等离子体处理对AA7075铝合金表面特性及胶接性能的影响

目的 改善AA7075铝合金的胶接性能及表面特性,提高胶接强度,研究等离子体处理对AA7075铝合金表面特性的影响。方法 采用低温空气等离子体处理设备对AA7075铝合金进行表面处理,改变等离子体处理距离及处理速度,通过胶接及拉伸剪切试验对AA7075铝合金胶接强度进行测试,并利用SEM、AFM、接触角测量仪、FTIR、XPS等对铝合金表面的物化特性进行表征和分析,探究等离子体处理对铝合金胶接性能的影响及机理。结果 当等离子体处理距离d为5 mm,速度v为2 mm/s时,AA7075铝合金胶接接头强度最大为14.56 MPa,与丙酮处理及未处理相比,分别提高约80％、200%。接头拉伸载荷位移曲线及破坏形貌表明,接头内聚破坏程度增大,胶粘剂呈内聚破坏形态分布在铝合金两侧。随着处理距离从10 mm降低至5 mm,铝合金表面部分污染物可以有效清除,表面最大高度差从221.8 nm降低至121.6 nm,表面微米级粗糙轮廓增加。同时,表面水接触角从46°降低至26°,表面自由能及极性分量增加,铝合金表面润湿性及表面吸附性能提高。表面FTIR、XPS测试表明,等离子体处理可以改变AA7075铝合金表面C1s、O1s、Al2p、N1s、Mg1s等元素含量占比,表面C—C、C—O和O—C=O基团含量减少,OH、Al—O等极性基团增多,铝合金表面活性明显增加。结论 等离子体处理可以显著提高AA7075铝合金胶接强度,胶接接头失效模式由单一界面失效转变为胶粘剂内聚失效。等离子体处理通过改善AA7075铝合金表面润湿、黏附性能,增大粘结面积,同时提高表面极性基团及表面活性,使铝合金与胶粘剂胶接界面形成化学键合作用,从而提高其与胶粘剂界面的粘结强度。     

激光-热处理复合工艺制备油水分离表面及性能研究

目的 研发一种高效、低成本的激光-热处理复合工艺,制备具有油水分离性能的泡沫铜表面,为石油污染的净化提供一种有效的参考方法。方法 首先利用纳秒激光在泡沫铜表面上诱导出多级微纳米结构,然后将泡沫铜放入低温烘箱中加热处理,通过调控激光参数和热处理相互作用制备出了超疏水超亲油泡沫铜表面,并使用扫描电子显微镜、光电子能谱仪和接触角测量仪,对激光加工前后泡沫铜表面的微纳结构、表面化学元素组成和油水在表面的润湿性进行了表征。结果 泡沫铜表面经纳秒激光加工后诱导生成的多级微纳结构受到包括激光扫描速率、激光加工功率和扫描间距等激光加工参数的显著影响。同时,配合低温热处理工艺,激光制备泡沫铜表面的化学成分快速转变,表面能显著降低,使得泡沫铜表面获得了超疏水超亲油的润湿特性。本工作制备的泡沫铜表面在空气中的最大水接触角为158.5°,油接触角为0°。并利用油水分离试验装置验证了激光-热处理复合工艺制备的超疏水超亲油泡沫铜表面可以使油和水选择性通过,分离效率超过90%。结论 激光-热处理复合工艺制备的具有多级微纳结构的泡沫铜表面具备优异的超疏水超亲油特性,展现出了良好的油水分离性能,有望实现海洋生态中石油污染的净化。     

超快激光制备材料表面微纳结构的研究进展

超快激光具有脉冲宽度短、峰值功率高的特点,相对于长脉冲对材料造成的热影响几乎为零,这使得利用超快激光加工材料逐渐受到科学界的重视。 文中综述了超快激光辐照材料表面产生微纳结构的机理,总结了超快激光制备材料表面微纳结构的主要特点以及特殊性能的表现,针对超快激光加工不同种材料和采取不同种加工工艺两个方面进行论述,对材料表面结构的形貌形成、展现的性能及研究结论加以说明,并对各个工艺的优缺进行了讨论。 最后对超快激光制备仿生功能表面和生物医学材料表面等最新发展趋势进行了总结,并对超快激光制备材料表面微纳结构在未来研究发展中会遇到的问题进行了展望。     

等离子体表面处理对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)胶接性能及表面特性的影响EI北大核心CSCD

