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。

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5~40μmRa随背吃刀量的增加而增加;而切削铝合金（LY12）时,在2~10μmRa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。

超硬微结构表面模具的精密磨削加工技术

针对超硬模具材料,研究磨削方式(顺磨和逆磨)、进给率和主轴转速等磨削参数对磨削后微结构表面的表面粗糙度和尖锐部分完整性的影响规律。基于磨削结果,对微结构表面质量不均一现象以及微结构表面磨削过程中的砂轮磨损分布进行研究。试验结果表明磨削后的微结构侧表面粗糙度小于底面粗糙度。采用逆磨可以获得更低的粗糙度和更加完整、锋利的尖锐部分。磨削后的表面粗糙度随着进给率的降低而减小,当进给率为0.2 mm.min–1时,微结构底面平均表面粗糙度Ra89 nm,侧面为Ra 60 nm。磨削后,尖锐部分圆弧半径随进给率的降低呈现减小趋势,当进给率为0.5 mm.min–1时,其平均圆弧半径最小,为0.67μm。主轴转速对表面粗糙度和尖锐部分圆弧半径的影响不大。由阶梯光栅表面结构性引起的,相对于其各个表面的磨削轨迹不相同,是导致磨削后阶梯光栅表面质量不均一现象主要原因。在微结构表面的磨削加工过程中,相对于砂轮的径向和轴向磨损,砂轮的形貌磨损更为严重。

微结构表面喷雾冷却性能试验研究

搭建一套封闭式喷雾冷却试验系统,使用水作为冷却工质,结合高速摄像仪对试验进行可视化研究,分析对比光滑表面和微结构表面喷雾冷却换热特性。结果发现,相比光滑表面,不同几何形貌的微结构表面都能提高喷雾冷却的换热能力,其中换热最好的是方形肋表面,直肋表面次之,扇形肋表面较差,但均优于光滑表面。微结构表面的润湿性强于光滑表面,微结构的存在能够提高喷雾冷却热流密度,使喷雾冷却提前进入两相区,避免了沸腾的滞后性。不同形式的微结构表面表现出不同的换热效果,主要是因为微结构表面对换热的强化不仅和面积增幅有关,还与微槽的紧密程度和排列方式有关。此外,试验中发现喷雾冷却存在温度不均匀现象,且微结构表面温度不均匀性大于光滑表面,但是降低系统压力,这种温度不均匀性可以得到明显改善。

微结构表面封闭式喷雾冷却传热特性

以蒸馏水为工质,在闭式循环喷雾冷却系统上,变化喷雾流量,研究了表面几何结构对喷雾传热性能的影响。从对流换热和相变换热比例关系的角度,对喷雾换热机理进行了实验研究。结果表明:与光滑表面相比,微结构表面可明显增强喷雾换热强度,这主要归因于相变换热的增强。表面温度较低时,直肋面换热效果最好;增大流量,光面换热增强,而直肋面变化不明显。表面温度较高时,方肋面换热效果最好;随着流量增大,所有面换热均增强。对于微结构表面,相变换热份额均大于50%,故而以相变换热为主;而光滑表面,即使在温度较低时,相变换热份额也大于20%。临界热流密度与三相接触线长度正相关,流量为15.9mL/min时,方肋面、直肋面和光面的临界热流密度依次为159.1,120.2,109.8W/cm2,蒸发效率分别为96.0%,72.5%,67.1%。

微结构表面金刚石车削加工过程中快速伺服刀架的控制

微结构表面金刚石车削加工过程中由于切削深度突变而易于引起切削力干扰,采用滑模变结构控制算法来解决这一问题。研制了用于微结构表面加工的快速伺服刀架,建立了快速伺服刀架动力学模型,并设计了基于连续时域模型的滑模变结构控制器,它与系统的参数变化及扰动无关,因此在切削过程中具有很好的鲁棒性。另外,滑模变结构控制系统快速性好,无超调,计算量小,实时性强,很适合于加工控制。针对滑模变结构控制算法与常规PID控制算法进行了阶跃响应对比实验,结果表明滑模变结构控制算法比常规PID控制算法的超调小,稳态误差小于20nm。最后以微菲涅耳透镜作为微结构表面的实例进行加工实验,实验结果进一步验证了滑模变结构控制算法的有效性。

