容、库伦效率、循环稳定性等关键性能指标进行了测试,在5 m V/s的扫描速度下,器件拥有4.860 m F/cm的面积比电容,相较于激光表面烧蚀所制备的器件比电容提升了38.5%,这得益于激光界面烧蚀工艺所制石墨烯电极拥有更低的方阻。为了进一步提升器件性能,基于激光界面烧蚀工艺制备了LIG-Mn O复合电极,并完成了器件的“一步式”制造,测试表明Mn O材料的掺入将器件的比电容提升了25%以上。(3)开发了激光界面加工装备软件系统。以激光界面加工装备原理样机的硬件为基础,集成了激光界面烧蚀石墨烯、激光剥离、激光前向转移等多种激光界面调控工艺,并对软件系统中所集成各种工艺进行了可行性验证。

关键词： 纳皮秒双脉冲激光   碳纤维增强树脂基复合材料   能量耦合   蚀除机理  

摘要： 碳纤维复合材料(CFRP)凭借其较为出色的物理和化学性质,被广泛应用在各大工程领域,受到了各行各业的广泛关注。CFRP材料主要由环氧树脂和碳纤维复合而成,两者热力学性能差异较大,碳纤维中的纤维丝强度较大且熔点较高,难以去除;而环氧树脂基体的熔点较低,较易去除,这导致对CFRP材料的加工难度较大。激光加工是将激光光束进行聚焦以后再照射材料进行的加工,没有工具损耗的现象,同时避免了传统机械加工时会出现的如分层、拔丝等典型缺陷。双脉冲激光加工首先利用超短脉冲激光照射材料,对材料表面进行改性,提高材料对激光的吸收率,接着利用大功率的短脉冲激光对材料进行加工。纳皮秒双脉冲激光加工是一种能够将纳秒激光加工的高效率与皮秒激光加工的高质量特点相结合的一种对CFRP材料进行高效高质量加工的方法。首先,本文通过等离子体物理和高能激光等理论,研究纳皮秒双脉冲激光与碳纤维复合材料的作用机理。根据Fokker-plank方程、双温模型、drude模型对皮秒脉冲激光与CFRP的能量耦合过程进行了研究,根据傅里叶传热定律分析了纳秒激光与材料的能量传递过程。在此基础上,建立了双脉冲激光作用碳纤维复合材料的能量耦合模型。其次,建立了纳皮秒双脉冲激光与CFRP材料作用的数值计算模型,通过数值仿真计算了纳皮秒双脉冲激光照射碳纤维复合材料过程中,材料表层不同位置处自由电子浓度、光学性质和蚀除形貌等的变化规律,并与皮秒单脉冲激光作用的结果进行了对比分析。再次,分析了纳皮秒双脉冲激光在不同双脉冲和多脉冲组合以及不同双脉冲能量配比下,材料表层自由电子浓度、吸收系数、材料吸收激光能量引起的温升等的变化规律,并通过仿真分析了不同脉冲组合和能量配比对材料蚀除深度和蚀除宽度的影响规律。最后,在理论和仿真研究的基础上,设计了双脉冲激光加工实验光路,搭建了纳皮秒双光束激光加工平台,开展了纳皮秒双激光对CFRP材料的划槽实验。通过外延法对纳皮秒双激光作用碳纤维复合材料的烧蚀阈值进行了测算。选取不同的加工速度、加工次数、重复频率和离焦距离等激光参数,对CFRP进行微槽加工,并分析了不同激光参数对加工结果的影响。合理选取激光功率、加工速度、离焦距离和重复频率等工艺参数可以有效改善双脉冲激光加工CFRP的加工质量和加工效率。本课题对研究纳皮秒双脉冲激光与材料作用时的加工状态以及纳皮秒双脉冲在不同脉冲序列下与材料的作用关系具有一定的指导意义,为纳皮秒双脉冲激光加工CFRP的研究提供一定的理论与技术支撑。

