关键词： 激光加工   微纳加工   近场光学   光学微球  

摘要： 激光是一种在工业制造中被广泛运用的工具,它具有非接触式工艺的优点,能够在不需要光掩模的情况下产生复杂的结构,并且能够在空气、真空或水中工作。此外,激光可以很容易地聚焦到微米级,因此可用于微型器件制造,特别是在微电子工业中被用于标记、钻孔、退火和表面改性等工艺。然而由于衍射极限,激光可实现的最小分辨率受到其波长的限制。微球提供了以传统光学元件无法实现的方式操纵光的机制,可以在微观尺度上操纵光的聚焦和散射,其基于近场光学理论克服了衍射极限所带来的限制,于是人们通过光学介电微球对激光的调制,实现分辨率在衍射极限以上的微纳加工。在此基础上,人们还通过自组装微球阵列技术,克服了传统微纳加工技术中加工速度低且无法在大面积上实现一次性加工的困难;以及通过离轴激光辐照技术,实现对任意微纳图案的加工。本文研究了通过密铺单层介电微球阵列对激光进行调制来实现微纳图案化加工的技术,在微球表面的金膜上实现了突破衍射极限分辨率的图案化加工。对于该项技术,主要开展以下研究和工作:1.对微球的近场光学增强效果进行了模拟分析,得到了通过微球阵列的激光直写技术作用于金微纳结构的机理。还对微球光场强度的模拟,得出了微球尺寸和激光波长变化对光场增强以及加工所需要的激光峰位半高宽所带来的影响。这些理论及模拟为后续实验奠定了基础。2.对微球Mie散射激光微纳加工工艺进行研究,优化激光器的波长、介电微球的尺寸大小、离子溅射镀膜厚度、激光照射的功率密度以及激光离轴辐照偏移角度等工艺参数,通过扫描电子显微镜对金微纳结构的形貌特征进行了表征,总结各工艺对加工结果的影响规律,优化工艺参数。实验结果表明,在最佳工艺参数下,能够实现100 nm直径的纳米孔加工。3.搭建了双轴电控角旋转台,并编写了控制其的算法程序,通过该程序可得出加工任意位置所需要的激光辐照角度,使得激光的角度偏转加工能够简单高效进行,从而简单快捷地实现图案化加工。通过开发的程序系统,实现了任意图案的设计和加工,所得金微纳图案的分辨率接近光衍射极限。

关键词： 微细电火花加工   流致振动   双向流固耦合   电极摆动  

摘要： 目前,随着科学技术的发展,微机电系统和微系统技术得到广泛的应用和提升,对复杂零部件及高精度结构的高性能加工提出了更高的要求。微细电火花加工技术具有高精度、无切削力、成本低等特点,因此在实际微细加工中的应用非常广泛。然而,微细电火花加工深微孔的时候,时常出现扩孔量较大,锥度大,加工碎屑难以排出等问题,严重影响加工孔的精度,并且目前针对电极摆动对微孔精度影响的研究较少,极少有文献涉及细长微电极的涡激振动问题。在理论分析和试验研究的基础上,为了提升单向冲液式微孔电火花的加工精度,本研究提出采用对冲液的方式来消除流致振动对微细电火花加工精度的影响,主要内容如下:为探究电极上端涡激振动,同时便于后期的观测以及提升运算的效率,对直径为0.4mm长度为3mm长圆柱体进行二维简化仿真,结合龙格库塔法,探究在不同流速下,圆柱在平行于流体流向上的摆动位移和垂直于流体流向上的摆动位移,最后对圆柱摆动的仿真结果进行实验的验证,其最大误差控制在16.97%。对实际加工的工具电极进行三维流固耦合仿真,探究不同直径电极、不同长度尺寸电极以及不同流速三种因素下三维电极的双向流固耦合研究,分析流体对固体电极摆动的影响,以及电极自身尺寸对于摆动的影响规律。同时,探究在一定加工深度下,不同直径电极、不同长度电极、以及不同冲液流速对电极摆动的影响,以及在不同加工深度条件下,对电极摆动的影响。为验证仿真的可靠性,运用高速摄影仪器,在冲液状态下,对不同长度尺寸电极、不同直径电极以及不同流速下电极的摆动情况进行拍摄处理,通过matlab图像数据处理,从而得出摆动幅值,最大误差控制在15.2%。为了探究电极的摆动对于微孔加工的影响,分别在单向冲液条件和对冲液式条件下,针对不同冲液流速、不同电极长度尺寸、不同直径电极以及不同的加工深度进行微细电火花深孔加工实验,最终实验结果与仿真趋势一致。

