关键词： 单晶高温合金   再结晶   飞秒激光   气膜孔   残余应力   高温疲劳性能  

摘要： 单晶高温合金消除了晶界,具有优异的高温力学性能,而再结晶的出现显著降低合金的力学性能,导致涡轮叶片寿命下降。本文以DD6单晶高温合金为研究对象,利用电子背散射衍射(EBSD)和纳米压痕试验、真空高温保温试验、高温疲劳试验以及光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等,系统研究了不同飞秒激光工艺(10w、30w、“30w+修复”)加工气膜孔对气膜孔孔边残余应力、静态再结晶和动态再结晶以及高温疲劳性能的影响。研究结果表明:一、在3种飞秒激光加工气膜孔工艺中,“30w+修复”工艺加工的气膜孔孔边残余应力最小,孔边应变分布较为均匀,应变宽度范围最小,加工效果最好;其次为10w工艺,再次是30w工艺。“30w+修复”中的“修复”工艺有效去除30w工艺残留的大部分应变区,并提高了气膜孔的外观质量。二、分别在1200℃、1250℃、1300℃保温1h、2h、3h、4h的静态再结晶试验结果表明:3种飞秒激光加工工艺均只有在1300℃保温3h和4h时观察到再结晶组织;其中“30w+修复”工艺的再结晶组织厚度最小,其次为10w工艺,30w工艺厚度最大。说明增加“修复”工艺不仅能提高气膜孔质量,同时可减薄再结晶厚度。所有工艺中的气膜孔孔边残余的大块共晶在1200℃、1250℃、1300℃保温后都发生组织退化,随着温度的升高,出现葵花共晶组织和板条状组织。并建立了大块共晶、葵花共晶和板条状组织之间的元素扩散模型。三、30w和“30w+修复”两种工艺的气膜孔疲劳试样在1000℃下,分别承受450MPa、500MPa和600MPa三个应力的高温疲劳性能表明:不同应力下,30w+修复的疲劳试样寿命均要比30w的高,这是由于经过“修复”工艺的气膜孔孔周轮廓更加光滑,在疲劳试验中受力更加均匀。疲劳裂纹从孔边起源,形成扇形的氧化层形貌,随着应力的增大,由孔边起始的裂纹扩展第一阶段长度逐渐减小。仅在450MPa的低应力下,气膜孔孔边发生γ'相的筏化。3个应力下均未观察到再结晶组织。

关键词： 玻璃通孔   三维集成   无源集成器件   滤波器   激光加工  

摘要： 高性能计算、第五代（5G）通信和物联网（IOT）应用对宽带滤波器的需求不断增加,对滤波器基板的性能要求更高,要求减少高频损耗,提高垂直互连的孔深/尺寸比。玻璃具有优异的绝缘特性、大面板可用性和与硅相匹配的热膨胀系数（CTE）,是一种理想的微波无源集成（IPD）基板材料。此外,采用玻璃转接板技术可以避免复杂的制造工艺和昂贵设备的使用,进一步降低成本。交指型带通滤波器具有结构紧凑的特点,在截止频率处具有高选择性和良好的阻带衰减,适合宽带带通滤波器设计。本文提出了一种基于TGV技术的九阶非对称耦合交指型带通滤波器设计,采用理论计算和高频软件仿真结合的方式得出滤波器的物理尺寸,最后在肖特AF32无碱玻璃晶圆上制作出滤波器实物并测试分析。首先介绍了微带线带通滤波器的基础设计原理,依据滤波器的性能指标,选择切比雪夫低通原型滤波器进行频率转化,通过谐振器宽度相同的非对称耦合滤波器设计,优化出损耗低,带外抑制强的基于TGV的X波段宽带带通滤波器。探索了TGV滤波器的实验方案,确定了最佳工艺参数,进行基于TGV的交指型带通滤波器实物制作:将微细加工工艺与玻璃基板结合实现射频器件小尺寸实物制作;采用先进的激光打孔与通孔腐蚀技术结合实现直径50μm高深宽比的TGV工艺;采用电镀与深孔溅射的方式完成了玻璃通孔金属化工艺,利用先进的玻璃基板打磨抛光工艺制作出基于TGV技术的交指型带通滤波器。利用共面波导探测（CPW）原理进行测试,结果表明,制作的实物滤波器性能与仿真性能基本相当:滤波器的中心频率为9.8GHz,通带带宽为4.76GHz,通带内插入损耗≤1d B,带外抑制低于-50d B,器件的总面积为25.24mm2。研制的基于TGV技术的交指型宽带带通滤波器整体比同类器件尺寸小、损耗低、带外抑制强,显示出玻璃通孔技术在高性能射频无源器件上的应用优势。