微结构表面润湿模式转换的实验研究

采用等离子体刻蚀技术及表面硅烷化处理制备了一组硅基方柱阵列样品,测量了其表面与水的表观接触角,简要分析了表面微结构几何参数对润湿模式转换的影响,探讨了方柱阵列微结构表面发生润湿模式转换的原因。结果表明,微结构表面润湿模式转换受微结构几何参数的影响,原因是微结构几何参数的改变会引起表面上的液滴能量的变化,最终导致液滴的润湿状态发生变化。

微结构表面展开轮摩擦磨损特性与仿真研究

为了提高AVIKO系列钢球检测系统中展开轮的服役寿命及检测精度,在增大表面摩擦因数的同时减少磨损,将表面微结构应用于展开轮,研究其摩擦磨损特性。利用激光在试件周向外表面加工三种不同直径参数的凹坑微结构,并用自主设计的摩擦磨损试验机进行试验,得到摩擦因数与磨损量,通过数值模拟得到应力分布图和磨损深度图,与光滑表面试件进行对比和分析。结果表明,在干滑动摩擦条件下,微结构表面试件均比光滑表面试件的摩擦因数更大且磨损量更小,微结构表面通过改变应力分布和分散磨损点位置减少了磨损并提高了耐磨性。所建立的数值模拟磨损模型可用于预测微结构表面磨损深度,为微结构表面展开轮的寿命预测提供了基础理论。

UMAC时基控制原理及其在非轴对称微结构表面切削中的应用

针对非轴对称微结构表面加工的实时性要求,采用压电陶瓷驱动的快速伺服刀架(FTS)作为微进给机构,实现刀具沿z向高频响、短行程的快速精密进刀运动,并构建了基于UMAC多轴运动控制器的微结构车削数控系统。应用UMAC的时基控制功能实现快速伺服刀架(FTS)进给与主轴转角θ的同步,来完成非轴对称微结构表面的加工。

微结构表面热辐射光谱特性的分析方法

微结构表面热辐射光谱特性研究分析的一个主要问题在于表面微结构复杂的空间自由度以及计算方法。针对以上问题本文建立了任意微结构表面的物理模型,基于电磁波理论给出了微结构表面热辐射满足的麦克斯韦方程组。将时域有限差分方法(FDTD)用于麦克斯韦方程组的离散求解,引入场分离处理方法,直接计算提取反射场量,进而采用坡印廷定理计算得到能流以及光谱特性。最后,分别计算了随机微结构表面和微腔表面的热辐射光谱特性,并与相关文献的实验以及计算结果进行了比较。

基于FTS的非轴对称微结构表面超精密切削系统研究

介绍了基于快速伺服刀架(FTS)的微结构表面超精密金刚石车削加工系统,并利用该系统成功实现了典型非轴对称结构正弦网格表面的加工。作为FTS的驱动元部件,压电陶瓷微位移驱动器的迟滞、蠕变非线性特性大大影响了系统的动态性能与加工精度。因此,建立了基于拓展输入空间法的FTS神经网络逆模型,并结合PID反馈控制,实现了FTS的闭环控制。实验结果表明,该控制策略可以有效提高FTS的动态性能,其跟踪误差小于150nm,为微结构表面的加工提供了可靠的保证。

单晶硅微结构表面的制备及其减反射性能

利用聚苯乙烯胶体微球组装的单层胶体晶体阵列作为掩模板,分别采用反应离子刻蚀和等离子体刻蚀工艺在晶体硅表面构造出不同形态的微纳米结构,并研究不同刻蚀方法和不同刻蚀时间对微结构形态的影响作用。利用分光光度计测试得到微结构表面的反射光谱曲线。结果表明,在0.35-1.1μm太阳光有效吸收波段,单晶硅材料微结构表面的反射率显著降低,由于此时材料的透射率为零,材料在该波段的吸收得到有效增强。同时,具有规则微结构表面的减反射性能比无序微结构表面的减反射性能要更好一些。这为增强单晶硅对太阳能的有效吸收提供了一种简单可行的方法。