关键词： 菲涅尔波带片   飞秒激光   衍射特性   空间光调制器   方形波带片   环形波带片  

摘要： 菲涅尔波带片是重要的衍射光学元件,在航空母舰光学助降、太空望远镜柔性透镜、电脑断层扫描、太阳能光伏等方面有广泛的应用,是强化国家战略科技力量、抢占科技制高点的核心所在。随着光、机、电系统一体化、集成化发展,菲涅尔波带片的特征尺寸已达到微米、纳米级。传统的微光学元件制备采用掩模光刻法,加工环节多,掩模板制作复杂。飞秒激光直写加工技术无需掩模板,且具有加工材料范围广、加工精度高、加工非热熔性等突出优势,成为了制作微型菲涅尔波带片的重要方法。在菲涅尔波带片的飞秒激光加工和衍射特性研究中,存在几个问题亟待解决:飞秒激光直写加工效率较低、表面质量有待提高,须优化加工工艺;光学系统对菲涅尔波带片衍射特性要求越来越高,衍射率、分辨率和焦深需要进一步提高;随着应用领域的扩展,传统圆形结构波带片已无法满足非圆周对称光束整形的应用需求,亟需研发新型波带结构。针对上述问题,本文开展了如下研究:(1)基于湿法腐蚀和空间光调制的方法,实现了飞秒激光加工表面质量和加工效率的提高。通过湿法腐蚀工艺,将微槽壁面和底部的突起物腐蚀掉,使粗糙度下降75.68%。当低于烧蚀阈值的飞秒激光辐照砷化镓时,辐照区产生氧化物,材料晶胞增大、晶向改变,腐蚀效率提高近10倍;利用空间光调制器对飞秒激光进行相位调制,消除零级光的影响,将激光光场的高斯分布调控为环形分布。调制后加工过程从单焦点串行加工优化为图案化加工,可实现单次曝光加工一个波带,使单波带片的加工时间从90分钟缩减到90秒,极大提高了加工效率。(2)优化了圆形菲涅尔波带片的衍射特性,实现了衍射率、焦深、分辨率的提升。基于物理光学模型对菲涅尔波带片建模,以仿真计算和实验加工的方法研究衍射特性优化规律。通过提高波带高度一致性、增加高宽比、消除改性区,使波带片衍射率从6.96%增加到8.4%;分割传统波带片设计了分形波带片,焦深从6 mm提高到10mm,有效提升了焦深,且未对分辨率造成负面影响;合并外圈波带设计了拓展波带片,焦点半径从12.6μm减小到8μm,不仅突破了加工最小线宽的限制,还有助于提高成像分辨率;此外,将圆形波带片应用到多模光纤,在纤芯端面制备出半径为52.5μm的微尺度透镜,使出射光发散角减小19%,可提高光耦合效率。形成了半径82.5μm、宽度11.82μm的聚焦环,可应用于高精度光镊粒子操作。(3)创新了菲涅尔波带片结构,实现了新的衍射特性。设计制备了环形结构波带片,聚焦后得到了中心没有亮斑的单环激光束和双环激光束,弥补了现有环形光束存在中心亮斑的缺陷。调节结构参数,可以灵活实现环形光束的半径和焦距调节;设计制备了多种方形波带片,对比研究了线性波带片、正方形波带片、正交波带片与圆形波带片衍射特性的异同,实现了线聚焦和十字聚焦。通过相位平移,实现了井字聚焦,还调整得到了任意长宽比的矩形衍射图样。非传统形状的激光束在光束整形、光学涡旋、阵列发生器等领域拥有广阔的应用前景。图122幅,表9个,参考文献193篇