为改善碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)表面润湿性能及表面活性,提高其胶接强度,采用旋喷式空气等离子体处理设备对CFRP进行表面处理,通过拉伸试验探究等离子体表面处理距离、处理速度对CFRP胶接性能的影响,并利用接触角测量仪、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)等测试技术,探究等离子体处理对CFRP表面润湿性、表面形貌、表面化学组分等表面特性的影响。结果表明:CFRP表面经等离子体处理后,胶接强度逐渐提高,处理距离h为10mm,处理速度v为2mm/s时,接头强度最大。接头破坏模式从界面破坏转变为混合破坏模式。随等离子体处理距离及速度的降低,复合材料表面水接触角降低,表面自由能及极性分量增加,表面润湿性及吸附性能提高。经等离子体处理后,CFRP表面产生微米级沟壑,表面积增加,但当处理距离较近时,部分表面树脂因等离子体热响应产生损伤,不利于胶接性能的进一步提升。复合材料基体与等离子体中活性粒子相互作用后,表面含氧基团增多,并产生C—O/C—O、C=O/O—C=O等较为活泼的含氧基团,有利于复合材料与胶粘剂形成牢固的化学键合。等离子体处理可以显著提高复合材料表面润湿性、表面活性及胶接性能。     

表面微纳结构和化学修饰对润湿性影响研究进展

润湿性是赋予材料表面的重要特征之一，对功能件服役行为具有极为重要的作用。影响表面润湿性的主要因素包括材料表面能、表面表面粗糙度以及表面微纳结构，而鲜有定量研究其间关系。对表面微纳结构和化学修饰对润湿性影响进行研究，首先介绍表面润湿性的三种经典理论模型及润湿理论的最新进展，详细综述国内外学者对表面微纳结构和化学修饰对表面润湿性影响的研究现状，分析并讨论接触角随表面粗糙度变化的内在机理和成因，阐述表面微织构对润湿性的影响及在不同领域内化学修饰的作用，最后总结当前面临的主要问题和未来的发展方向。结果表明，表面微织构和调控表面能是调控材料表面润湿性的关键因素和基本条件；在润湿理论逐步完善的过程中，建立起的修正物理与数学模型使试验数据与理论模型更具匹配性，以期得到适用性更广的理论模型；润湿性表面的制备也逐渐从单一的圆形、方形和沟槽微结构向微-纳多尺度、多层复合微织构和仿生功能性表面的创成与优化等方向发展；激光加工结合其他技术实现多响应、多功能润湿性表面的制备是未来的重要研究方向：材料表面润湿性影响因素众多，除受表面微纳结构和化学修饰的影响外，功能表面会与基底材料和周围环境发生化学反应，也会导致润...     

表面处理对Al-Li合金胶接性能与耐腐蚀性的影响

目的提高铝锂合金胶接接头的强度与耐腐蚀性能。方法对铝锂合金板采用砂纸打磨、喷砂和磷酸阳极化处理,在表面处理后的基板上铺一层FM94胶,并加压固化,得到单搭接接头。分析不同表面处理后铝锂合金试样的表面形貌、表面粗糙度、表面自由能和表面化学组成,对接头进行湿热环境老化实验,测试湿热老化前后胶接接头的强度,研究揭示不同表面处理方法对胶接接头强度与抗湿热老化能力的影响。结果与砂纸打磨后的试样相比,喷砂与磷酸阳极化处理能显著提高铝锂合金试样的表面粗糙度和表面自由能。同时,经EDS分析发现,阳极化后铝锂合金表面氧元素大量增加。阳极化和喷砂处理后的接头强度分别为37.0、26.8MPa,而简单打磨过后的接头仅为16.4MPa。湿热老化后,磷酸阳极化处理的接头强度仅下降12.2%,而喷砂处理和砂纸打磨处理的接头强度分别下降了30.6%和19.5%。结论磷酸阳极化和喷砂处理均能增大铝锂合金胶接接头的强度,但阳极化处理效果更好,阳极化处理能显著加强接头的耐腐蚀能力,而喷砂处理则对接头的耐腐蚀能力无明显提升。     

不同表面处理方法对环氧胶接接头老化性能的影响

    选用了LY12CZ铝合金和TA2钛合金两种基体,分别采用了两种不同的表面处理方法对其进行表面处理：砂纸打磨、磷酸阳极化(PAA)和砂纸打磨、阳极化(SHA);研究了不同表面处理方法对Al/Al环氧胶接接头、Ti/Ti环氧胶接接头老化性能的影响,结果表明,与砂纸打磨法相比PAA和SHA表面处理法能显著提高环氧胶接接头在介质中的老化性能,尤其是在低温介质中的耐久性.     

