纳米孪晶立方氮化硼的飞秒激光材料去除机理

为实现能应用于超精密切削的新型超硬纳米孪晶立方氮化硼(nt-cBN)刀具的制备,探索了飞秒激光烧蚀方法对nt-cBN的材料去除特性。使用激光单点烧蚀方法及理论公式计算出了nt-cBN的烧蚀阈值及阈值功率,分别为0.523 J/cm~2和4.1 mW;基于烧蚀阈值,对nt-cBN材料在多种烧蚀功率下的单点烧蚀圆孔形貌进行了表征,并分析了不同阶段圆孔内壁多种微结构的形成与演变机理,阐明了随激光功率增加,nt-cBN表面经历了快速热汽化、熔化和相爆炸三种材料去除机理,并形成了纳米驼峰、爆裂和周期性波纹等不同烧蚀显微结构;对nt-cBN块材进行了直线扫描烧蚀加工,提出了基于光束扫描的动态烧蚀过程对材料的破坏形式及去除原理,并与单点烧蚀形成对比;建立了不同烧蚀功率下,飞秒激光扫描速度与加工微槽宽度和深度的关系曲线,并分析了烧蚀功率和扫描速度对加工效率和加工质量的影响规律,提出了能够保证加工效率并同时改善加工质量的激光扫描速度在0.1 mm/s左右。     

飞秒激光单路径刻蚀硅微槽深度研究

对飞秒激光在单晶硅片上单路径加工微槽进行了研究。在固定激光频率和进给深度的条件下,对不同激光功率、扫描次数以及扫描速度对微槽深度的影响展开对比试验,通过COMSOL软件对激光加工硅片温度分布及微槽内激光反射进行数值分析。研究发现,微槽截面形状与激光能量分布特点相关,高频飞秒激光的热累积效应易氧化微槽底部,限制了激光对其的进一步加工;等离子体的屏蔽效应则使得微槽深度随着扫描速度先增大后减小。     

飞秒激光正交线扫描诱导表面微纳结构

通过控制激光偏振与扫描方向,利用飞秒脉冲激光正交线扫描的微加工方式,在硅和不锈钢表面诱导出了规则分布的复合表面微纳结构并分析了激光能量密度对微纳表面结构形成的影响。实验显示:当激光的能量密度接近材料烧蚀阈值时,在硅表面诱导出了周期条纹嵌套纳米孔的双层复合二维结构,在不锈钢表面则诱导出了依赖于激光偏振方向的纳米点阵列分布,分析认为纳米点阵列是由周期条纹结构边缘发生断裂而生成的。另外,当激光的能量密度大于材料烧蚀阈值时,在硅和不锈钢表面会烧蚀出规则分布的微米级孔洞结构。实验结果表明:第一次扫描诱导出的表面微纳结构增加了对入射激光的吸收,促进入射激光与表面等离子体波的耦合,加强了后扫描的烧蚀效果,使得后扫描诱导出的微纳结构占主导。文中提出的正交线扫描的加工方式为微纳表面结构的制备提供了新的思路。     

硬质合金刀具表面微结构的激光加工研究

硬质合金刀具常用来加工难加工材料,通过刀具表面织构化技术可以提高硬质合金刀具的耐磨性和加工性能。激光加工技术作为一种快速非接触自动化加工技术,可以在硬质合金刀具表面上加工出微结构。本文主要研究平均功率、扫描速度、脉冲频率、离焦量、扫描次数这五个工艺参数对硬质合金刀具微结构尺寸及形貌的影响,从而选定最优的激光加工工艺参数。实验结果表明:随着平均功率的增大,微沟槽的深度和宽度都在增加,但功率过大导致严重烧蚀使底侧面形貌不平整;扫描速度和脉冲频率的增加都会使得微沟槽的深度和宽度呈现减小的趋势,过大的扫描速度使得底面形貌不连续,随着脉冲频率和扫描次数的增加,沟槽底面形貌变得平整;离焦量从0mm变化到-1. 2mm时,微沟槽的宽度缓慢增大,深度则先增大后减小,底面形貌由连续变成稀疏的孔洞。通过优选出的激光加工硬质合金刀具工艺参数,制备出了良好的刀具表面单一型和混合型微结构。     