关键词： 压电变形镜   自适应光学   光束整形   贝塞尔光束   激光加工  

摘要： 贝塞尔光束相比高斯光束有着更长的焦深,理想的贝塞尔光束是由一个高能量密度的中心光斑和无限个低能量密度的同心环组成,非常适用于激光微加工领域,尤其是在加工有较大深径比需求的材料时具有无法比拟的优势。由于部分特定的激光加工系统中对光束入射角的要求,参考光束倾斜入射椭圆轴锥镜生成贝塞尔光束质量的改善和光束入射角对变形镜的性能影响,实验证明了光束入射角的大小会对变形镜性能和光束生成质量有一定影响,所以本文首先研究了用于大入射角激光加工系统中的变形镜的研制并实验证明该变形镜能够生成高质量贝塞尔光束。轴锥镜法是目前最常使用的生成贝塞尔光束的方法,但不太适用于生成可调的贝塞尔光束,所以本文用变形镜取代轴锥镜组成自适应光学系统和脉冲激光器配合使用,生成贝塞尔光束对有机玻璃进行高质量、高深径比微孔加工。具体工作如下:(1)用于大入射角激光加工系统中的变形镜研制。首先实验分析光束入射角在7.5°、15°和45°入射条件下实验室已有的圆形变形镜的校正能力,表明其在光束大角度入射条件下的性能是弱于小角度入射的。根据上述结果提出了用于大入射角激光加工系统中的变形镜的结构,其中压电片根据斜入射在镜面上的照射区域设计为椭圆形。接着完成该椭圆变形镜有限元模型的性能仿真,结果表明所设计的椭圆形变形镜的重构性能整体良好,与实验室常用的圆形变形镜仿真性能相比较为接近。然后对该椭圆变形镜进行校正性能测试,结果表明研制的椭圆变形镜在大入射角光路中对各项Zernike能够重构出相对较高的幅值以及较低的归一化残余误差。最后用该椭圆变形镜实验生成了高质量贝塞尔光束。所以研制的椭圆变形镜能有效提高其在大入射角度光路中的校正能力,在大入射角激光加工系统中有重要的应用价值。(2)设计并搭建压电变形镜生成贝塞尔光束的激光加工光路。在实验室已有的基于压电变形镜的自适应光学系统的基础上设计生成贝塞尔光束的激光加工光路,光路中新增有多个光学元器件,包括激光加工用的脉冲激光器、分束和合束用的长、短波通二向色镜、显微物镜、背光源以及多个缩束系统等。波前传感器接收的波前作为控制系统的反馈信息,实时控制变形镜重构出目标锥形面,脉冲激光器输出的高斯光束经过该光路后生成微型贝塞尔光束作用在有机玻璃样品,光路中使用了背光源进行照明以及CCD监测激光打孔过程。(3)用变形镜生成贝塞尔光束进行激光加工实验。通过实验用变形镜生成贝塞尔光束对有机玻璃进行激光加工研究,首先实验研究在不同脉冲能量下贝塞尔光束对加工有机玻璃微孔形貌的影响,结果随着脉冲能量的增加,贝塞尔光束在有机玻璃内部形成的微孔结构孔深和孔径增大,形成的微孔表面形貌规则圆润,侧壁结构形貌细直、均匀,深径比可以达到100以上。接着实验对比贝塞尔光束和高斯光束加工有机玻璃微孔结构,高斯光束加工微孔结构的侧壁并不是垂直、均匀的空腔结构,而具有一定的锥度,表面孔径并不圆润。最后实验实现贝塞尔光束在有机玻璃内部不同位置处的微孔加工。本部分内容为变形镜取代轴锥镜生成贝塞尔光束进行激光加工提供了实验依据,有利于其在微器件、芯片基底等精密材料领域的进一步应用。