激光毛化对铝/钢电弧熔钎焊接头界面与性能的影响

使用高性能铝/钢焊接件是汽车轻量化一直追求的目标. 针对铝/钢接头界面脆性金属间化合物层导致接头性能较差并限制其应用的问题,采用小功率激光毛化处理工艺改变钢表面微观形貌,开展铝上钢下的TIG熔钎焊试验. 通过扫描电镜观察分析了接头界面金属间化合物层的形态与分布,研究了激光毛化线间距对液态铝在钢表面润湿铺展行为及接头钎接界面金属间化合物形态与分布对接头力学性能的影响规律. 结果表明,钢表面经毛化处理后,液态铝在其表面的润湿铺展性能变差,但接头钢侧界面由平直状态变为凹槽锯齿状弯曲状态,使铝钢反应接触面积增大、机械咬合作用增强,同时凹槽对裂纹的扩展起到阻断作用,提高了接头的力学性能. 金属间化合物分布呈现出由沿界面均匀连续性分布变为凹槽内数量较多的非均匀分布特征. 当线间距为130 μm时,接头平均抗拉剪强度达到85.8 MPa.     

基于激光表面织构提升钢材与木材间粘接强度

胶接钢-木组合构件中,受胶黏剂在钢材表面附着力弱的制约,钢材和木材的粘接强度不高。为改善胶黏剂在钢材上的粘附能力,提出采用激光在钢材表面形成微织构增加胶黏剂与钢材接触面积及嵌入深度。通过单搭接剪切试验,探究织构形状（方形凹坑、竖向沟槽、横向沟槽）对钢材和木材粘接强度的影响;借助激光共聚焦轮廓仪检测钢材表面粗糙度和织构深度,采用扫描电镜（SEM）观察激光处理后钢材表面形貌特征及断口特征,基于检测数据构建有限元模型,探究织构形状对钢材和木材间胶层应力分布影响;总结钢材表面织构对钢材和木材粘接强度影响规律和机制。结果表明：钢材表面织构能有效提升钢材和木材粘接强度;织构形状对钢材和木材粘接强度起决定性作用;在相同激光设置参数和相同织构设计参数（宽度和间距）下,沟槽织构比方形织构更有利于增加胶黏剂与钢材粘结强度;织构周围存在的激光熔融物有利于提高胶黏剂与钢材粘结强度。研究成果可为提高钢材和木材间粘接强度提供技术支撑,也为织构在胶接型钢-木组合构件中的应用与设计提供新思路。     

表面处理对铝合金6063胶接接头力学性能的影响

铝合金胶接结构件在汽车车架轻量化上的运用越来越广泛,因此对铝合金6063胶接强度的研究具有十分重要的工业意义。而表面处理是影响铝合金胶接强度最重要的因素之一,故文中研究了不同的表面处理方式对铝合金6063胶接结构件胶接接头力学性能的影响。以铝合金6063胶接结构件单搭接头为研究对象,借助万能力学试验机通过拉伸剪切试验,以拉伸抗剪强度为胶接强度评价依据,探索铝合金6063胶接接头的力学性能变化规律和胶接接头的破坏规律。拉伸剪切试验结果和胶接接头破坏分析表明:铝合金6063胶接接头在拉伸剪切试验中出现了锯齿屈服现象;不同的表面处理方式对铝合金6063胶接结构件的拉剪强度有很大影响,机械打磨和酒精脱脂可以显著提高铝合金6063胶接接头的拉剪强度。     

飞秒激光刻蚀氧化锆表面微纳结构及其润湿与抗菌性能

目的 构筑氧化锆表面微纳结构,提高表面疏水性能。方法 用飞秒激光在氧化锆表面刻蚀网格结构,随后用硬脂酸修饰所得表面,系统研究了激光能量密度、激光扫描速度对氧化锆表面形貌及润湿性的影响,分析不同处理条件下氧化锆的表面形貌和润湿性,通过润湿模型进一步揭示润湿性转变内在机理。进一步通过在饱和大肠杆菌溶液中浸泡的试验,对不同处理条件下氧化锆表面的抗菌性能进行了测试和分析。结果 在9.6 J/cm²的过高能量密度以及10 mm/s的过小扫描速度下会导致氧化锆表面过度烧蚀,破坏表面微结构,不利于提高表面疏水性。发现激光纹理化氧化锆的最佳参数为激光能量密度8.3 J/cm²,扫描速度20 mm/s,制备的微凸起结构为表面覆盖大量纳米结构的周期性锥状阵列,凹槽的平均宽度和平均深度分别为(27.598±1.376)μm和(33.825±0.559)μm,此时表面粗糙度最大为9.556 μm,随着表面粗糙度的增加,微纳复合结构可以截留更多的空气,减少固液接触面积,表面具有最大的水接触角为(163.9±1.5)°,最小的水滚动角为(4.3±0.8)°。平板菌落计数法测定结果显示,此时硬脂酸修饰的激光纹理化氧化锆超疏水表面的抗菌率最高,为(89.1±3.6)%。结论 采用飞秒激光刻蚀结合硬脂酸修饰的方法,通过激光参数优化,可在氧化锆表面产生微纳复合结构,增加其表面粗糙度,从而制备得到疏水甚至超疏水的氧化锆表面,超疏水氧化锆表面截留的空气层对大肠杆菌的黏附具有很好的抑制作用,表现出明显的抗菌性,有望扩展氧化锆在牙科领域的应用。     