关键词： 气中电火花加工   PID自整定   粒子群算法   逻辑检测   数控系统  

摘要： 电火花加工技术凭借其诸多优势被广泛的应用到国防工业、医疗器械等领域。近年来,传统煤油介质电火花加工带来的污染问题成为业内讨论的焦点。作为一种综合考虑环境影响和资源效益的绿色制造技术,气中电火花加工作为重要分支拓宽了领域发展方向。同时也应注意到,气中电火花加工还存在放电状态不稳定、加工速度较慢等问题,严重制约了该技术大规模应用。鉴于气中电火花加工性能依赖于机床机电系统协同工作,因此本文从气中电火花加工特性出发对伺服控制、极间放电检测、脉冲电源参数调整模块开展优化设计研究,建立三者映射关系,从机电系统角度来分析影响气体介质电火花加工性能,最终构成兼顾高时效性与加工效率的加工系统。针对机电系统对气中电火花加工极间间隙的重要影响,首先搭建了加工系统机电联合仿真模型。完成滚珠丝杠进给系统柔性模型及永磁同步电机模型的建立,依次搭建PID三环控制回路,从而建立机电联合仿真模型,并基于该模型开展后续主轴伺服特性研究。其次,采用PID调节控制作为主轴伺服控制方法,针对加工过程具有的时变不确定、高度耦合性等特征,采用粒子群优化算法对电火花加工主轴PID参数进行整定。为了解决整定过程中出现的算法易陷入局部收敛等问题,利用遗传算法对粒子优化过程进行改进,并基于上述机电联合仿真平台对比分析改进前后主轴响应曲线。实验结果显示,伺服改进过后气中电火花加工放电稳定性与加工效率得到明显改善。针对气中电火花加工放电信号易畸变、放电状态无法长时间稳定维持等技术难点,设计一种基于数字逻辑检测电路的映射模块,基于工艺实验特性总结脉冲电源参数与伺服进给参数对加工影响规律,并以此为依据在上位机中设计规则实现极间加工状态向多模式脉冲电源与伺服系统控制参数的映射,实现各模块之间的信息交互。最后,在上位机基于Visual Studio整合机电系统诸多模块并搭建人机交互界面。为验证本文改进设计的气中电火花加工机电系统控制性能,进行了针对上位机映射系统效果的实验研究。研究结果表明,对比机电系统映射模块改进前后加工速度及火花率的变化,通过单因素实验分析伺服进给速度调节、电源加工参数等对电火花加工的影响程度,得出了电火花加工系统性能优劣性能评判依据。