关键词： 激光加工   减阻   油漆表面   微沟槽结构   双极串联空气轴承  

摘要： 21世纪能源危机日益严峻,节约能耗、发展新型节能交通工具成为了人们越来越关注的研究方向。油漆作为一种保护、装饰性化学混合物涂层,被广泛应用于汽车工业、农业机械、航天工程等领域。在保护基体材料的完整性的前提下,在油漆表面织构微结构,能减少运输工具表面阻力,实现节约能源、减小污染的目的。本研究将激光微加工技术用于喷漆表面织构化制备,实现漆层减阻功能表面的大面积、高效、低成本加工方案,为未来汽车、轨道交通工具和飞机等节能减阻提供技术支持。主要工作如下:1.微结构减阻模拟及分析。分析了湍流边界层流动机制,通过Fluent软件模拟研究了周期、深度参数对微沟槽结构阻力的影响,分析了不同微沟槽结构的减阻效果及其特征尺寸对减阻效果的影响规律。模拟结果表明,增加微沟槽的周期与深度,减阻率均呈现出先增大后减小的变化趋势,在风速为33.3m/s的条件下,当沟槽周期为300μm、深度为20μm、宽度为80μm时,最大减阻率达到6.50%。2.加工参数对微结构的影响。研究了激光与油漆作用机理,对比分析了不同波长的10.6μm CO2激光和1064nm光纤激光的激光加工功率、扫描次数和扫描速度等参数对油漆表面微结构的影响。结果表明,1064nm光纤激光对油漆表面织构化具有较好的可控性和重复性。局部熔融与气化所产生的膨胀破裂导致沟槽内部微结构变得粗糙。此外,进一步提出了自由曲面仿生减阻微结构的大面积高效加工方案,为未来汽车、轨道交通工具和飞机等节能减阻提供了一种新的策略。3.性能测试及分析。采用风洞对油漆表面微结构样件进行吹风试验,验证了激光织构油漆表面微结构减阻的可行性。分析了周期对微结构表面减阻性能的影响,随着微沟槽结构的周期从250μm增加到400μm,减阻率呈现出先增大后减小的变化趋势,当风速为33.3m/s时,在周期为300μm处得到最大减阻率7.21%。建立模型分析了微沟槽减阻机制,提出“双极串联空气轴承”模型揭示了微沟槽结构实测减阻率与理论计算之间的差异。最后研究了油漆表面微沟槽结构的润湿性与耐久性,为研究多功能减阻油漆表面提供了参考。