ZrO_2陶瓷生坯表面微织构制备工艺的研究

通过冷等静压技术制备Zr O_2陶瓷生坯,并利用脉冲激光在陶瓷生坯表面制备微织构沟槽。探究激光参数对表面微织构质量的影响,并研究烧蚀区域的热影响区和激光烧蚀表面的微观形态变化。实验结果表明:通过激光加工可以在Zr O_2陶瓷生坯表面加工出深度30-50μm、宽度15-50μm质量较好的微织构沟槽;激光参数对表面加工质量有较大的影响,激光频率低于40Hz、功率低于6W和扫描速度高于200mm/s能够获得较好的表面质量;当激光频率高于60Hz、功率高于10W和扫描速度低于150mm/s时,在激光烧蚀表面容易形成烧蚀层,分析得知烧蚀层是由于在激光高温照射下Zr O_2颗粒的熔化和再凝固形成的。     

纳秒激光加工和热处理对纯铝表面润湿性的影响

采用纳秒激光加工技术在纯铝板表面制备微纳米结构,之后进行150℃×2h的热处理,研究激光扫描间距(0.0050.020mm)、扫描速度(1001 700mm·s~(-1))与热处理对激光烧蚀表面润湿性的影响。结果表明:不同工艺参数下激光烧蚀后纯铝板表面均形成了相对规则的微纳米网格结构;激光烧蚀后的纯铝板表面为超亲水表面,再经热处理后变为疏水表面或超疏水表面;随着扫描速度和扫描间距的增大,激光烧蚀和热处理后,纯铝板表面的接触角变化不明显,滑动角增大,表现出不同程度的润湿性;在激光扫描速度为100mm·s~(-1),扫描间距为0.005mm下激光烧蚀与热处理后,纯铝板表面微纳米结构致密,其接触角为155.6°,滑动角为4°,超疏水性最佳。     

液相下激光烧蚀快速制备图案化铜微纳结构

为了实现大面积图案化铜微纳结构的制备，基于液相下激光烧蚀技术，以硅片为衬底，将其浸没在含有Cu2O微米粒子的乙醇溶液中，采用纳秒脉冲激光进行加工。研究了激光功率、扫描速度和扫描次数对铜微纳结构的影响，分析了图案化铜微纳结构的形成机制，并研究了图案化铜微纳结构的浸润特性。扫描电子显微镜结果表明，随着激光功率、扫描速度和扫描次数的增加，图案化铜微纳结构中的铜颗粒熔融现象加剧，光斑中心区域的纳米颗粒粒径逐渐增大，光斑交界处形成呈现周期性分布的微米量级单元结构。能量色散X射线光谱证明少量Cu元素分布在光斑中心区域，大量Cu元素集中在光斑交界处。随着扫描次数的增加，样品表面粗糙度和纯净水/食用油接触角均呈现先上升后下降的趋势。当扫描次数为6时，表面平均粗糙度为（1.3±0.11）μm，纯净水接触角可达（155.2±1.5）°，食用油接触角达（100.0±1.3）°。该大面积图案化铜微纳结构制备方法简单快速，无粉尘污染，在微流体芯片、集水系统和废水处理等领域具有广泛的应用前景。     

基于飞秒激光双光子的微齿轮加工技术研究

针对传统加工方法很难实现微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)零部件高质量加工的问题,在微细加工技术研究基础上,提出采用飞秒激光双光子聚合加工技术加工标准渐开线微齿轮的方法.采用钛蓝宝石激光器自行搭建的飞秒激光双光子加工系统,能够输出波长为800 nm的飞秒激光用于双光子聚合加工,利用AutoCAD软件设计标准渐开线微齿轮,通过理论和试验两种方法研究激光功率与单个固化点尺寸之间的关系,进而研究扫描步距与加工精度和表面粗糙度之间的关系,结果表明,激光功率越小,加工分辨率越高;扫描步距越小,加工变形越大,但表面质量提高.采用优化后的加工工艺参数加工出高质量的标准渐开线微齿轮,其表面粗糙度Ra27.66 nm.因此,飞秒激光双光子加工技术能够为微齿轮或其他MEMS零部件的加工提供一条有效途径.     