关键词： 微细电火花加工   谐振式无线电能传输   传输特性   系统结构  

摘要： 随着航空航天、国防和半导体等高精尖行业的发展,带有硬脆属性材料的加工需求越发旺盛,而旋转微细电火花加工技术作为硬脆属性材料加工的重要方式之一也得到了迅速发展。然而在传统的旋转微细电火花加工技术中仍然存在着电极旋转速度不高、无法自动更换刀具等问题,这些问题阻碍了该技术在加工精度和自动化方面的进一步发展。谐振式无线电能传输技术的出现为解决这一问题提供了方案,其具有供电双方无接触、传输距离远、传递效率高和较低的位置要求等优点,尤其适合电火花加工系统。但是谐振式无线电能传输技术的研究多停留在实验室阶段,将该技术实际应用在生产生活尤其是特种加工方面尚不多见。因此,本文从实际应用的角度出发,对旋转微细电火花加工的谐振式无线供电系统设计中的关键问题进行研究,主要内容如下:(1)针对谐振式无线电能传输系统的四种基本电路结构进行建模分析,得出了系统输出功率、传递效率和原副边补偿电容的表达式,并根据微细电火花加工的特点选择串联补偿与串联补偿结构作为电路的基本结构,探究了互感值、谐振频率和负载阻值对系统的影响,得出了最大输出功率下各关键参数的最佳取值。(2)对无线供电系统中的关键部件—谐振线圈进行研究,得出线圈中各个参数的选用规律。根据微细电火花加工中的波形要求,提出了两种满足要求的波形变换方案,并通过软件仿真验证了方案的可行性。(3)通过理论计算和仿真模拟测试两种方法对系统的特性进行研究,得到负载阻值、系统频率、两线圈相对位置和铁氧体屏蔽材料对系统特性的影响规律,以此验证系统处在不同环境下的适应能力。(4)搭建谐振式无线电火花加工供电系统实验平台,并对得出的无线供电系统中不同参数下系统输出功率的变化规律进行实验验证。通过对比理论计算和仿真实验的结果,可以发现两者总体规律一致且误差较小,证明了系统的合理性。

关键词： 玻璃   皮秒激光   表面形貌   润湿性   高黏附性  

摘要： 玻璃是一种高硬度、高脆性、高透射率的透明材料,具有良好的热性能与电性能,被广泛应用在多种行业。也正是由于玻璃的这些特性,传统的机械加工方法已不能满足玻璃表面的精密加工要求。激光加工具有操作简单、高速、无污染等优点,使其成为了具有潜力的超精密加工技术。本文基于激光与材料相互作用的基础理论和皮秒激光加工的技术,结合低表面能物质化学改性的方法,制备了具有高黏附性的超疏水玻璃表面。研究了不同激光参数对玻璃表面形貌、表面润湿性和表面黏附性的影响,进行了表面耐磨性试验,简单讨论了制备的高黏附性超疏水玻璃表面在液滴运输应用中的可能性。本文的主要研究内容为:(1)皮秒激光与玻璃材料相互作用的基础理论。基于玻璃材料对激光的吸收机制,推导出玻璃表面激光吸收率的计算方程,研究了激光入射角度与玻璃折射率对玻璃表面激光吸收率的影响。基于外推法,在玻璃表面使用不同激光脉冲能量烧蚀圆坑,通过线性拟合,推算出玻璃材料的烧蚀阈值为1.739 J/cm。基于激光与材料的相互作用现象,推导了等离子体的产生阈值,模拟了不同激光能量诱导出的等离子体能量密度分布,研究了等离子体对材料的微加工过程。(2)直接激光烧蚀和激光诱导等离子体辅助烧蚀在玻璃表面制备单通道微沟槽的对比研究。分别使用直接激光烧蚀和激光诱导等离子体辅助烧蚀在玻璃表面烧蚀微沟槽结构。对比研究了两种激光加工方法烧蚀出的玻璃表面形貌的差异。研究了不同激光参数对玻璃表面形貌的影响。对比了直接激光烧蚀和激光诱导等离子体辅助烧蚀后玻璃表面化学成分的差异。结果表明,直接激光烧蚀的微沟槽结构尺寸参数较大,适用于后续的实验。(3)高黏附性超疏水玻璃表面的制备与性能表征。使用直接激光烧蚀在玻璃表面烧蚀网格微结构进行粗糙化处理,利用低表面能物质对粗糙化玻璃表面进行化学改性,制备出具有高黏附性的超疏水玻璃表面。研究了激光参数对玻璃表面形貌、表面润湿性与表面黏附性的影响,进行了耐磨性试验。

