沟槽与方柱阵列结构的微铣削和加工表面疏水性

采用理论分析与试验结合的方法研究沟槽与方柱阵列结构参数对水滴在其表面接触角的影响。基于适用于光滑表面的Young氏方程和适用于粗糙表面的Wenzel模型及Cassie-Baxter模型,建立沟槽结构和方柱阵列结构的Wenzel模型公式以及Cassie-Baxter模型公式,计算出水滴在其表面的接触角理论预报值。采用直径0.1 mm微铣刀加工出相应的沟槽结构和方柱阵列结构表面,测量水滴在加工表面上的接触角,并与理论预报值进行比较分析。研究结果表明,沟槽与方柱阵列结构可以使水滴在其表面的接触角增大,接触角随着微结构间距增加而增大,随着凸台(方柱)宽度增大而减小。沟槽结构与方柱阵列结构对接触角的影响规律不尽相同:沟槽结构表面上水滴在垂直于沟槽方向和平行于沟槽方向的接触角有差异并且相互影响;水滴在沟槽结构表面有着更稳定的接触角变化,而在方柱阵列结构表面有更大的接触角,并且更接近球状。     

钛合金表面微结构激光加工及参数优化

针对钛合金种植体与人体组织的结合问题,提出利用激光加工方法在钛合金表面加工微结构,并对激光加工的参数进行优化。首先,对材料进行预处理;然后,分别改变电流和Q频率等参数,在钛合金表面进行激光加工试验,寻找一组能在材料表面加工出理想微凹坑形貌的参数,最后使用优化参数在钛合金表面加工微结构。结果表明:激光加工钛合金微结构阵列的最佳电流为13A,Q频率为3k Hz;采用优化后的激光加工参数可以得到形貌规则的微凹坑阵列。     

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。     

变组分变掺杂p-i-n型AlGaAs/GaAs微结构中子探测器性能表征

制备了一种在p-i-n型AlGaAs/GaAs材料上刻蚀微沟槽的中子探测器。通过MOCVD技术生长了变组分变掺杂的p-i-n型AlGaAs/GaAs，使用ICP技术在材料上刻出微沟槽，沟槽宽度为25μm，深度为10μm。探测器的探测面积为4 mm2，沟槽宽度和间距为1∶1，呈周期性排列，在沟槽中填充中子转换材料探测热中子信号。通过对平面和微结构p-i-n型AlGaAs/GaAs探测器的电学特性、α粒子以及中子探测性能的比较分析，发现两者在电学特性和α粒子能量分辨率方面有较大差别。5 V偏压下平面型和微结构AlGaAs/GaAs探测器的漏电流分别是-0.024 1μA、-0.627μA，两者相差近30倍，这是由于微结构刻蚀了部分异质结导致器件表面漏电流增加。0 V偏压下微结构探测器α粒子能量分辨率比平面型也有些许恶化，但在热中子探测上微结构效果更佳，中子总计数微结构比平面型多一倍。微结构降低了探测器的自吸收问题，同时增大了探测器的中子接触面积，在热中子探测上应用前景广阔。     

沟槽织构化表面影响摩擦振动噪声机理

在列车制动盘蠕墨铸铁材料表面上制备出平行间隔分布的沟槽表面织构,将其和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,并利用有限元软件ABAQUS/Explicit(显式动态求解器)对试验进行数值模拟分析,研究沟槽织构化表面影响摩擦振动噪声的机理。结果表明,本试验条件下的光滑表面会产生较高强度的噪声而沟槽表面几乎不产生噪声,利用有限元软件ABAQUS/Explicit可以很好地模拟试验现象并揭示沟槽表面织构影响界面摩擦振动噪声的机理,即沟槽织构表面在对磨球滑过并碰击沟槽时引起的摩擦力波动能有效的打断摩擦界面的连续接触,作为不连续激励扰乱系统的自激振动,抑制界面摩擦力和振动加速度高频成分的形成并最终降低摩擦噪声。     