关键词： 铜钨合金   微小孔   电火花加工   间隙流场仿真   内冲液   介质  

摘要： 随着制造业的不断发展,许多零件中需要加工出微孔结构以起到特殊的作用如通气、散热等,针对难加工材料,利用传统的方法来加工微小孔会遇到极大的困难,而电火花加工作为一种非接触加工,非常适用于难加工材料微小孔的加工,但在电火花加工中也存在着加工效率低下、电极损耗严重等问题。铜钨合金结合了铜和钨的优点而成为一种具有耐高温、高强度、高密度、良好的导热性等优点的材料,因而被应用于航空、航天、电气、军事等领域当中,本文旨在针对铜钨合金微小孔的加工开展加工工艺和仿真分析等方面的内容。 本文针对铜钨合金微小孔的加工搭建了内冲液微小孔加工装置,所搭建的装置可提供去离子水、气泡水两种工作介质,同时可实现锥孔的加工。利用搭建完成的装置探究了不同冲液效果对于微小孔加工的影响,分析了去离子水、气泡水和外冲液效果对微小孔的加工时间和电极损耗的影响,之后针对微小孔加工过程中所存在的锥度问题开展研究,利用CCD测量系统对装置的精度进行了测试,通过实验验证了装置对于锥孔加工的能力并对锥孔加工的精度和一致性进行了分析。 为了进一步探究锥孔加工过程中诸如冲液压力、电极转速、理论锥度对间隙流场以及蚀除产物的分布所产生的影响,利用流体仿真软件Fluent开展了仿真研究,建立了不同工作介质下的仿真模型,利用动网格技术来实现网格的运动从而模拟电极的运动对间隙流场产生的影响,利用DPM模型来模拟蚀除产物在间隙流场中的运动,从理论上分析了冲液压力、电极转速和理论锥度对锥孔加工的影响及其规律,为后续锥孔加工的工艺实验提供了理论指导。 以CuW70为实验材料、SUS 304作为对比实验材料,开展了电流、电容和伺服参考电压等电参数对微小孔加工影响的实验研究,分析了不同材料和不同工作介质下电参数对微小孔加工效率和电极损耗的影响,实验表明,气泡水中的加工效高于去离子水,电极相对损耗低于去离子水。通过实验分析了微小孔加工过程中加工深度随加工时间的变化,在所得到的工艺规律的基础上展开了锥孔加工的实验研究,分析了冲液压力、电极转速、理论锥度和加工深度对锥孔加工的影响。

关键词： 微悬臂梁传感器   多孔纳米表面   阳极氧化   等离子体激发   局域增强   激光加工  

摘要： 微悬臂梁生物传感器是下一代无标签生物传感应用最有前途的平台之一,它可将生物识别事件转化为从几个纳米到几百纳米的机械运动。而根据传感器信号的被检测方式,可将其分为动态和静态两种,其中的静态检测在溶液环境中拥有更高的稳定性而被广泛使用。微悬臂梁生物传感器在微小质量变化上的检测非常敏感,但因其常用的微悬臂梁结构大都为平整光滑的表面,限制了被测物的吸附点位数量,因此光滑表面的微悬臂梁结构是影响传感器灵敏度的一个重要因素。针对这种情况,本文选择对微悬臂梁的收集表面进行粗糙化处理或是添加纳米级结构,以此来获得更高的检测灵敏度。本文对微悬臂梁传感器的检测原理、发展进程和应用等方面做了综述类的介绍后,又对如何增加传感器灵敏度的方法做了细致的总结。最终选择使用基于金属-介质-金属(MIM)型周期性孔阵列结构激发等离子体的光刻技术,去实现微悬臂梁上纳米结构的制备,以此达到增加吸附面积的目的。首先是完成等离子体光刻系统的搭建,随后针对MIM型薄膜结构的制备方法和涉及到的阳极氧化法制备介质层的技术进行了仔细的介绍和说明。实验使用方法成熟和调节性好的氧化铝膜作为MIM型薄膜结构的介质层,对介质层两侧进行金层溅射,即可完成整体MIM型薄膜结构的制备。最后将制备完成后的MIM型薄膜放入搭建好的光刻系统中,使用激光器对其表面施加一定的能量,进行等离子体烧蚀材料的实验分析。实验期间,可通过对激光能量的调控,实现在微悬臂梁表面上的孔洞刻蚀和金颗粒添加。在完成对微悬臂梁表面的孔洞刻蚀或金颗粒结构的添加后,本文又基于光杠杆法读出方式的检测原理,对微悬臂梁传感器的实验平台进行了结构设计,为后续进一步的搭建作充足准备。