关键词： 钛合金植入体   激光加工   微纳复合结构   ZnO涂层   生物相容性  

摘要： 钛合金(Ti-6Al-4V)因其良好的机械强度、适宜的弹性模量以及优异的抗腐蚀性等特点,被广泛用于临床中的骨科植入领域。然而,钛合金本身的生物活性不佳,且抗菌能力较差,在植入人体后易引发植入体松动、细菌感染和骨整合效果差等问题。因此,为了改善钛基植入体的生物相容性,需要对其表面进行改性处理。目前喷砂酸蚀的方法仍是行业内应用最多的方法之一,但仍无法明显改善其生物学性能。本文通过两步激光加工结合溶液辅助的方式在Ti-6Al-4V植入体表面制备微纳复合结构并添加ZnO涂层,以增强其成骨及抗菌性能。首先,探究纳秒激光加工Ti-6Al-4V表面凹槽的最佳工艺参数,并采用溶液辅助激光加工的方法在构建微米级凹槽的同时添加ZnO涂层。通过体外MC3T3-E1细胞培养实验,研究微凹槽和ZnO涂层对成骨细胞行为的协同作用规律。结果表明,选用f=50kHz、V=250mm/s、P=5W的加工参数成功制备了含有ZnO涂层的微凹槽结构,二者的协同作用显著促进了成骨细胞的细胞响应效果,且没有产生细胞毒性。其次,探究飞秒激光加工Ti-6Al-4V表面周期性结构的最佳工艺参数,并在微凹槽的基础上构建周期性纳米结构,同时在表面添加ZnO涂层。通过MC3T3-E1细胞响应检测及基因表达实验研究改性后的表面在基因层面上对细胞成骨分化的影响。结果表明,采用f=800kHz、V=400mm/s、P=18W的参数构建了搭载ZnO涂层的微纳米结构复合表面,从基因表达水平上显著提高了成骨细胞的增殖、粘附和分化水平。然后,探究搭载ZnO涂层的Ti-6Al-4V微纳复合结构的抗菌性能。通过平板涂布、SEM形态观察和活/死细菌荧光染色等抗菌性检测实验,研究改性后的表面对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的作用效果和影响规律。结果表明微纳复合结构的早期抗粘附和ZnO缓释杀菌的协同作用显著提高了 Ti-6Al-4V的抗菌性。最后,研究改性后的钛棒植入体的体内骨整合性能。采用激光加工和溶液浸凃相结合的方法对Ti-6Al-4V棒状植入体进行表面改性,并在大鼠股骨近端植入2、4周后通过Micro-CT分析、Mimics三维模型重建和组织学染色观察实验评价其成骨性能。结果表明,具有微纳结构复合ZnO涂层表面的钛棒具有最佳的体内骨整合性能。