关键词： Zr基金属玻璃   电火花加工   加工性能   方差分析  

摘要： 金属玻璃具有长程无序、中短程有序的独特微观组织结构,同时拥有优良的力学性能,例如高强度、高硬度、高断裂韧性、良好耐腐蚀性等,在航天军事、体育器材制备、电力传输、医疗卫生等领域有着广阔的应用前景。然而,金属玻璃的进一步广泛应用离不开二次精密成形加工,传统切削加工金属玻璃时,存在着刀具磨损严重、加工效率低等问题,而电火花加工时工具与工件并不接触,而是靠工具与工件间不断产生的脉冲性火花放电,从而去除工件材料,在小孔、型腔、异型孔以及某些薄壁件等的加工方面比一般切削加工具有明显的优势。针对不同电极材料在Zr基金属玻璃时对加工性能影响的问题,本文提出以Zr基金属玻璃为研究对象,对其电火花加工性能进行分析研究,对进一步理解该材料的电火花加工机理提供一定的借鉴。采用正交实验方法,使用两种不同电极(紫铜和钨铜)对电火花加工Zr基金属玻璃(浅圆柱形表面)时,电加工参数(电流、周率、效率和间隙电压)对其材料去除率和表面粗糙度进行了主效应分析、方差分析以及响应曲面分析。实验结果表明,使用紫铜电极加工Zr基金属玻璃时,电加工参数对材料去除率影响的主次顺序为:效率>电流>周率>间隙电压,在正交实验条件下,最优参数组合为电流10A,周率80μs,效率40%,间隙电压20V。当使用钨铜电极加工时,电加工参数对材料去除率的影响主次顺序则为:电流>周率>效率>间隙电压,在正交实验条件下,最优参数组合为电流10A,周率50μs,效率30%,间隙电压80V。对于表面粗糙度,使用两种电极加工Zr基金属玻璃时,电参数对其影响的主次顺序均为:电流>周率>效率>间隙电压。在正交实验条件下,无论使用紫铜电极还是钨铜电极,获得最小表面粗糙度的最优参数组合都是电流4A,周率50μs,效率10%,间隙电压80V。进一步,借助单因素实验对比分析了不同电极材料和电加工参数对Zr基金属玻璃的材料去除率、表面粗糙度以及工件已加工表面形貌和电极已使用表面形貌的影响。得到使用紫铜电极加工Zr基金属玻璃时,其材料去除率和加工表面粗糙度值均比钨铜电极加工的大;两种电极加工后的金属玻璃表面均没有发现显微裂纹和气孔;使用后的两种电极端面形貌特征主要表现在显微裂纹、碳黑膜和气孔数量等方面有所不同。为了进一步分析Zr基金属玻璃电火花加工性能,针对不同电极和四个电参数对电极损耗和通孔孔径的影响的问题,采用正交实验和单因素实验方法,实验结果表明,钨铜电极的电极损耗是紫铜电极的2倍甚至更多,在正交实验中,钨铜电极的最大电极损耗达到0.019g,而紫铜电极的电极损耗只有0.011g。使用钨铜电极加工Zr基金属玻璃后其通孔孔径整体上大于紫铜电极加工的。同时,基于单因素试验结果,对使用后的两种电极端面、电极侧面的显微形貌以及两种电极加工后的工件通孔的侧壁形貌进行了分析。实验结果表明,紫铜电极加工后的工件侧壁上沉积许多电蚀产物,这些电蚀产物被碳黑膜覆盖,而钨铜电极加工后的侧壁出现明显的圆形微球,微球直径在8μm左右,当电流值增大到8A,微球直径在20μm左右。钨铜电极加工后的电极端面和电极侧面显微裂纹数量更多,长度更长,而两种电极加工后的电极侧面的显微裂纹比电极端面的更细小。相比于钨铜电极,紫铜电极加工后的电极端面和电极侧面质量更好。

关键词： 激光金属加工技术   表面热处理   增材制造   熔池温度   闭环控制  

摘要： 激光金属材料加工技术是21世纪发展最快的技术之一,包括激光增材制造和激光表面热处理等。相比传统的制造技术,激光金属材料加工技术具有稀释率低、变形量小、热影响区小、可局部加工和成形质量高等优点,然而这些优点是有代价的,激光金属材料加工是复杂的工艺过程,其中涉及多个工艺参数和状态参数,存在更多影响成形质量的不稳定因素。为实现高质量的生产,传统的调控手段是针对各工艺参数的开环控制,但无法顾及加工过程中工艺环境和过程参数变化带来的影响。例如在激光增材制造中,随着加工过程的进行,传热条件的改变和热量的累积导致熔池温度的升高,引起温度梯度和冷却速率的变化,影响成形件的形貌尺寸和组织均匀性;在激光表面热处理中,不稳定的温度也会造成热处理表面和硬化区的不均匀。因此,在激光金属材料加工过程中,稳定的温度对提升成形质量具有重要意义。本文旨在研究温度的闭环控制对激光增材制造与激光表面热处理的成形形貌、显微组织的影响机理。通过激光增材制造实验研究分析熔池温度与成形形貌、显微组织的对应关系,并基于此对应关系确定熔池温度控制目标,建立熔池温度闭环反馈控制系统,进行温度控制闭环实验,与固定功率的开环实验进行实验数据、结果的对比分析,研究熔池温度控制对激光增材制造成形质量的提升作用,并研究温度控制系统在解决激光表面热处理工程问题中的应用。具体工作成果如下:(1)搭建了熔池温度监测控制的硬软件平台,并基于此开发了熔池温度闭环反馈控制系统。(2)分析得到了熔池温度对激光增材制造成形形貌的影响:熔池在不同温度时对金属粉末的吸收效率不同,进而造成熔池的大小不同。当熔池温度偏低时,形成熔池的表面积远小于激光光斑,沉积层宽度厚度较小,成形效果差甚至无法沉积成形;当熔池温度偏高时,形成熔池的表面积远大于激光光斑,熔池温度达到饱和状态,同时熔池向水平方向扩张,造成沉积层宽度增大,厚度减小;熔池温度在合适的范围内,成形薄壁件有较好的成形效果和尺寸精度。(3)探究了控制熔池保持在合适且稳定的温度,对成形质量的提升效果:改善了成形薄壁件各层层厚与层宽的差异性以及单层熔池的表面平整度,提升了尺寸精度;降低了薄壁件各位置间温度梯度的差异及冷却速率的差异,使薄壁件不同位置的组织形态与晶粒大小更为均匀,提升了显微组织的均匀性。(4)在激光淬火工艺中应用温度控制,提升了淬火件的表面质量以及淬硬层的均匀性,提高了激光淬火加工质量。

