基于激光加工的自组装基底润湿性调控研究

表面张力自组装技术的一个重要前提就是利用润湿性分区结构将液滴限制在目标区域。提出一种采用微秒脉冲激光在复合基底表面上制造润湿性分区结构的方法。该方法可通过改变激光加工参数控制复合基底表面超疏水涂层的去除面积占比，进而调控加工区域的润湿性。建立去除面积占比的数学模型和仿真模型，研究加工参数对去除面积占比以及润湿性的影响。结果表明，加工区域的去除面积占比与加工速度和扫描线间距成反比。采用不同的加工参数制备了不同的润湿性分区结构并测量了其接触角。试验结果表明，随着加工速度从100 mm/s提高到9 000 mm/s,扫描线间距从20μm增加到150μm,加工区域的去除面积占比减小，接触角从5°以下逐步增大到127°;随着基底表面与激光焦平面之间距离的绝对值从0增加至3 mm,加工区域的接触角从5°以下增大到170°以上。进行了微芯片自组装试验，结果表明，利用该方法制备的润湿性分区结构可实现液滴限制和微芯片自组装。研究结果为制造润湿性可控的自组装基底提供了新思路。     

真空镀膜中基底预应力的有限元分析

真空镀膜过程中,基底因支撑、温度梯度造成的应变会对最终的薄膜-基底系统的面形产生影响。用有限元方法对不同支撑方式下不同尺寸基底的预应力以及烘烤过程中基底内部温度梯度造成的热应力进行了分析和计算,得到基底表面变形的峰谷值,并给出了不同工况下基底形变的等值线图。对于尺寸超过200 mm的基底,自重变形量和热应力变形量比较大,是影响最终薄膜面形的重要因素;装夹时随着基底倾角的增大,基底的形变与应力呈减小趋势;同样结构尺寸情况下,熔融石英基底的自重变形量略大于BK7基底,热变形量远小于BK7基底;热应力对基底预应力的贡献较大。     

钕磷酸盐激光玻璃中金属铂颗粒的产生与迁移

给出了钕磷酸盐激光玻璃中可能存在的铂磷酸盐、偏磷酸盐化合物的热力学参数.利用这些参数,研究了激光玻璃熔制过程中可能发生的液-固、气-固、气-液等化学反应的方向和限度,分析了玻璃中金属铂颗粒的可能来源、存在方式及迁移过程.结合实验讨论了铂的产生及迁移、最佳除铂工艺途径和钕磷酸盐激光玻璃的除铂机理.     

一种空间压电润滑装置的建模与仿真

提出一种主动按需供油的压电润滑装置,以解决航天器运动部件润滑失效问题。首先运用有限元分析软件ANSYS对压电振子进行了瞬态分析,再利用多相流流体软件CFD-ACE+建立喷嘴气-液两相流体模型。最后对液滴喷射过程进行数值模拟,以考察脉冲电压幅值变化对各喷射参数的影响。数值模拟结果表明,增加脉冲电压幅值,可增加液滴长度和速度,但对液滴产生时间影响不大。     

温度梯度驱动下水银在石墨烯表面的运动特性北大核心

采用分子动力学模拟的方法,探究温度梯度驱动下水银在石墨烯表面的流动特性。重点研究了石墨烯的全局热振荡对石墨烯表面水银运动的影响。研究表明:在稳定的温度梯度下,单层石墨烯模型与刚体石墨烯模型的表面温度均呈近似线性分布,但刚体石墨烯模型表面温度分布的线性特征更加明显;同时,石墨烯表面水银液滴在温度梯度驱动下从高温区域向低温区域运动,且水银液滴在石墨烯表面流动的速度、加速度均随温度梯度的增大而增大。提出了刚体石墨烯模型。研究结果表明,石墨烯的全局热振荡所产生的驱动力方向与水银液滴在石墨烯表面的运动方向相同,均由高温区域指向低温区域。     

TC4微织构表面液滴撞击特性实验研究

为了探究不同扫描速度下激光刻蚀钛合金微织构超疏水表面的液滴撞击特性,在工业用材TC4(Ti 6Al4V)表面进行一步成型激光刻蚀后,利用扫描电子显微镜和共聚焦电子显微镜对表面形貌进行观测,利用接触角测量仪测量表面的润湿性,利用高速摄像机实验平台捕捉液滴撞击过程。结果表明,受表面微织构和表面化学性能的共同影响,扫描速度为200mm·s-1的工况下,表面的疏水性能最佳;疏水性能好的表面由于黏性耗散低,液滴的最大铺展系数较大。     