飞秒激光烧蚀不锈钢的实验研究

进行了飞秒激光烧蚀不锈钢(SUS420)的工艺实验研究。采用波长为780nm,脉宽为164fs,频率为1k Hz的飞秒激光照射不锈钢。对比分析了长短脉冲激光烧蚀不锈钢的作用过程,计算了单脉冲飞秒激光烧蚀不锈钢的烧蚀阈值和烧蚀阈值随脉冲数量改变的累计系数,研究了不同激光参数烧蚀不锈钢的工艺规律。结果表明:飞秒激光烧蚀金属材料的过程中对加工区域周围具有较小的热影响;单脉冲飞秒激光烧蚀不锈钢的烧蚀阈值为0.25J/cm2,烧蚀阈值随脉冲数量改变的累计系数为0.68;飞秒激光脉冲能量对烧蚀孔孔径的增加比较明显,脉冲数量对烧蚀孔孔深的增加比较显著。     

激光微造型技术中表面微形貌的数值模拟研究

近年来研究发现,具有规则凹凸的非光滑表面,具有良好的摩擦润滑性能.而激光表面微造型技术由于具有良好的可操控性,被广泛认为是具有较好的实现规则凹凸非光滑表面的表面微细加工技术.为了预测激光微细造型所得表面形貌的几何特征,本文采用有限元分析软件ANSYS对激光微造型中的烧蚀温度场和弹坑进行数值模拟.在此基础上详细分析了激光功率密度、激光脉宽对烧蚀弹坑表面形貌的影响和变化规律,为快速有效地加工出所设计的规则凹凸非光滑表面奠定了基础.     

氧化铝陶瓷基板紫外纳秒激光打孔工艺研究

氧化铝陶瓷基板作为雷达微波组件的核心部件,其硬脆特性使得传统加工方法在导通孔加工中存在很多限制。激光加工作为一种非接触式高能束加工方法,是氧化铝陶瓷表面孔加工的最优选择。文中主要研究了紫外纳秒激光氧化铝陶瓷表面孔加工中的激光加工参数（包括激光平均功率、扫描速度和扫描次数等）对孔的特征尺寸（包括入口直径、出口直径和锥度）的影响规律,并分析了各种规律产生的相关机理。此研究为雷达微波用电子陶瓷基板的导通孔加工提供了有力的理论依据和技术支持。     

内置微通道T/R组件壳体设计及试验研究

为了降低界面热阻对微通道散热性能的制约,提出了一种组件壳体内置微通道散热单元的设计架构,以满足新一代高功率芯片T/R组件的热控需求.对内置微通道的传热特性进行数值仿真分析,优选出最佳结构参数组合.基于优选设计参数,整合UV-LIGA微细加工技术、精密扩散焊接技术及微组装技术,完成内置微通道散热单元T/R组件的模拟样件研...     

飞秒激光精修面齿轮的扫描烧蚀特征控制

基于飞秒激光精修面齿轮时的能量累积效应,建立了光子-电子-晶格系统间耦合作用的三温传热模型,提出一种确定飞秒激光烧蚀齿面扫描路径间扫描间距的方法。仿真得出,能量密度为6.47 J/cm2时,平衡温度3200 K超过材料的熔化温度,热累积效应明显。根据不同的扫描间距计算激光累积强度,以控制凹坑烧蚀深度和轮廓。实验结果显示,能量密度为6.47 J/cm2时,随着扫描间距的减小,激光累积强度增大,齿面的烧蚀深度线性增大;扫描间距为25 μm时的齿轮表面加工质量良好。     

单晶硅表面微结构纳秒脉冲激光加工研究

以单晶硅为对象,使用波长355 nm、脉宽15 ns的纳秒激光对单晶硅进行烧蚀加工试验研究.基于单因素法设计并完成了单晶硅纳秒脉冲激光直线刻蚀试验,探究了激光输出功率、激光脉冲重复频率、激光扫描速度和扫描次数对纳秒脉冲激光加工单晶硅表面形貌的影响规律.基于优化的加工工艺参数,在单晶硅表面制备出方形阵列的微结构.     

飞秒激光抛光CVD金刚石涂层表面

为了实现降低金刚石涂层粗糙度的目的,本文研究了飞秒激光功率,重复频率以及扫描速度对金刚石涂层表面粗糙度的影响,试验之后利用白光干涉仪检测抛光区域形貌以及粗糙度。试验结果表明：粗糙度随着功率的降低而减小,当功率降至100 mw以下时抛光后的粗糙度会随着功率的降低而略微的提高;重复频率对抛光后的粗糙度无显著影响;粗糙度随扫描速度的增大而减小,当扫描速度增加到1.6 mm/s之后,粗糙度会出现略微的升高。在功率100 mw,重复频率1 KHz,扫描速度1.6 mm/s的条件下,得到的粗糙度最低,约为0.14 μm,局部区域粗糙度可降至100 nm以下,并且抛光的区域相对于未抛光区域更具有致密性,基本上满足金刚石涂层低摩擦表面的要求。     

Ultrashort pulse laser micromachined microchannels and their application in an optical switch

