功能表面微结构纳秒脉冲激光微加工的仿真与实验研究

发布时间：2021-04-12 15:04

　　通过纳秒脉冲激光进行功能表面微结构加工是近年来兴起的一种非传统加工方式,具有低成本、高效率的特点。然而纳秒脉冲激光具有明显的热扩散现象,形成的热影响区域极大地降低了加工质量,进而对微结构的功能性造成很大影响。因此,本文采用有限元仿真与实验验证手段研究了纳秒脉冲激光微加工机理与工艺,并据此制备了具有减摩擦特性的不锈钢表面织构与具有减反射特性的单晶硅表面织构:针对不锈钢和单晶硅两种材料建立纳秒脉冲激光微加工的高精度有限元仿真模型。该模型涉及温度分布和加工宽度的评估,包含以下方面:（1）传热模型由热传导、热对流和热辐射组成;（2）材料的热物理参数随温度变化;（3）考虑热蒸发诱导导致的即时材料去除;（4）脉冲激光具有高斯空间和时间能量分布。该模型为采用有限元研究纳秒脉冲激光加工机理奠定了技术基础。面向调控摩擦性能的微结构,开展不锈钢纳秒脉冲激光微加工的二维和三维仿真研究。在单脉冲激光加工二维仿真中,研究孔的烧蚀区域与热影响区域在一个脉冲周期内不同时刻的变化情况;研究不同能量密度条件下孔的烧蚀形貌、温度场分布和冷却速率。在多脉冲激光加工三维仿真中,研究多脉冲激光加工微沟槽形成机理,并与在相同激光... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

荷叶表面的超疏水微结构

图 1-4 不同激光功率下加工的超疏水结构[18]2018 年，华中科技大学刘建国人提出了一种紫外激光直接织构法在聚酰亚面不同区域制备超疏水或超亲水图案的单步处理方法，研究了激光功率强度冲重叠对表面润湿性的影响。其发现通过改变这两个激光参数可以改变表面度和化学成分，并且表面粗糙度和表面化学都有助于改变聚酰亚胺图案的润能[19]。同时期，美国学者 Kim 等使用脉冲纳秒激光在聚二甲基硅氧烷样品的上加工超疏水网格图案。当样品简单地浸入水中并从水中取出时，液滴阵列在具有超疏水网格图案上形成。并且可以通过控制超疏水网格的间距尺寸来液滴尺寸[20]。长春理工大学李静等通过脉冲激光加工在 6061 铝合金表面制同尺度的网格结构以实现超疏水功能[21]。2019 年，华南理工大学鲁龙胜等通冲激光加工在高速钢表面上制造微/纳米级分层结构，加工表面显示出优异的水性，该表面在解决工业中高粘度液体引起的粘附问题方面具有重要的应用[22]。半导体材料表面的微纳结构可以很大程度降低对光的反射，在光伏与太阳池等领域应用前景广泛。2016 年，美国普渡大学 Sarbada 等利用皮秒脉冲激[23]

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文栅结构，其首次研究了这种飞秒激光诱导周期表面结构在 250-2500nm 波长范围内的抗反射效应，与未处理的样品相比，处理过的表面的总偏振反射率在可见光中降低了约四倍，在近红外光中降低了七倍[28]。美国学者 Shin等研究了单晶硅的飞秒脉冲激光烧蚀特性[29]。法国学者 Fraggelakis 等利用飞秒脉冲激光诱导硅表面形成周期结构[30]。法国学者 Stock 等通过脉冲激光沉积获得的硅和硅-锗纳米颗粒[31]。大连理工大学刘爱民等通过激光表面纳米结构改性实现高效工业大面积黑硅太阳能电池的生产[32]。台北工业大学 Chen 等阐述了黑硅在太阳能电池应用中的特性[33]。图 1-5 为美国罗彻斯特大学的 Vorobyev 小组利用飞秒脉冲激光直接在空气环境中制备的减反射黑硅[34]。

【参考文献】：
期刊论文
[1]激光技术在材料加工中的应用研究[J]. 蔡骐远.  信息记录材料. 2018(01)
[2]飞秒激光微孔加工[J]. 夏博,姜澜,王素梅,闫雪亮,刘鹏军.  中国激光. 2013(02)
[3]碳化硅单点金刚石超精密切削加工残余应力的离散元模拟[J]. 姜胜强,谭援强,杨冬民,盛勇.  硅酸盐学报. 2010(05)

博士论文
[1]超短脉冲激光诱导微纳织构调控金属摩擦性能[D]. 王卓.上海交通大学 2016



本文编号：3133505