关键词： 无机卤素钙钛矿   激光加工   光电性能   调控  

摘要： 全无机金属卤素钙钛矿材料（CsPbX,X=Cl,Br,I）作为一种新型的半导体材料,具有优异的光电性能。无机钙钛矿的光学性能与其形貌、组分等有密切的关系,因此其光学性能可以通过改变材料参数来进行调制。然而钙钛矿材料要实现光电子器件的应用必须要经过精密加工,并且可以方便快捷地实现光学性能调控。激光加工技术作为21世纪最先进的技术可以应用于钙钛矿材料的加工,对全无机金属卤素钙钛矿材料进行激光加工,可以直接地对钙钛矿材料进行提升和改性,这一工作大大推动了钙钛矿材料在光电子器件领域的发展。本论文首先研究了不同形貌无机卤素钙钛矿的合成方法,为后续对钙钛矿的加工奠定了基础;接着介绍了不同激光加工技术在钙钛矿领域的应用,分析阐述了不同激光与钙钛矿材料之间的相互作用。主要工作如下: （1）研究了不同形貌无机卤素钙钛矿纳米晶的制备方法。无机卤素钙钛矿的光电性能与其形貌有密切关系,为了满足不同的光电子器件的应用要求,我们分别用高温热注入法、水油界面法、细胞粉碎法和室温溶液法制备了不同形貌的钙钛矿纳米晶,从零维到一维再到二维纳米晶,并对其性能进行了基本表征。本章介绍的制备方法都是钙钛矿纳米晶制备中的典型方法,且通过实验参数的调节可以调整钙钛矿纳米晶的形貌和组分,我们分析了不同制备方法的优缺点,并讨论了钙钛矿纳米晶的生长动力学过程,为后续激光加工钙钛矿的工作奠定了材料基础。 （2）运用激光液相烧蚀技术制备铝等离子体去提升钙钛矿量子点的光致发光性能。在无机卤素钙钛矿量子点中,蓝光量子点由于自身较多的缺陷导致其量子产率较低,因此针对蓝光量子点的发光增强一直是一个关键性问题。在本工作中,我们使用1064 nm脉冲激光在溶剂中对铝靶进行激光液相烧蚀,分散在溶剂中的铝纳米颗粒在深紫外区域具有等离子体共振效应,利用这个效应我们对蓝光Cs Pb BrCl量子点的发光实现了1.52倍的增强。我们从实验和理论上讨论了激光实验参数对等离子体共振效应的影响,分析了激光与金属之间的相互作用,深刻研究了等离子体共振效应对钙钛矿发光的影响机理,为钙钛矿量子点的发光增强开辟了新的发展方向。 （3）利用光控取向技术对钙钛矿发光偏振特性进行调制并应用于新型液晶显示。光控取向技术是一种利用偏振紫外光使液晶分子有序排列的方法,在本工作中利用光控取向技术对液晶分子和钙钛矿纳米线进行取向排列,从而提升钙钛矿复合薄膜的偏振发光性能,其中具体分析了光控取向过程中的取向机理。我们对Cs Pb Br纳米线-液晶复合薄膜的偏振发光性能进行了一系列的表征,薄膜发光的各向异性参数达到了0.44,具有很好的偏振性,进一步我们搭建了成像演示光路对其偏振发光进行了直观演示。在本工作中我们首次开发了微光控取向技术,实现了微区偏振图案化的应用,推动了新型液晶显示技术的发展。 （4）运用激光直写技术打印银叉指电极并应用于钙钛矿光电探测器。二维钙钛矿纳米片因为其稳定性高、光吸收系数大而在光电探测器上展现出巨大的潜力,本论文利用激光直写技术成功制备了钙钛矿纳米片探测器。本工作介绍了运用激光直写技术制备银电极的方法,并讨论了激光实验参数（激光光斑大小、激光功率、扫描速度）对电极形貌和导电性能的影响。为了更好地分析实验结果,我们提出并定义了激光直写技术中的“剂量”概念,“剂量”定义的引入帮助我们更好地定量去理解激光直写打印银电极的过程,也有助于我们更好地调整参数去制备最优电极。我们制备得到的银电极最小R薄层电阻为1.3Ω/sq,将其应用于钙钛矿纳米片探测器中,探测器表现出较好的探测性能,这为未来的全打印钙钛矿光电子器件的发展奠定了基础。