随动同步电感辅助直接激光沉积温度分布规律研究

将电磁场引入直接激光沉积中，可对沉积过程进行有效调控，进而提高成形件的性能。研究提出随动同步电感辅助直接激光沉积技术，建立了随动同步电感辅助直接激光沉积过程有限元分析模型，并证实模型的准确性。预测电感电流为0 A、9 A、12 A、15 A、18 A、21 A时，随动同步电感对于沉积过程热作用区、冷却速率、温度梯度以及固-液界面处生长速率的影响。计算结果表明，预热15 s后的温升速率趋近于0 K/s,且所能达到的最大温度与热作用区尺寸可分别近似为电流的一次与二次函数。由于电感的缓冷作用，熔池凝固后表面中心点处的温度随着电流的增大而增大，冷却速率与温度梯度则随着电流的增大而减小，其中当电流为21 A时，最大冷却速率减小了8%。随着电流的增大，熔池固-液界面处的最大温度梯度减小、平均生长速率增大，与电流分别成三次函数与一阶指数函数关系。     

接触角的图像处理与检测

介绍了接触角法测定表面洁净度的基本原理,并针对表面液滴图像的特点,采用图像处理技术测量表面接触角.首先利用中值滤波算法对图像进行预处理;然后利用边缘检测和轮廓跟踪等算法提取液滴的边界曲线;最后采用以多项式作为基函数的最小二乘拟合算法拟合液滴边界曲线,继而求导得到接触角.结果表明,当选用四阶或五阶多项式为拟合函数,拟合采...     

10cm VGF法GaAs单晶生长过程中热应力的数值模拟

采用数值模拟技术模拟了10cm(4 in)VOF法GaAs单晶生长过程中的温场分布、固液界面形貌以及热应力分布.推导得到了固液界面形状与轴向温度梯度和径向温度梯度之间的关系,定义了一个固液界面形状函数,用以表征固液界面偏离度.固液界面偏离度可定义为晶体边缘和晶体中心轴向位置的差值.计算得到固液界面凹(凸)度的临界值,小于该值时,固液界面附近的热应力低于临界分解剪切应力(CRSS).模拟计算了两个时刻的晶体中的热应力分布:当偏离度大于临界值时,晶体中的热应力大于CRSS,反之,晶体中的热应力小于CRSS,验证了理论推导的结果.     

利用计算机自动计算固液气相面的接触角

本文利用边缘提取和曲线拟合的算法求取组元界面的动态变化参数,从而实现对所摄图象自动计算固液气相面的接触角和分析固液气相面的润湿特性。     

介质上电润湿液滴输运、合并及振荡实验研究

利用MEMS技术制作了平板电润湿芯片,建立了可视化实验研究平台,运用高速CCD对分裂式电极施加交流电压后的液滴传输和合并过程以及相邻电极接地式芯片上液滴的交流振荡过程进行了可视化实验研究。除了对液滴形状的观测外,还重点关注了接触线的运动规律。研究发现,接触角滞后现象将导致接触线在液滴输运、合并以及振荡过程中出现停顿现象,在液滴振荡过程中,只有施加电压足够大时,才能克服这种迟滞现象。当液滴初始位置偏离电极对中心时,在一定条件下交流电作用将造成液滴形态左右摇摆、接触线非对称运动的非对称振荡现象。     

激光前向转印液滴碰壁的仿真与试验研究

激光诱导前向转印(LIFT)是一种应用广泛的微加工技术，目前逐渐成为微细加工的研究热点之一。本文采用水平集方法，建立了激光前向转印过程中液滴撞击固体壁面的数值模型，探究了壁面湿润性和液滴初始速度对熔融金属液滴撞击壁面后铺展形貌的影响。结果表明：接触角越大，液滴撞击壁面越容易发生回缩破碎，液滴回弹的可能性越大；随着初始速度的提升，液滴的最大铺展面积逐渐增大，液滴铺展时间逐渐增长。在试验中通过施加不同强度的激光能量获得不同初始速度的液滴，将液滴沉积点尺寸与仿真液滴铺展尺寸进行对比，发现两者具有较好的一致性，因此可以通过建立的仿真模型对激光转印液滴的沉积尺寸进行预测。     

基于介电润湿效应的微液滴操控

基于介电润湿的微液滴操控已被众多学者实现,但微液滴接触角在饱和阶段随电压变化的数学关系仍未得到较好解决,为此,基于能量最小化原理对Young-Lippmann方程进行了补充和改进.结合理论计算和数值仿真设计了一种叉齿状驱动电极单元数字微流控芯片,并加工出介电层分别为SiO2及SiO2-Si3N4-SiO2两种结构的芯片.实验结果表明,在接触角饱和阶段,所改进的Young-Lippmann方程能在一定程度上反映微液滴接触角的变化趋势.此外,SiO2-Si3N4-SiO2复合介电层结构中的微液滴操控电压低于SiO2单一介电层中微液滴操控电压.     