疏水性微结构表面的抗结冰特性仿真研究

目的探究不同形状微结构表面的疏水、抗结冰特性,以及两者间的关系。方法基于有限体积法对液滴滴落至微结构表面的浸润和凝结过程进行仿真探究。首先建立了具有不同形状微沟槽表面的仿真模型,然后分析了不同微结构表面的疏水特性差异,最后根据不同微结构表面的水滴滴落凝结行为及内部流场的仿真研究,获得了微结构表面疏水性和疏冰性关系,揭示疏冰性产生的原因。结果矩形微结构表面液滴的接触角为109°,表现出疏水特性。锯齿形微结构表面液滴的接触角为162°,表现出超疏水特性。液滴在锯齿形微结构表面上20 ms后凝结率低于2%,抗结冰能力最强。普通表面上的液滴凝结率为4%,低于矩形表面上的6%。对比矩形表面与普通表面上的液滴凝结过程,矩形表面上液滴内部湍流动能是普通表面上液滴的5倍,经过20 ms后,普通表面上液滴近壁面温度下降30 K,同时矩形微结构表面上液滴近壁面温度仅下降10 K。结论具有微结构的表面能表现出疏水性,这种疏水性对抗结冰特性具有双重作用,一方面降低了液滴初期的凝结速度,另一方面加快了液滴在底层形成稳定冰层后的凝结速度。

超短脉冲激光加工超疏水功能性微结构表面

典型微结构的制备,尤其是具备特定功能性微结构表面的高效加工已成为加工制造业的研究热点。以超快皮秒脉冲激光为加工手段,实现超疏水功能性微结构表面的高效制备。试验结果显示,采用脉冲宽度为8.1ps、波长为532nm的超短皮秒脉冲激光可以一次构造出具有微纳双重结构的超疏水功能性微结构表面,其静态接触角可以高达158°,滚动角小于5°。该试验为此类功能性微结构表面的加工及应用开拓了全新的技术方法,应用前景广阔。

微结构表面车削多轴联动数控系统的研究

微结构表面是指具有特定微小拓扑形状的功能表面,在民用和军用工业领域有着广泛的应用。利用快速伺服刀架(FTS)作为精密微位移加工模块来车削加工微结构表面的方法已经成为微结构表面切削加工的一种主流技术,建立相应的多轴联动数控系统是实现非回转对称微结构表面加工的前提条件。利用PC机及基于DSP的运动控制器(UMAC)构成双CPU的开放式数控系统,设计并搭建用于非回转对称微结构表面加工的多轴联动数控系统,利用UMAC控制器的时基触发控制功能实现了快速伺服刀架与主轴转角及X轴进给的精确同步功能。利用该多轴联动数控系统成功实现了复杂微结构表面的超精密车削加工,所加工正弦网格微结构表面的粗糙度达到了8.6 nm。

微弧火花沉积制备不锈钢柱状微结构表面

目的探索新型表面微结构的制备方法。方法采用微弧火花沉积工艺在304不锈钢基体表面,制备出了奇特的"柱状"微结构表面,并使用扫描电镜、光学显微镜、硬度计等对该微柱体的表面形貌、截面特征和显微硬度等进行了初步分析。结果微柱体呈近似有规律的分立状分布,微柱体间距约为0.8~1.2 mm,直径约为300~500μm。微柱体为堆叠状生长,有典型的分层特征,微柱体之间存在生长中的竞争性行为。从微柱体截面来看,单个脉冲沉积薄层的典型厚度大约为15~20μm,微柱体中单个沉积子薄层一般呈中间厚、两侧薄的类透镜状形态。微柱体的平均硬度约为320HV左右,略低于结合界面附近的基体硬度(~340HV)。结论微弧火花沉积的单点、高频率的技术特性是形成此类表面的重要因素,放电沉积中的竞争性机制是导致微柱体成形的直接原因。