关键词： 266nm纳秒固体激光   聚苯乙烯加工   CH膜加工   光化学   蚀除机理   工艺规律  

摘要： 聚苯乙烯和CH膜由于其密度和原子序数相对较低,易于加工成型等各项优点,被用作激光惯性约束核聚变的烧蚀层材料。在进行激光惯性约束聚变试验的过程中,需要在烧蚀层材料上加工微孔。激光加工技术因其具有精度高、效率高和不产生碎屑等优势,常被用作烧蚀层材料微孔的加工方法。266nm激光的波长较短,光子能量较高,能够直接破坏材料的化学键,实现“光化学”加工,因此已成为激光加工时重要的光源类型。为了研究266nm纳秒固体激光在聚苯乙烯和CH膜上加工微孔的加工效果,在聚苯乙烯和CH膜材料上加工出高质量的微孔,进行了266nm纳秒固体激光加工聚苯乙烯和CH膜的机理和工艺研究。论述了紫外激光对聚合物材料的蚀除机理和理论模型,根据紫外激光对聚合物材料的蚀除机理,探究266nm纳秒固体激光对聚苯乙烯和CH膜的材料去除机理。结果表明:266nm纳秒固体激光加工CH膜时,材料去除机理以光化学蚀除为主;266nm纳秒固体激光加工聚苯乙烯时,光化学蚀除和光热蚀除同时存在,且两者的比例受激光脉冲能量等因素的影响。建立有限元仿真模型对激光加工聚苯乙烯的温度场和应力场进行模拟仿真,研究了激光加工聚苯乙烯过程中的温度场和应力场分布。当激光辐照材料时,激光能量会使被辐照区域的温度迅速升高,当温度超过材料的熔点时会产生热影响区。由于材料温度的剧烈变化,加工区域产生拉应力和压应力,应力的数值和范围会随激光辐照时间的持续不断增大;当激光辐照结束后,应力值逐渐减小。最后通过试验对仿真结果进行了验证。进行了266nm纳秒固体激光在聚苯乙烯和CH膜上打孔的工艺试验。通过单因素试验,得出了激光脉冲能量、激光脉冲数量和离焦量等加工参数对微孔直径、微孔深度和重铸层宽度等微孔尺寸参数影响的工艺规律;通过进行正交试验,得出了各激光加工参数对微孔尺寸参数影响的显著性水平,并通过综合平衡法得出了266nm纳秒固体激光在聚苯乙烯上打孔时优化后的工艺参数。该论文有图53幅,表9个,参考文献67篇。