钛合金零件车削过程中冷却方式对尺寸精度和表面粗糙度的影响

在金属切削过程中,冷却方式会对变形机制产生影响,而这与零件尺寸精度和表面粗糙度有很大关系。钛合金在加工过程中的变形机制与其他普通工业材料的变形机制明显不同,因此,研究冷却方式对钛合金零件尺寸精度和表面粗糙度的影响具有重要意义。     

超精密机床静压气浮导轨表面微结构设计研究

以减少超精密机床气浮导轨高速运动时气体阻力为设计目标,应用雷诺平均方程(Reynolds-averaged Navier–Stokes equations,RANS)和带旋流修正的k-ε湍流模型,建立导轨微结构功能表面流体动力学减阻分析模型。采用减阻机理分析与仿真方法对比分析矩形沟槽、V形沟槽、U形沟槽、Space-V沟槽等四种微结构表面构型,确定最适合超精密机床气浮导轨表面减阻需求的构型是V形沟槽结构表面。继而对V形沟槽表面几何参数进行优化设计,获得优化的沟槽角度、宽度、间距设计参数,确定最优超精密机床静压气浮导轨微结构功能表面。该设计研究可用于进一步保障超精密机床设计精度和运动精度。     

表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响

为研究油气润滑状态下表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响,在角接触球轴承的内圈滚道上设计表面织构,基于气液两相流理论,采用多重参考坐标系(MRF)模型和流体体积(VOF)法,对高速角接触球轴承腔内润滑油流动特性进行数值分析,对比分析长沟槽、短沟槽、矩形、圆柱形4种表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响,发现长沟槽形的表面织构对改善角接触球轴承的润滑性能效果最为显著,并进一步分析长沟槽形表面织构结构参数对轴承润滑性能的影响。结果表明：轴承腔内油相体积分数随着沟槽深度和面积率的增大先增大后减小,随着沟槽宽度的增加逐渐增大,存在最佳织构参数使得轴承腔内油相体积分数最大。因此,合理地设计织构参数能有效提高角接触球轴承润滑性能,该研究结果对角接触球轴承表面织构设计具有一定的参考价值。     

基于纳秒激光加工技术的表面织构工艺参数研究

研究了脉冲激光输出功率、扫描间距和扫描速度对材料表面性能的影响,使用扫描电子显微镜、表面能测量仪对材料表面形貌、润湿性及表面能进行测量表征。结果表明,在一定范围内,激光功率对材料的性能影响较大,但由于等离子屏蔽效应影响,高功率范围内材料性能随输出功率变化不大。扫描间距和扫描速度对材料的影响效果相似,过低的扫描间距和扫描速度会抑制表面织构的效果,影响表面润湿性和表面能,同时会诱发大量微裂纹;过高的扫描间距和速度会降低织构密度,减小材料的表面润湿性能。     

AlTiN涂层刀具精铣TC4钛合金工艺参数的影响与优化

采用AlTiN涂层4刃φ10 mm硬质合金立铣刀,在VMC850立式加工中心上对TC4钛合金进行铣削精加工试验.利用高精密数字化检测设备,对加工成形的TC4钛合金试件表面粗糙度、平面度、平行度、表面形貌、残余应力及显微硬度测量.分析AlTiN涂层刀具在设定不同工艺参数条件下TC4钛合金的整体加工质量和表面形貌变化规律....     

微铣金属表面微沟槽结构的粗糙度及形貌分析

为了提高和改善微沟槽表面质量,设计了高速微铣削实验,研究了微沟槽底面表面粗糙度和侧壁残留毛刺的变化规律。从理论角度引入了已加工表面的形成机理,建立了微观表面粗糙度理论模型,提出了刀具跳动对侧壁形貌变化影响的规律。利用三轴联动精密微细铣削机床加工微细直沟槽,并选取主轴转速、轴向切深、进给速度、刀具跳动量和材料组织结构为研究因素。采用多因素正交实验和极差分析法,对表面粗糙度值进行数值分析。铝合金,钢和钛合金三类微沟槽底面对应的最佳表面粗糙度值变化范围分别为1.073~1.481 μm,0.485~0.883 μm,0.235~0.267 μm;无刀具跳动钛合金微沟槽壁毛刺的最大高度为7.637 μm,而当刀具存在0.3 μm的径向综合跳动量时对应的微槽壁毛刺的最大高度为21.79 μm。铣削参数对表面粗糙度值的影响按从大到小依次为进给速度、主轴转速、轴向切深,且随着进给速度和轴向切深的增大,表面粗糙度值增大;随着主轴转速的增大,表面粗糙度值先减小后增大;在相同加工条件下,若微圆弧刀刃无磨损,微刀具的跳动量对微直沟槽侧壁表面质量有较大影响。同时,不同金属材料特性也是影响微沟槽表面质量的潜在因素。     