关键词： 微机械   智能材料   飞秒激光直写   执行器   复眼  

摘要： 微机械的概念最初起源于二十世纪五十年代末,至今已走过了六十多个年头。在此期间,无论是器件的设计与制备还是加工的精度与速度,微机械技术都取得了巨大进展,在生产生活、诊断医疗、环境监测和军事国防等方面均具有广泛的应用前景。飞秒激光直写作为一种强大的加工技术,已经证明了其在三维(3-dimension,3D)微纳加工中的价值,并展现出其他技术无法实现的高空间分辨率、高精度、可编程加工等诸多优势。我们相信在飞秒激光制造技术的加持下,微机械会在未来的日子里迸发出更大的能量。以往大部分微机械通常只能采用单一的驱动方式,在功能性、可操作性以及场景适配度方面都有着一定的局限,阻碍了其进一步投入日常生活的使用。多场操控多组分结构微机械的方法有望成为解决以上问题的技术路径。本论文结合飞秒激光加工在精密制造和3D集成方面的巨大优势,将多种智能材料材料与功能结构进行集成化设计并组装成为多场耦合操控微机械,主要内容如下:1.制备了可进行磁场和化学溶剂双场操控的微纳执行器。将磁性纳米颗粒掺杂到以甲基丙烯酸丁酯为主体的光刻胶中,成功配制出了稳定的适用于飞秒激光加工的复合光敏材料前驱体;系统分析了飞秒激光加工的三项参数(激光功率、曝光时间、扫描步长)对微纳执行器形貌及结构可重构性的影响,实现了基本3D结构的可控制备以及探究了该类结构的刺激响应特性随飞秒激光加工参数变化的量化关系;设计并成功制备了两种微纳执行器(微泳器、微机械手),使装载/释放功能组分、特异性感知功能组分、运动定位功能组分等集成于一体,并对两种执行器分别进行了磁场和化学溶剂的响应幅度测试;进行双场耦合操控,模拟了微纳执行器所适用的应用场景,对执行器的功能完成情况进行了相关研究。创新性地实施多场耦合操控,在微纳执行器的制造和控制方面提出了一种有效的解决办法,有望克服外界复杂环境的影响,实现目标物体靶向运输及释放的任务。2.制备了可进行光场和化学溶剂双场操控的微纳复眼,提出了一种扩大微纳复眼观测范围的新策略。基于聚甲基丙烯酸丁酯(Poly(t-butyl methacrylate),PBMA)智能材料具有高光学透过率、良好的溶剂响应特性以及飞秒激光直写技术对聚合物内部网格梯度化分布的能力,以摄像镜头为灵感,设计并成功制备了一种可进行角度偏转的微纳仿生复眼结构;分别进行了成像、聚焦和视场角等光学特征测试和化学溶剂的定向形变与响应幅度测试;对微纳复眼进行双场耦合操控,相较于同样几何参数的普通聚合物材质复眼,在不影响聚焦于成像效果的前提下,提升了约12%的观测范围。