关键词： 激光加工   银纳米线   柔性电极   焊接   图案化  

摘要： 随着柔性电子技术的发展,柔性传感、柔性显示、电子皮肤等正改变着人们的生活。同时人们对柔性器件的小型化、多功能、可穿戴等方面也提出了更高要求。高性能柔性器件中,柔性电极是决定器件性能的关键单元。作为适用于柔性电极制备材料之一的银纳米线,由于其具有良好的柔性、导电性和耐氧化等优势,逐渐在柔性电子等领域展现出广阔的应用前景。但是银纳米线在使用过程中会面临线间接触电阻大,衬底易热损伤,图案化困难等问题。为解决上述问题,本文将具有加工灵活且加工精度高的飞秒激光技术引入到纳米线焊接、熔断和自组装工艺中,以提高银纳米线电极的性能和制备效率;具体分析了激光焊接和去除银纳米线的作用机制,通过激光焊接提高了银纳米线薄膜的导电性,采用激光切割和润湿辅助实现了银纳米线电极的高精度图形化制备,通过结构设计和制备方法优化改善了银纳米线互连电极的可拉伸性能。本文的主要内容如下:(1)建立了高斯激光束辐照银纳米线的电场强度分布仿真模型。分析了激光焊接过程中激光波长、纳米线间距、纳米线直径对两相交纳米线节点处局部场增强的影响规律;局部场增强具有自限制特性,在焊接过程中当纳米线发生重叠融合时,局部电场增强效应会迅速下降,可避免过度焊接使节点处纳米线熔断;相比波长的变化,纳米线直径对纳米线间隙处局部场强的影响更大。在激光切割单根纳米线时,局部场增强的产生依赖于激光偏振方向,而纳米线端部的局部场增强效果受激光波长和纳米线直径的影响较弱。(2)采用飞秒激光辐照焊接法提高了银纳米线透明导电薄膜的导电性和电阻均匀性。激光辐照焊接纳米线时,会使两银纳米线节点处出现局部场增强,从而产生局部热实现了纳米线间的焊接,降低了纳米线间的接触电阻,最终使银纳米线导电膜面电阻降低了75%以上,达到16.1Ω/sq,并且保持91%的透光率;同时飞秒激光辐照焊接可以避免损坏热敏柔性衬底。此外,通过空间光调制的方法将高斯光束整形成线形光束,使激光焊接速率比传统球面透镜聚焦焊接提高数十倍。稳定性测试表明焊接后的银纳米线仍然具有良好的耐氧化性。(3)分析了飞秒激光图案化纳米线网格过程中纳米线网格的烧蚀阈值以及衬底的损伤阈值,确定了飞秒激光可以在不损伤热敏衬底PET的条件下,精准地去除银纳米线。并且进一步分析了脉冲数对银纳米线烧蚀阈值以及表层银纳米线对衬底烧蚀阈值的影响规律。结果表明:在保证衬底不被损伤的情况下,对银纳米线的烧蚀去除或焊接使用较少的脉冲数辐照和相对较高的能量有利于获得较宽的工艺窗口;使用光斑重复率约为70%的往复扫描加工去除银纳米线,可制备边界清晰齐整的图案电极;此外,利用银纳米线柔性导电薄膜的激光图案化技术,实现了孔阵列银纳米线网格可拉伸电极的制备。(4)提出了一种结合激光切割和润湿辅助制备高精度图案化银纳米线电极的方法,该方法主要包括三个关键步骤:激光精密切割薄掩膜;氧等离子体处理暴露出的衬底,使衬底亲水;涂布纳米线。揭除掩膜后,设计区域的衬底为亲水特性,而未被等离子体处理的衬底保持原有的疏水特性,PDMS衬底形成了具有润湿/去湿特性。在该衬底上涂布纳米线悬浮液时,纳米线会随悬浮液聚集到亲水区域,待溶液干燥后形成导电结构;通过优化飞秒激光切割工艺和悬浮液的配比,制备了宽度仅为50μm银纳米线电极;并且将高精度图案化纳米线电极作为底电极制备了柔性电致发光器件,器件所展示的不同尺寸和复杂形状的发光图案亮度均匀、边界清晰。(5)设计并制备了一种银纳米线可拉伸互连结构电极。通过有限元分析比较了蛇形、齿形结构电极在拉伸状态下的应变分布情况,得出了齿形凸起结构电极具有更好的可拉伸性能;通过在润湿辅助法制备的凹槽结构电极上浇注PDMS后,反向脱模形成凸起结构电极,原来沉积在凹槽内的银纳米线网格被固定到凸起结构中,形成稳固的复合结构。相比平坦衬底,凸起结构能更好的抵抗拉伸变形;相比蛇形结构,齿形结构在同样的拉伸变形下,会有更少的应力集中区,有利于减少纳米线的断裂数量。最终制备的齿形凸起结构电极在应变为40%循环拉伸实验后,仍可保持初始稳定的导电性。本文开展的激光辅助制备银纳米线柔性电极研究,可有效提高银纳米线柔性透明导电膜的导电性,降低柔性衬底热损伤;激光烧蚀图案化技术和自组装图案化技术在制备高精度纳米隔断和图形化电极方面,均具有加工灵活、精度高等优势,上述加工技术有利于拓宽银纳米线电极的应用范围,提高柔性电子器件的性能。图110幅,表2张,参考文献180篇