人体血液与不同成分及表面粗糙度钛合金的润湿性

采用JY-82接触角测定仪测试了不同红细胞压积(HCT)的人体血液与TA2、TC4、TLM三种钛合金在不同表面粗糙度下的接触角θ,研究了人体血液对钛合金表面的润湿性。结果表明:试验条件下,合金的表面越粗糙,血液与其的润湿性越好;随血液HCT的增大,其与合金的润湿性变差,血液与TLM钛合金的润湿性最好,与TC4合金的次之,与TA2合金的最差。     

Al2O3/La2O3/(W,Mo)C硬质合金刀具表面微织构参数优化

通过水热法制备粒度均匀的Al2O3/La2O3/(W,Mo)C纳米复合粉体,采用放电等离子烧结技术制备Al2O3/La2O3/(W,Mo)C无黏结相硬质合金刀具,利用激光加工技术在刀具表面制备不同沟槽参数的表面微织构,采用正交试验法研究不同沟槽参数的刀具对钛合金干切削性能的影响。结果表明：沟槽间距对切削力和粗糙度影响最大,沟槽深度次之,沟槽宽度影响最小;Al2O3/La2O3/(W,Mo)C无黏结相刀具在沟槽深度为10 μm、沟槽间距为100 μm、沟槽宽度为30 μm时,对TC4钛合金切削性能最好,且刀具前刀面无磨损,后刀面为边界磨损,沟槽织构有效抑制了月牙洼磨损,提高了刀具寿命。     

沟槽晶圆调焦调平测量工艺适应性分析

沟槽晶圆为后道封装光刻工艺中常见的一类待检测晶圆,其上表面具有结构复杂的纵横沟槽,且导致沟槽边缘的光刻胶分布不均匀,增加了光学调焦调平传感器(FLS)垂向位置测量的工艺复杂度。本文详细介绍了基于线阵CCD的FLS测量沟槽晶圆出现调焦失败的问题,并提出通过优化光斑尺寸、增加条形光斑数量、增大探测光路数值孔径等方法提高FLS测量沟槽晶圆时的工艺适应性。     

金刚石飞切加工微结构表面的工艺参数优化

为了获得具有纳米级表面质量的微结构表面,利用‘Nanosys-300'超精密复合加工系统实现了微结构表面的三维金刚石飞切加工,研究了主轴转速、进给量以及背吃刀量对微结构表面粗糙度的影响.理论分析表明,金刚石飞切加工微结构时理论表面粗糙度沿法线方向并没有变化,而沿进给方向存在着周期变化.减小进给量和金刚石飞刀前端角或增大切削半径可以降低理论粗糙度值.实验分析表明,表面粗糙度值Ra随进给量的增加而增加,主轴转速对Ra影响不大.切削聚碳酸酯(PC)时,在5～40 μm Ra随背吃刀量的增加而增加;而切削铝合金(LY12)时,在2～10 μm Ra随背吃刀量的增加而减小.实验中Ra最好可达38 nm(LY12)和43 nm(PC).最后,利用优化工艺参数加工出了微沟槽阵列和微金字塔矩阵微结构.     