硅铝合金减摩微结构表面切削加工研究

为验证微切削加工的表面微结构具有良好的减摩效果,可以用来减小发动机关键摩擦副的摩擦磨损,运用AdvantEdge有限元仿真软件研究切削用量对于硅铝合金金刚石车削过程的影响分析,基本规律是:切削速度对切削温度的影响最大,进给量次之,影响最小的是切削深度;切削深度和进给量增大使切削力增大,但二者影响程度不同,进给量不变,切削深度增大一倍,使切削力增大一倍,切削深度不变,进给量增加一倍,切削力增幅减小;切削力随着切削速度的增加先增大后减小最后趋于稳定。使用单晶金刚石车刀对硅铝合金试样进行微槽结构的切削加工,结果表明:在微切削尺度范围内,切削深度对表面粗糙度R_a影响不明显;表面粗糙度值随着进给量的增加先减小后增大;主轴转速通过产生切削热和对刀具磨损产生影响来影响表面粗糙度。将微切削加工的表面微结构与光滑表面进行往复摩擦对比实验,结果表明在负载为1 N的情况下,微槽结构表面的摩擦系数比光滑表面的摩擦系数减小了8%。

沉积熔融法制备超疏水微结构表面

传统超疏水表面制备技术都有着各自的缺点,如加工成本高、受加工设备精度影响大、形貌尺寸随机性大。为得到低成本、形貌尺寸相对可控的超疏水微结构表面,提出了新型制备技术——沉积熔融法。通过金属颗粒悬浊液的自然沉积使微纳尺寸的颗粒均匀分布在金属表面,经熔融、再结晶使其与金属表面结合,再采用低表面能高分子修饰,制备出超疏水微结构表面。通过此方法采用锡铅合金在以黄铜、45号钢、6063铝合金基底上制备了超疏水微结构表面,并发现了金属基底材质与微结构表面的疏水性能之间没有必然关系。当微米尺寸的颗粒直径越小,制备的微结构表面的疏水性就越大。此外,相较于传统超疏水表面加工方法,沉积熔融法可实现微米级形貌的制备,且具有加工效率高、工艺简单、成本低廉、不影响原工件强度等优点,但其难以在弧形表面上应用的问题需要进一步研究。

水下目标壳体超疏水微结构表面涂层的合成与性能研究

水下目标壳体对超疏水微结构表面涂层性能有明确技术指标要求,且其性能对水下目标航行阻力影响较大。根据超疏水涂层合成原理,合成了聚氨酯疏水树脂、氟改性SiO_(2)粒子填料,制备了基于聚氨酯树脂、含硅树脂和含氟树脂等3种超疏水微结构表面涂层,确定了各涂层的主要组分与制备工艺。开展了3种超疏水涂层性能试验评估,对比分析了涂层厚度、硬度、附着力、静动态疏水角、表面微观形貌、耐磨性、耐海水浸泡、耐盐雾、热稳定等多项性能指标。结果表明:F660+8%SiO_(2)组分的含硅树脂超疏水涂层综合性能最佳,为进一步开展水下目标壳体超疏水微结构表面涂层样机阻力试验提供了依据。

不同表面自由能的酒精水溶液在不同微结构表面上的静态润湿模型研究

通过改变酒精溶液中酒精的质量分数来得到具有不同表面自由能的酒精溶液,继而分别实验测量酒精溶液在光滑硅片表面、具有凸柱微结构的硅片表面、具有凹槽微结构的硅片表面上的静态接触角,通过经典的Cassie模型和Wenzel模型,得到凸柱微结构硅片表面和凹槽微结构硅片表面上的理论静态接触值,从而根据理论角值和实验值对比推断出各自的润湿模型,并分析形成各自润湿模型的原因。