基于光纤聚焦的激光表面织构加工及其摩擦学行为研究

论文摘要

开展表面微观几何结构的制备技术研究,对于有效地控制表面性能具有重要的意义。激光表面加工相较于其他表面技术具有非接触,无污染,加工精度高等优点,常用于固体表面微观几何结构的制备。常规的激光刻蚀系统采用曲率半径较大的聚焦镜,在微尺度加工方面有一定的局限性。本文提出了一种基于光纤聚焦的激光表面织构加工方法,并研制了一套包括聚焦系统,调焦系统及传感器的加工装置。通过大量的实验对制备参数进行了优化,在Si及Cr12Mo1V1表面分别加工出了最小线宽为2.30μm和3.14μm的表面微观织构。利用三维形貌仪和电镜对加工表面进行了观察,分别研究了激光能量、脉冲次数、聚焦位置、光纤直径、刻蚀环境及后期处理对单线刻蚀的几何结构尺寸的影响。借助三维工作台进行了间距为20μm-100μm不等的平行沟槽和网格织构的加工。用接触角测量仪JC2000A测量了去离子水和激光织构表面的接触角并和原始表面进行了对比,结果表明激光织构能明显增加液固体表面的接触角,且接触角增加的幅度随织构密度的增加而增大。即可以通过表面织构的方式调控液固表面的润湿行为。用UMT摩擦磨损试验机分别在干摩擦、水润滑及油润滑条件下测试了激光织构表面的摩擦系数并和原始表面进行了对比,结果显示微观织构可以有效的改善材料表面的摩擦性能。尤其在干摩擦条件下,20μm条纹织构使Si表面和Cr12Mo1V1表面的摩擦系数由无织构时的0.4降到0.1左右,磨斑区域也变得平滑且尺寸较无织构区明显减小。即微观织构可以有效的降低材料的摩擦系数,减少磨损,提高材料的耐磨性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面织构的摩擦学应用
• 1.2.1 表面织构的摩擦学效应
• 1.2.2 表面织构对润湿性的影响
• 1.3 表面织构的制备技术
• 1.3.1 表面加工技术简介
• 1.3.2 激光表面织构的特点
• 1.3.3 激光表面织构研究现状
• 1.4 本论文研究目标和研究内容
• 第2章 光纤聚焦的方法及原理
• 2.1 引言
• 2.2 激光刻蚀原理
• 2.3 光纤聚焦的光学原理
• 2.3.1 远场聚焦模型
• 2.3.2 衍射及散射
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于光纤聚焦的激光表面织构装置
• 3.1 引言
• 3.2 系统原理
• 3.3 激光器
• 3.4 聚焦系统
• 3.5 焦距调整系统
• 3.5.1 微分头升降调焦装置
• 3.5.2 升降台传感器系统
• 3.6 系统总成
• 3.7 本章小结
• 第4章 激光表面织构制备
• 4.1 引言
• 4.2 制备过程及参数的影响
• 4.2.1 制备过程
• 4.2.2 激光能量的影响
• 4.2.3 脉冲次数的影响
• 4.2.4 聚焦位置的影响
• 4.2.5 光纤直径的影响
• 4.2.6 基底材料的影响
• 4.2.7 刻蚀环境的影响
• 4.2.8 后期处理的影响
• 4.3 条纹及网格制备
• 4.3.1 条纹织构
• 4.3.2 网格织构
• 4.4 本章小结
• 第5章 织构对材料表面润湿性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验仪器简介
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 硅基底实验结果
• 5.3.2 钢基底实验结果
• 5.4 讨论与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 表面织构对材料摩擦磨损性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 实验条件
• 6.3 硅基底实验结果
• 6.3.1 条纹织构表面的摩擦系数
• 6.3.2 条纹织构表面的磨斑
• 6.3.3 网格织构表面的摩擦系数
• 6.3.4 网格织构表面的磨斑
• 6.4 钢基底实验结果
• 6.4.1 条纹织构表面的摩擦系数
• 6.4.2 条纹织构表面的磨斑
• 6.4.3 网格织构表面的摩擦系数
• 6.4.4 网格织构表面的磨斑
• 6.4.5 织构区与无织构区的硬度测试
• 6.5 讨论与分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 论文主要结论
• 7.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果