关键词： 电火花加工   可持续制造   优化系统   能量消耗   有限元分析  

摘要： 制造业能量消耗巨大,污染排放严重,对全球的资源以及环境造成了巨大的影响。就目前而言,对制造过程能耗以及相应节能减排策略的研究是实现可持续发展的必经之路。与传统的加工方式相比,电火花成形加工（EDM）是一种广泛应用于模具、汽车、航空航天等行业的非传统加工方法。本文以非晶合金（BMG）和金属合金两种具有代表性的金属材料为对象,针对EDM的加工过程能量消耗和低能耗控制以及加工效果的问题进行研究,提出了EDM能量消耗预测模型和低能耗控制策略方法。并且分别从工件材料、工艺参数框架的优化方法及电介质角度讨论能耗问题。具体研究如下:首先,建立了电火花加工过程中相应的热量分布模型。通过建立加工能量消耗的计算模型,实现了在设计电火花加工非晶合金的实验阶段预测其能量消耗。通过实验对比,MRR和EEV的平均误差分别可达到16.99%和16.46%,与实验结果吻合,证明该数值模型可应用于工程应用。所提出的热物理模型基本可与非晶合金的电火花加工吻合。实验采用对钻孔切口的过切值分析加工性能,探索电火花加工非晶合金的可行性。其次,对电火花加工金属合金的过程进行能量消耗的研究,基于“if-then”策略的模糊推理系统（ANFIS）建立预测电火花加工性能和环境可持续性的映射模型。通过映射模型可以分析工艺参数对输出的相互作用。通过映射模型和信噪比均值分析法研究了工艺参数对MRR、表面粗糙度（Ra）的加工性能和废气排放性能（EEC）的影响。为可持续制造的后续工作奠定基础。实验发现,峰值电流为10A时可达到所需的最大MRR;但在6A时可以获得所需的最小Ra。类似地,当峰值电流为10A时可以达到所需的最小EEV,而当峰值电流为6A时可以获得所需的最小EEC。经过对ANFIS模型的验证,它们的平均相对误差最大为13.04%。再次,为实现电火花加工的可持续性和绿色制造,采用环保的可再生植物油作为电火花加工的电介质,对金属合金Al 6061、SKD 11和Inconel 718的加工进行研究。比较了葵花籽油、菜籽油和花生油的加工性能及单位体积能效,旨在寻找一种既便宜又可持续的电介质。从加工机理角度解释了电火花加工介质粘度的变化对电火花加工性能的影响。经过对比,菜籽油作为电介质时的MRR分别比花生油和葵花籽油高25%和28.9%,EEV分别比花生油和菜籽油低5%和27%。此外,利用超景深光学显微镜研究介质中不同粒径残留物的比例,验证了上述机理的合理性。由于菜籽油的粘度较大,放电能量集中,工件所受冲击力更大,所以碎片直径大于35μm的占比最大。最后,讨论了可再生电介质的环境影响和长期生存能力,实现电火花的可持续性和绿色制造。最后,为了满足绿色制造和环境可持续性的要求,提出了一个基于增强布谷鸟算法的多目标优化框架。以制造业最为常见的金属合金材料加工为例,针对Al 6061和SKD11电火花加工过程中工艺参数优化框架,以最大限度地降低能耗和废气排放。采用峰值电流、脉冲周期和占空比三种工艺参数对这两种材料电火花加工的MRR、Ra、EEV和EEC进行了测试。经过优化框架的计算,建议使用高峰值电流（8.94A）、脉冲周期（500μs）和占空比（0.7）的工艺参数加工Al 6061,经过与优化之前的加工性能相比,EEV和EEC的最优解分别降低了87.13%和37.09%。同理,SKD 11的加工性能通过优化计算,与优化之前的加工性能相比,EEV和EEC的最优解分别降低了93.73%和46.85%。本课题通过针对电火花加工过程的能耗预测分析,对以节能减排为主题的智能制造发展具有实际应用意义。