关键词： 果树修剪   有限元仿真   微织构   激光加工   剪切性能  

摘要： 果树修剪是果园管理过程中的重要环节，由于果木硬度大、纤维多，修剪过程中刀具易磨损、崩刃，大大降低了刀具的使用寿命，严重制约了果园机械化的发展与推广。因此，改善修剪刀具表面的耐磨特性，提高刀具的剪切性能对水果产业的发展有重要意义。本文为改善刀具的剪切性能，建立了果枝剪切过程的有限元仿真模型，通过搭建果枝剪切试验平台进行剪切试验，验证模型的准确性，根据仿真结果中动刀片表面受力情况划分微织构加工区域，通过激光刻蚀在SK-5刀具表面加工不同类型微织构，研究不同微织构类型、不同微织构区域大小对刀具剪切性能的影响，确定微织构分布区域最优划分方式，在此基础上进行微织构刀具剪切性能的仿真研究，进一步揭示微织构刀具耐磨机理。本文主要内容如下：　　（1）建立果枝剪切过程有限元模型，通过自制剪切试验平台验证仿真模型的准确性。结果表明：果枝剪切过程可划分为5个阶段，即挤压阶段、切入剪切阶段、稳定剪切阶段、剪断阶段、果枝振动阶段;实际试验与仿真试验的刀具峰值剪切力最大相对误差为7.8%，平均相对误差为7.0%，有限元模型与实际情况基本符合。　　（2）动刀片、果枝和定刀最大等效应力分别出现在刀刃、果枝切口和定刀切口附近，动刀片、定刀最大等效应力远小于刀具材料屈服极限，刀具不会发生失效。动刀片在峰值剪切力处表面受力区域分布明确，根据受力区域面积获得2种微织构加工区域划分方式，即S1（10/20mm直径果枝下划分）：靠近刀刃区域面积为201.84mm2，远离刀刃区域面积为192.73mm2;S2（15mm直径果枝下划分）：靠近刀刃区域面积为154.32mm2，远离刀刃区域面积为240.24mm2。　　（3）以赤子爱胜蚯蚓头部表面形貌和美人蕉叶表面网状结构为基础，分别设计沟槽型微织构和凸包型微织构。利用3种微织构（无织构型、沟槽型、凸包型）在区域内排列组合，通过激光刻蚀在刀具表面上加工得到9种不同类型的微织构果树修剪刀具。成型后沟槽型微织构形貌参数：沟槽间距1300μm，沟槽宽度143.9μm，沟槽深度28.1μm;成型后凸包型微织构形貌参数：凸包间距300μm，凸包宽度132.3μm，凸包深度29.2μm。　　（4）通过对9种不同微织构刀具进行果枝剪切试验，研究不同微织构类型、不同微织构区域大小对刀具剪切性能的影响。结果表明：微织构刀具剪切性能优于无织构刀具，凸包型微织构刀具剪切性能优于沟槽型微织构刀具;S1下微织构刀具剪切性能总体优于S2下微织构刀具。由正交试验可得，影响刀具剪切性能的因素主次顺序为果枝直径gt;微织构类型gt;靠近刀刃区域面积。　　（5）通过不同沟槽条数的沟槽-无织构型刀具进行果枝剪切试验，确定最优微织构分布区域划分方式，在此基础上进行微织构刀具和无织构刀具剪切性能的仿真研究。结果表明：沟槽条数为8的沟槽-无织构型刀具剪切性能最优，故微织构分布区域最优划分方式：靠近刀刃区域面积为306.83mm2，远离刀刃区域面积为87.73mm2;仿真以剪切10mm直径果枝为例，与无织构刀具相比，微织构刀具峰值剪切力减少了10.0%，最大等效应力降低了47.2%，无织构刀具最大等效应力集中于刀刃附近，而微织构刀具应力分布更均匀，主要分布在刀刃和沟槽附近，微织构的存在可以减少刀具前刀面与果枝的接触长度和接触面积，从而降低剪切过程中的剪切力和摩擦因数，改善刀具表面整体应力分布。

关键词： 钙钛矿太阳能电池   飞秒激光加工   功能层  

摘要： 目前,单节钙钛矿太阳能电池的认证效率已高达25.7%,能够与基于传统无机半导体(如硅)的光伏电池相媲美。为实现大面积发电与高压组网,可放大制备成为了关键技术问题。为解决这个问题,既需要探索均匀、高效、低廉的高通量制备方法以减少层间不均匀损耗,也需要提高非活性面积的利用率并减少材料浪费。相对于传统的机械划刻和掩膜刻蚀,激光划线被认为是提高有效区域的关键。其中,超快激光具有非热加工和精细烧蚀的特点,能够最大的减少对电池的损伤,成为了理想的工具。然而,对于新型的钙钛矿太阳能电池,其包含5种性质差异较大的功能层材料,未出现一种优异的激光加工方案。并且,一些研究仅关注于激光加工工艺,并未深入研究功能层材料的飞秒激光烧蚀过程。因此,本论文系统研究了钙钛矿太阳能电池的FTO层、钙钛矿层、Spiro-OMeTAD层和Au层的飞秒激光烧蚀机制和计算了功能层的烧蚀阈值。同时,研究了钙钛矿太阳能电池模组中的串联结构(P1、P2、P3)的加工工艺和影响因素。对于多层薄膜复合的器件,提出了分离刻线法,实现更干净的去除。此外,制备了高几何填充因子(GFF)的钙钛矿太阳能电池、高性能的半透明钙钛矿太阳能电池和串联集成的高压钙钛矿太阳能电池。取得的研究结论如下:1.研究了脉冲宽度、曝光时间和扫描方式对飞秒激光加工的影响。随着激光脉宽的降低,烧蚀孔的热影响区域逐渐减小,加工效果越好;与短脉冲相比,长脉冲曝光能够实现更清洁的钻孔;相对于频率触发,基于位置触发的脉冲显示出更高的精度和均匀性。并研究了飞秒激光照射下的钙钛矿的降解过程。钙钛矿中的有机部分先挥发,烧蚀孔边缘残留的碘化铅能够与钙钛矿形成Ⅰ型异质结。此外,优化了飞秒激光对钙钛矿、FTO、Spiro-OMeTAD和Au的加工参数和烧蚀阈值。2.研究了串联结构(P1、P2和P3)的飞秒激光加工工艺和去除过程。对于多种薄膜组成的复合材料,可以采用分离刻线法,即精确控制能量沉积分别去除物理性质差异较大的材料。优化了P1、P2和P3刻线的宽度,设计并制造了光电转化效率(PCE)为18.88%、GFF为97%的钙钛矿太阳能电池模组。设计并制备了串联集成数分别为4、9、25和100的5×5 cm高压钙钛矿太阳能电池。其中,串联集成数为100的未封装的5×5 cm高压钙钛矿太阳能电池的最大电压输出为103.5 V,并保持了500 h的存放稳定性。3.基于优化后的激光加工参数以及飞秒激光的非热加工特性和空间限域效应,提出了一种半透明钙钛矿太阳能电池的制备策略。制备了PCE为17.5%,平均可见光透过率(AVT)为18.2%的单节半透明钙钛矿太阳能电池和PCE为9.1%,AVT为37.7%的5×5 cm半透明钙钛矿太阳能电池模组。并且,合理设计的图案也能够直接印在钙钛矿太阳能电池上,同时维持了14.4%的PCE。此外,此方案进一步延伸到商业化的非晶硅太阳能电池上,同样表现出优异的性能。