生物钛合金摩擦界面对人体血液的润滑性能影响试验研究

润滑液的润滑性能与其对摩擦界面的粘附功Wa有关。通过测量不同HCT血液的表面张力γL及其对TA2、TC4、TLM 3种生物钛合金界面在不同粗糙度下的接触角θ,研究生物钛合金表面对血液润滑性能的影响和作用机理。结果表明:血液随HCT的增加,血液润滑剂对3种合金表面的润滑性能有所提高,全血的润滑性能最好;钛合金表面Ra在微米级范围内,表面越粗糙,其表面对血液的润滑性能越好;3种钛合金对血液,TLM的润滑性能最好,TC4次之,TA2最差。     

金刚石飞切加工微结构表面的表面粗糙度研究

为了获得具有纳米级表面质量的微结构表面,利用‘Nanosys-300’超精密复合加工系统实现了微结构表面的三维金刚石飞切加工,研究了主轴转速、进给量以及背吃刀量对微结构表面粗糙度的影响。通过对理论表面粗糙度分析可知：金刚石飞切加工微结构时理论表面粗糙度沿法线方向并没有变化,而沿进给方向存在着周期变化。减小进给量f和金刚石飞刀前端角ε或增大切削半径可以降低理论粗糙度值。实验分析结果表明：表面粗糙度值Ra随进给量的增加而增加,主轴转速对Ra影响不大。切削PC时,在5μm-40μm范围内,Ra随背吃刀量的增加而增加;而切削LY12时,在2μm-10μm范围内,Ra随背吃刀量的增加而减小。实验中Ra最好可达38nm（LY12）和43nm（PC）。最后利用优化工艺参数加工出了微沟槽阵列和微金字塔矩阵微结构。     

微结构表面精密磨削技术及其功能特性开发

针对单晶硅、光学玻璃等硬脆性材料的微结构形状精度难控制的问题,开发出微磨削技术。它是利用金刚石砂轮微细尖端,控制尖端形状及其表面的微磨粒出刃形貌,在硬脆性材料表面加工出微沟槽结构阵列。为了探索其功能特性,微磨削结构表面分别被用于薄膜太阳能电池、单晶硅芯片和石墨叶片的基板表面,然后测试和分析其光伏特性、湿润性和油泵效率。加工结果表明,微磨削技术可以加工出高精度且光滑的微结构表面。应用发现,微透镜结构的薄膜电池可在弱光散光下产生较高的转化效率和填充因子,可以在无太阳照射下发电。当硅晶片表面被加工出微沟槽结构时,较大深度会导致较大的液滴接触角,而且,微沟槽结构梯度表面会产生前后接触角差,可用于控制液滴的微运动。在油泵中,当叶片微结构深度从500 m开始减小到100 m时,油泵的工作效率会逐渐增大,最后大于传统油泵的工作效率。因此,高精度且光滑的微结构表面可以产生更高附加值的功能特性。     

润湿角测量仪的研制

以前我们测量轴承表面的润湿性采用读数显微镜俯视观测油滴边缘,然后通过计算得到。但是,我们在测量中发现油边缘有时不是光滑的圆形,测出的油滴直径大小不一,得到的数据不够精确,为了改善润滑工作提出的要求,我们研制了润湿角测量仪。什么是润湿角?液滴接触点的液面切线与固体表面的水平线之间的夹角我们称润湿角。润湿角的大小直接反映了粘附润湿性。实质上反映了固体或液体的表面能的大小程度。由于不同液体和固体表面性质的差别呈现的润湿角各异,有锐角的情况,也有钝角的情     

沟槽型织构表面对界面摩擦学行为的作用机制

在球-盘接触状态下,研究具有不同宽度的沟槽型织构表面对界面摩擦学特性的影响,并揭示沟槽型织构表面对界面摩擦学行为的作用机制。试验结果表明:沟槽型织构表面显著地改变界面的摩擦学行为,特定尺寸参数的沟槽型织构表面能有效改善界面的摩擦磨损特性;沟槽的存在改变摩擦界面的接触状态,从而引起界面的法向位移和法向力信号产生突变;具有合理尺寸参数的沟槽型织构表面,能充分捕获界面的磨屑,避免对摩试样之间产生强烈的撞击作用,从而有效地改善界面摩擦学行为。