激光超高温度梯度快速定向凝固研究

研究了激光重熔工艺参数对三种不同成分的Cu Mn合金重熔区微观组织生长方向的影响。结果表明 ,熔池中微观组织的生长方向强烈地受激光工艺参数 (激光输出功率和扫描速度 )和合金成分的影响。通过选择合适的工艺参数 ,实现了与Bridgman法类似的超高温度梯度快速定向凝固 ,其温度梯度可高达 10 6 K m ,速度可高达 2 4mm s。利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键在于 :1)在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度 ;2 )根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数以获得胞晶组织。     

基于液滴润湿形态测定接触角的图像处理方法

接触角是表征液体与固体润湿程度的重要度量参数,焊料、焊剂、焊盘及阻焊层的接触角与电子制造焊接工艺密切相关。针对目前基于图像测量接触角的精度还不够高的现状,提出运用Young-Laplace方程的物理原理作为图像处理的方法,基于液滴润湿形态图像处理体积并捕获顶点坐标作为拟合参数,获得良好的接触角测量精度,显著减小了重力、液滴体积和光反射干扰对测量结果的影响。     

表面处理对液晶显示阵列基板中黑矩阵残留的影响

主要分析了黑矩阵残留程度与SiNx、SiON、SiOx等基底表面亲水特性的关系,研究了等离子体处理对基底表面亲水特性以及黑矩阵残留的影响。首先,通过原子力显微镜和扫描电子显微镜对黑矩阵在不同基底表面的残留颗粒大小、表面粗糙度进行了测试。然后,使用接触角测试仪对不同基底表面的亲水特性进行了表征,分析了表面亲水特性和黑矩阵残留程度的关系。最后,研究了等离子体处理条件对基底表面亲水特性的影响,提出了采用O2/He等离子体对基底表面进行改性来解决黑矩阵的残留问题。实验结果表明:基底表面的水接触角越小、亲水性越强,黑矩阵在基底表面的残留越少;O2/He等离子体表面处理使基底表面的水接触角从17°降低到3°,增强了基底表面的亲水特性,并且黑矩阵工艺之后基底表面的粗糙度从3.06nm降低到0.69nm,消除了黑矩阵的残留。     

用于微流控芯片系统的超疏水表面的制备

为了分析超疏水表面的物理特性及应用前景,介绍了粗糙超疏水表面的两种理论模型,提出了一种基于MEMS加工技术的超疏水表面制备工艺,即利用ICP刻蚀工艺制备规则的硅方柱,并用旋转涂覆TeflonAF1600作为疏水薄膜,制备了疏水特性可控的硅表面。对接触角进行了测量,结果表明,在平整Teflon薄膜表面上,去离子水液滴的本征接触角约为117°,在边长间距比为10μm/35μm的方柱表面上的去离子水液滴显现接触角可达170°。另处,还给出了为避免Wenzel液滴出现的“安全”设计参数(方柱间距边长比小于2.5),以及一种基于润湿性梯度的微流体操控方案。     

激光加工中传热相变问题的焓解法

基于焓方法发展的二维轴对称数学模型 ,考虑了激光束能量的时间和空间分布以及材料的变热物性影响 ,模拟了激光加工中材料的传热和相变过程 ,并分别计算了高斯光束及平面圆形光束作用于纯铁时材料内部的气液及固液界面随时间的发展及非稳态温度场演化     

垂直Bridgman法生长氟化钙晶体的数值分析

利用Fluent软件,模拟计算了垂直Bridgman法大尺寸氟化钙晶体生长的具体过程,研究了晶体生长过程中的热传递和熔体对流传热,分析了固相、液相和坩埚的热导率的差异对坩埚中心轴的轴向温度分布和轴向温度梯度以及界面处的径向温度分布和径向温度梯度的影响。分析结果表明:熔体对流传热的效果随晶体生长的不断进行逐渐减弱;固相、液相和坩埚的热导率的差异对坩埚中心轴的轴向温度分布和轴向温度梯度以及界面处的径向温度分布和径向温度梯度有重要影响;晶体的结晶速度和坩埚的下降速度存在不一致性。     

微通道板表面羟基化工艺研究北大核心

研究了3种微通道板基底羟基化的方法,测量了羟基化处理后微通道板基底表面水接触角及通道端面的形貌变化,分析了各种方法中微通道板基底的亲水性和腐蚀情况。实验结果表明:氨水双氧水溶液对基体表面的亲水性能提升不大,NaOH溶液对基体有腐蚀作用,经食人鱼溶液处理的基体表面亲水性明显提高且无腐蚀作用。研究了微通道板在食人鱼溶液中的浸泡时间和浸泡温度对表面亲水性的影响。结果表明:随着浸泡温度的增加,微通道板表面水接触角先减小后增大,当温度为80℃时达到极小值,浸泡时间对微通道板表面的亲水性影响不大。最终确定了微通道板表面羟基化工艺:浸泡温度为80℃,静置时间为20~60 min。