关键词： 皮秒激光   LCP基板   烧蚀阈值   微加工  

摘要： 随着新一代通信技术的不断发展,传统的信号频段已经无法满足高速的数据传输、高频系统带宽的要求,进而对高频器件提出了新的要求,因此,亟需高频系统对应的器件封装方案来解决相应的问题。归功于LCP具有优异的介电常数温度系数特性、极低的吸湿性和高频封装表现更好等优势,以LCP为基底复合而成的LCP挠性覆铜板针对高频器件封装表现更佳,其在微波/毫米基板封装中有着广泛地应用,在5G电子器件封装领域受到广泛关注。在高频系统封装过程中,微尺度加工必不可少。由于传统的机械冲压和化学刻蚀等方法在加工程序繁琐和产生化学污染等问题,因而应用受限。利用传统激光加工LCP材料,受激光热效应的影响,LCP基材的热形会改变加工激光聚焦从而影响加工精度,而LCP分子在热效应的影响下容易发生材料改性,影响射频器件的电气性能。针对上述问题,近年来,基于超快激光的激光直写技术被广泛的应用于各种有机高分子聚合物材料的冷加工,其加工热影响区较小,加工尺寸的精度较高,可以有效的改善LCP材料在热效应下出现的表面改性等问题。不同于一般有机高分子聚合物,LCP在熔融状态下成键更稳定,流动性更强。因此在加工过程中,熔融的LCP分子难以被光致等离子体进一步激发,在停止激光作用后,这些LCP熔体会回流凝固,使得加工深度减小以及出现切口粗糙等问题。主要研究内容包括以下几个部分:(1)通过对各种高频基板特性的比较,最终选用LCP挠性覆铜板进行高频封装,再对LCP基板的封装应用进行调研,结合皮秒激光加工LCP的优势,进行实验方案的制定。(2)对皮秒激光脉冲能量密度的高斯分布进行了分析与讨论,根据面积推算法,以及实验测量的数据,分别获得LCP材料在红外波长和紫外波长下的损伤阈值,并通过对比选择合适的波长。实验结果发现LCP在1064nm时光聚合反应严重影响加工质量,355nm波长更适合于LCP的精密加工。(3)进一步分析LCP基板超快加工过程中,激光功率、扫描速度、重复频率等对LCP材料蚀刻热力学方面的影响,结合液晶聚合物LCP物化性质来减小熔体液晶回流,提高微划线的加工质量。通过分析扫描速度和平均功率对划线质量的影响规律,发现在扫描速度为500 mm/s-700mm/s,激光平均功率在2.5W-3.5W时能获得较好的蚀刻效果。(4)最后,对LCP基板进行盲孔和去膜的工艺研究,选定最优参数。在此基础上,通过对LCP基板去膜后边框处热影响区分析,进一步探讨如何减小去膜过程中边框处的热影响区宽度。当扫描层数为5-6层,激光功率2.1W-2.7W,扫描速度在600mm/s时,去膜效果较好。综上所述,本论文的目的是通过皮秒激光实验研究激光工艺参数对LCP挠性覆铜板烧蚀阈值、微划线、去膜以及盲孔的影响,获得优化的加工参数。在此基础上,将加工后的材料通过激光共聚焦显微镜进行表征,探索LCP材料在超快激光作用下的热力学过程,解决加工过程中的液晶重凝问题,为LCP材料高频封装的电子器件加工提供初步的理论模型。

关键词： 防冰表面   超疏水   激光烧蚀   仿生结构   钛合金  

摘要： 结冰是金属表面普遍存在的自然现象。结冰问题广泛涉及到航空航天、风力发电、交通运输和电力通信等重要工业领域。金属低温冷表面防冰性能及其控制技术一直是相关研究领域迫切关注的热点。寻找一种低能耗、有效地减少金属低温冷表面结冰的方法尤为重要。近年来,将具有微纳结构的超疏水表面应用于防冰领域受到了广泛关注。但是,表面微纳结构与防冰性能之间的关系尚不明晰。目前制备的超疏水表面依然存在环境适应性较弱、机械稳定性不足及抗冲击性差等问题,严重限制了其在工程上的推广。因此,针对如何将超疏水表面更好地应用于防冰领域的问题,金属表面微结构的设计仍需进一步扩展和创新。本文主要针对微纳米防冰表面的仿生设计与激光加工开展了相关研究。具体内容如下: (1)基于仿生荷叶微锥结构超疏水表面,通过激光烧蚀制备并调控了微锥结构形貌,通过动静态的实验表征结合有限元分析,探究了微结构参数对表面静态防冰性能、动态液滴回弹能力以及鲁棒性的影响规律和机制。 (2)雪橇犬毛发的微孔洞结构表现出一种低温适应性能,而龙虾爪的角质层的孔洞结构展现了良好的机械耐久度。受此启发,提出了结合防冰性能和鲁棒性的顶部开孔微结构表面,并通过激光烧蚀在钛合金表面制备。液滴在该表面的延迟冻结时间可延长18倍以上,同时在磨损和水冲击试验中均表现出优异的耐磨性。顶部开孔还额外提升了表面的超疏水性。 (3)受生长在北极的罂粟特有的捕光和光热特性启发,提出了一种具有高效陷光和光热转化能力的防冰结构。通过激光加工构建的花瓣状和粗糙表皮微结构,具有94%以上的吸收率。在模拟太阳光下,该结构实现了良好的光热性能,与未加工钛合金相比升温温差大于15℃,并且能够在-30℃环境有效抑制冰晶的成核和生长,同时能有效延缓霜的形成。