The capability of direct writing makes ultrashort pulse laser significant in the microfabrication of MEMS devices based on polymer and glass. In particular, nanosecond and femtosecond lasers are able to transfer the adequate energy in femtosecond intervals for the removal of the materials. Because of its advantages, just like the small feature size, smooth finishing surface, flexible structuring and the minimum thermal effect, ultrashort pulse lasers have become a convincing technique with the high peak power. This paper presents the femtosecond laser machining results of the polycarbonate, aluminosilicate glasses and nanosecond laser machining of aluminosilicate glasses. The microchannels with the critical micron-scale dimensions and the sub-micron scale surface roughness were achieved by the optimized operating parameters of the laser. The major influence factors such as cutting speed, power energy, and power stability were analyzed to obtain the optimized parameters for the fabrication of the microchannels for a bubble switch. The ultrashort pulse laser micromachining was applied in the prototype of a bubble optical switch. By miniaturization of the structure of the microchannel, the switch speed can be promisingly improved.     

粉末床激光熔化成形H13钢工艺优化及力学性能研究

通过实验方法优化得到了粉末床激光熔化成形H13钢的工艺参数,并研究了成形样件的微观组织和拉伸性能。通过实验得到了H13钢单道成形的优化工艺区间:激光功率225 ~ 325 W,扫描速度600 ~1200 mm/s,通过块体实验得到优化的工艺参数为:激光功率275 W,扫描速度900 mm/s,扫描间距0.08 mm。微观组织显示为柱状晶粒,晶粒的宽度约为3 ~ 5 μm,长度约为10 ~ 40 μm。在优化工艺参数下成形试样的室温抗拉强度高达1 761 MPa,延伸率为2.72%。     

Design of energy optimization for laser polymer joining process

Different laser heat inputs were applied on the gray-colored acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic using fixed laser power and variable scanning speeds to join ABS- and polycarbonate (PC)-based polymers. Experiments with a laser power between 6 and 8 W and a scanning speed of 1,500, 3,000, and 4,500 mm/min were used for the joining. Heat-affected zone (HAZ) and melt zone measurements were performed to find the joining energy threshold, and the mechanical properties of welds were evaluated. At the low scanning speed, the total heat input at the given area resulted in carbonization damage on the surface. However, energy distributed laser beam joining process by galvanometers resulted in secure and sound weld joining quality. Damage threshold was calculated as 127 J/cm² with relatively less sensitivity of scanning speed. However, the ablation threshold was measured to be 215, 281, and 424 J/cm² for the scanning speed of 4,500, 3,000 and 1,500 mm/min, respectively.     

Kinematics and trajectory analysis of the fixed abrasive lapping process in machining of interdigitated micro-channels on bipolar plates

The fixed abrasive lapping process is presented to investigate its ability and accuracy in machining of interdigitated micro-channels on bipolar plates that are used in the proton exchange membrane fuel cell. A kinematical equation to describing the relative movement between the fixed abrasive lapping plate and workpiece is developed and used to numerically simulate the trajectories of a single diamond abrasive and fixed diamond abrasives with 17 different arraying forms, respectively. It is shown that the lapping trajectory can be superposed periodically when the rotation ratio is a rational number. By assessing the uniformity of lapping trajectories and opening ratio of the bipolar plate the optimized rotation ratio is obtained which is 1:1, and the best arraying form of the fixed diamond abrasives on the lapping plate has been obtained as well that is the arraying form of C4. Then, a set of fixed abrasive lapping tests were conducted to explore its ability in machining of interdigitated micro-channels on bipolar plates. It is found that larger material removal rate can be achieved by employing bigger lapping pressure and higher rotation speed for both copper and stainless steel samples considered in this study. The maximum cell power density is found to be about 165 mW cm⁻² by testing the performance of a single micro fuel cell with a bipolar plate characterized by interdigitated micro-channels that shows a good cell performance.     

飞秒激光加工最新研究进展

飞秒激光作为一种先进的加工技术,以其"冷加工"、多光子非线性效应、突破衍射极限等特质可实现对任意材料由微纳到宏观尺度复杂三维零件的精密加工,在微纳和精密机械、微纳电子、微纳光学、表面工程、生物医学等领域展露了巨大的市场应用前景。文章重点针对近三年来飞秒激光刻蚀、切割、制孔、功能表面制备、体内加工和聚合加工的研究进展进行综述,并探讨了飞秒激光在与材料相互作用机制、加工精度、加工方式、加工对象等方面面临的机遇和挑战。