关键词： 激光加工   协同控制   NURBS   插补   制孔  

摘要： 激光加工技术材料浪费少、加工适应性强,已经发展并渗透到科学研究和工业生产的各个领域中。超快激光瞬时功率非常高且由于无损加工,能实现极致的加工精度和很高的表面质量,对传统方式难以加工的超硬、耐高温等材料也具有更好的适用性,同时可以加工一些极其复杂的微结构。当前在我国制造业整体转型升级大背景下,超快激光数控加工技术在航空航天、汽车制造与半导体等高技术领域需求持续增长,已成为未来精细加工发展新趋势。因此研究超快激光加工装备及相关工艺技术具有十分重要应用价值。作为精细加工发展新趋势,超快激光加工装备与技术的研发和加工对象需求紧密相关。本文针对复杂轨迹加工和精密制孔需求,设计并实现了多轴激光加工平台,相关研究工作围绕平台方案、系统集成控制、平台性能验证等几方面展开,主要研究工作如下:(1)完成了激光加工平台整体机械设计与搭建。采用双Z轴双转台的结构形式,六轴五联动,满足最大工件尺寸200 mm×200mm×50mm加工需求,床身主体材质为天然大理石,提高机床稳定性与加工灵活性。采用直线电机、直驱力矩电机、旋转伺服电机与滚珠丝杠作为运动机构,同时选用高精度光栅尺作为位置反馈元件,运动精度高、平稳可靠。(2)进行了激光加工平台控制系统的设计与调试。整机电气系统协同控制方案采用分散式模块化控制方式,以工业PC机为主控制器,华中数控和倍福控制器为子控制单元,调度各设备协同工作。进一步,对激光加工平台硬件结构进行划分,形成基于上下位层的整体控制网络。(3)实现了激光加工平台本体、激光扫描系统和激光器等设备的协同控制。选用高性能工业PC机,以HNC-8华中数控作为激光加工平台本体电气控制网络的核心,基于多轴多通道技术与PLC信息交互技术,设计多设备协同工作方式,最后通过机床运动学分析,实现机床数控编程后置处理。根据多设备协同控制方案,分析并开发了激光加工工艺控制软件,实现运动控制、运动仿真、NC代码自动生成、状态监测和数据算法调用等功能。(4)完成了激光加工平台定位误差测量与补偿,并验证激光加工平台集成控制功能与性能。一方面,验证激光加工平台加工直线段与复杂曲线的能力,为继续探究基于NURBS曲线的激光加工插补控制技术打下基础;另一方面,加工平面和曲面的阵列孔来验证激光加工平台制孔能力。