飞秒激光制备梯度润湿性单晶硅表面∗

针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。 通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。 结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。 由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。 液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。 实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。     

石英玻璃飞秒激光微连接及其接头性能

飞秒激光的低热输入、极小热影响区的特点使其在微米尺度材料连接领域有明显的应用潜力。为研究飞秒激光进行玻璃连接的可行性及其接头性能,测定了其接头的拉剪强度并分析了接头断裂前后的形貌特征。证明了飞秒激光连接玻璃的可行性,并发现玻璃试样之间的间隙对飞溅有明显影响。拉剪试验测得的接头强度在6.4~40.4MPa之间。结果表明,在激光平均功率较大,焊缝间距较小的条件下,连接试样容易在母材中断裂,使得接头的强度相比于断裂在界面上的试样强度降低一半以上。     

Laser-structured grinding tools – Generation of prototype patterns and performance evaluation

Laser ablation with ultrashort pulsed lasers enables high geometrical flexibility and allows for fabrication of micro scale structures in e.g. ultrahard materials that are hardly possible with any other process. In this work a novel laser structuring method employing picosecond lasers is proposed and applied to produce various micro patterns on the surface of hybrid bonded (metal-vitrified) CBN grinding tools. Grinding performance and wear behaviour of the structured tools are tested and compared to the results of a non-structured tool.It is found that the type of surface pattern has a strong influence on the grinding results. The laser structured tools generally allow for a reduction of grinding forces by up to 54%. However, depending on the pattern geometry, a significant increase in workpiece surface roughness and elevated wear rates (in terms of surface roughness) have to be taken into consideration. Despite this fact, the study does not reveal a significant increase in radial profile wear of the structured tools.     

Picosecond laser machining of tungsten carbide

Hard materials such as tungsten carbide (WC) are extensively used in cutting tools in high-value manufacturing, and the machining of these materials with sufficient speed and quality is essential to exploit their full potential. Over the last two decades, short (nanosecond (ns)) and ultra-short (picosecond (ps); femtosecond (fs)) pulse laser machining has been evaluated by various researchers and proposed as an alternative to the current state-of-the-art machining techniques for advanced materials like WC, which include mechanical grinding and electrical discharge machining. However, most of the established/existing research on this topic is based on low power lasers, which may not be adopted in industrial production environments due to its low material removal rate. This paper presents the results of a fundamental study, on using a 300 W picosecond laser for the deep machining of tungsten carbide. The influence of various laser parameters on the geometric precision and quality (surface and sub-surface) of the ablated area was analysed, and the ablation mechanism is discussed in detail. Laser pulse frequency and scanning speed have minimal effect on ablation rate at high power levels. The surface roughness of the ablated area increases with the ablation depth. At optimal conditions, no significant thermal defects such as a recast layer, micro crack or heat affected zone were observed, even at a high average power of 300 W. The material removal rate (MRR) seems to be proportional to the average power of the laser, and a removal rate of around 45 mm³ per minute can be achieved at 300 W power level. Edge wall taper appears to be a significant issue that needs to be resolved to enable industrial exploitation of high power ultra-short pulse lasers.     