关键词： 超声振动辅助电火花加工   温度场模型   材料去除率   表面形貌  

摘要： 随着现代特殊材料的不断发展,以航空航天为首的各行各业对于材料的性能要求越来越高,各种高强度、高熔点、高硬度以及较脆的金属材料得到广泛的应用。然而传统机械加工对特殊材料的加工存在明显不足。近年来,超声振动辅助电火花加工等新型复合加工技术的诞生,解决了特殊材料难以铣削的加工问题,从而引起了研究人员的广泛关注。本文围绕垂直超声辅助电火花加工TC4钛合金的相关关键技术展开研究,研究内容主要包括以下几方面:(1)在超声振动辅助电火花加工过程中,极间电压会随放电间隙变化而改变,基于此现象建立超声振动辅助电火花加工的放电能量数学模型。基于传热学理论对TC4钛合金进行电火花放电加工理论分析,并建立了包含电压、电流、放电时间等参数的单脉冲电火花和超声振动辅助电火花放电加工的能量模型以及高斯热源模型。(2)电火花加工为瞬态非线性的热传导过程。在分析超声振动辅助电火花放电能量模型、高斯热源模型以及热传递模型的理论基础上,利用有限元法对超声辅助电火花加工进行瞬态热力学求解。建立了单脉冲超声辅助电火花放电加工温度场模型,并对模型求解和材料去除体积分析,为超声振动辅助电火花加工的发展提供可靠理论支撑。(3)对垂直超声振动辅助电火花加工过程中的电极末端运动路径进行分析,并通过实验得出垂直超声振动辅助电火花加工的电压波形、材料去除率和表面形貌。结果表明:垂直超声振动的施加,可以提高电火花放电击穿放电通道的概率。放电间隙的瞬时减小,使得瞬时热通量突然增大,改变了电火花放电电压,进而影响了单脉冲的放电能量。通过垂直超声振动辅助电火花加工实验发现,电火花加工存在最大放电间隙,不同放电电流的最大放电间隙不同。当超声振动幅值在最大放电间隙内,材料去除率随着振幅的增大而增加,当超声振动幅值大于最大放电间隙,材料去除率随幅值增大而降低。

关键词： 飞秒激光   阵列微结构   H62黄铜   纳米银浆   Anand本构模型   连接性能  

摘要： 极短的脉冲持续时间与极高的峰值功率使得飞秒激光在材料表面阵列微纳结构的制备领域越来越受欢迎。本文以H62黄铜片与1030nm的高重复频率飞秒激光为研究对象,探讨了飞秒激光与材料之间相互作用的机理,分析了不同激光加工参数对材料表面阵列微纳结构形貌的影响。通过对激光加工参数的优化,成功在铜表面制备出不同尺寸级数下的阵列微纳结构。纳米金属颗粒由于纳米尺寸效应能够在较低温度下烧结成块状从而实现电子器件的连接,且能够服役于较高的温度环境。本文对基于纳米银浆烧结的铜互连工艺进行了研究,探讨了铜表面阵列微结构参数与辅助处理对铜互连器件连接强度的影响。通过对纳米银浆烧结工艺进行优化,成功提高了铜互连器件的连接强度。相关研究表明Anand粘塑性本构模型能够较好地表现出纳米银浆烧结体的应变硬化与动态回复等特征。本文通过ANSYS Workbench软件,选用Anand本构模型对基于纳米银浆烧结的裸铜互连与阵列微结构铜互连进行了仿真分析。对器件正常工作下的温度与应力分布进行了分析研究,同时对器件在高、低温循环载荷下的寿命进行了预测,结果表明器件的可靠性较好。本文中,图87幅,表7幅,参考文献95篇