激光加工超疏水表面抗结冰性能研究进展

在低温环境中，表面结冰会严重影响户外装备的运行效率和安全，基于疏水材料的新型被动式防除冰方法引起了广泛关注。超疏水表面凭借其优越的拒水、抑制冰核形成和降低冰黏附强度等能力，在防除冰技术领域表现出广阔的应用前景。激光加工技术具有高效率和灵活性，成为制备超疏水表面的有效方法，并被进一步用来研究表面的抗结冰性能。首先，概述了固体表面润湿理论和结冰机理。其次，综合评估了激光加工超疏水表面的抗结冰性能，包括静态水滴延迟结冰时间、动态水滴累积、冰黏附强度、延迟结霜与抗冻能力、表面积冰与除冰等方面。静态水滴延迟结冰时间受到水滴与表面接触界面的成核速率和传热速率的影响，动态水滴累积与表面润湿性密切相关，冰黏附强度反映了表面对冰的附着性和除冰的难易程度。超疏水表面具有显著的延迟结冰能力，但在低温高湿条件下，表面的超疏水性可能会减弱，甚至失效。除冰过程也可能破坏超疏水表面的微观结构，进而影响其持续的抗结冰性能。最后，对超疏水表面激光加工与抗结冰性能的未来研究方向进行了展望。     

仿松针黄铜锥体表面自驱定向雾收集性能∗

从自然界获取灵感,模仿生物体表结构制备人工集水装置对缓解水资源短缺具有重要意义,具有广阔的应用前景。 松针表面上具有自主从雾中收集液滴的特性,受此启发通过模仿松针表面的微/ 纳米结构,制备一种可以实现雾气定向收集且制备方法简单的功能表面。 在经过微精细加工的黄铜锥体的表面上,利用纳秒激光器加工出放射状微米级沟槽和纳米级熔融结构,在锥体表面上实现微-纳米结构的复合。 通过改变激光加工的功率,实现对雾气捕获效率的调控。 结果表明,加工出的仿松针黄铜锥体表面上拉普拉斯压力呈主导作用,使得在圆锥尖端的液滴可以发生定向迁移。 这种仿松针黄铜锥体结构可以在不使用任何表面化学修饰情况下,实现简易制备、无须借助外力的液滴定向收集,在雾水收集等方向具有良好的应用前景。     

电子封装微纳连接技术及失效行为研究进展

微纳连接技术是电子封装中的关键技术,近年来,随着电子产品逐渐小型化、轻量化的方向发展,各种先进的微纳连接层出不穷,但仍缺少系统的归纳及总结. 文中对引线键合技术,熔化微连接技术、软钎焊技术、纳米焊膏烧结技术、导电胶连接技术、表面活化键合技术及新兴的纳米连接技术等具有代表性的微纳连接技术进行了综述,并针对软钎焊焊点在热载荷、电载荷、机械载荷及多物理场耦合作用下微互连的失效行为研究进行了总结. 结果表明,未来的微纳连接技术将朝向互连尺寸更加微小,互连方法逐渐智能化,互连材料更加绿色,互连焊点更可靠的方向发展. 软钎焊互连焊点的失效行为分析也将逐渐从单一热场、电场载荷的研究拓展至热—电—力多物理场耦合载荷,与实际工况更加贴合,随着如同步辐射,三维X射线等先进表征技术的不断发展,失效行为及机制的研究也将更加精准.     

超疏水表面激光加工技术研究进展EI北大核心CSCD

超疏水表面作为最具代表性的功能性表面得到广泛的应用,激光加工技术凭借超高加工精度和高度可控等特性,成为制备超疏水表面微纳尺度结构的有利工具。已有大量相关试验研究,但鲜有对加工机理和方法等进行归纳总结。从润湿理论出发,分析超疏水表面激光加工技术研究现状。按照微纳结构成型方式,归纳总结增材和减材激光加工制备超疏水表面的成型机理。基于成型机理系统梳理超疏水表面制备的研究进展。分析制备过程中影响材料表面超疏水性的因素。针对超疏水表面机械稳定性问题,梳理改善和提高表面机械稳定性的方法。简述超疏水表面研究中存在的问题及其发展趋势,指出试验研究结果的规律性总结的局限。与仅论述激光减材制备超疏水表面的综述类文章不同,从增材和减材两个方面论述激光加工制备超疏水表面的机理,详细分析激光减材制备超疏水表面的制备方法和表面疏水性影响因素,对未来激光加工制备超疏水表面更深层次的研究具有指导意义。     

牙科氧化锆(Y-TZP)陶瓷疏水性表面皮秒激光制备研究

研究了皮秒激光快速制备牙科氧化锆(Y-TZP)陶瓷疏水性功能表面技术,在Y-TZP陶瓷表面微制造出整齐的周期性微槽阵列,包括直槽阵列和柱状阵列,使Y-TZP陶瓷表面浸润性由本征亲水性(70°)向疏水性转变,且符合Cassie模型。分析研究了激光工艺参数对制备陶瓷表面微槽形貌和尺寸的影响,当激光扫描次数低于15次、功率小于15 W时,可得到光滑、均整的槽型微结构,有效改善了陶瓷表面的疏水性能。