金属表面皮秒激光纹理刻蚀工艺及润湿性能研究

摘要

在世界各国竞相争夺科技高地的背景下，拥有仿生多功能表面的零部件在前沿大科学工程、航空航天、生物医学及国防等领域不断取得突破性应用。超快激光+振镜扫描激光刻蚀技术，拥有脉冲宽度极短、脉冲峰值功率极高、可非接触加工等特点。采用激光纹理织构的方式处理材料表面，可以将仿生性能固定在材料上，是一种能兼顾高精度、高稳定性、高效率的具有广阔应用前景的仿生表面制备技术。
　　本文针对金属表面皮秒激光+振镜扫描的纹理刻蚀技术主要进行了以下几个方面研究：
　　（1）研究了皮秒激光加工金属作用机理以及材料表面润湿过程，分析了金属对不同波长光能的吸收情况，皮秒激光与金属相互作用的双温度方程，以及材料表面润湿过程的研究模型。
　　（2）研究了皮秒激光刻蚀2024铝合金表面形貌的演变规律，详细研究了离焦量、单脉冲能量、扫描次数、光斑搭接率等激光束参数和扫描特征参数对刻蚀线宽、深度、粗糙度的影响规律，为多功能仿生表面的织构奠定基础。
　　（3）通过实验研究了金属表面的润湿性与织构纹理的疏密、粗糙度（Ra）的关系。进行正交实验，得到不同疏密纹理制备过程中，激光单脉冲能量、扫描次数、光斑搭接率、激光频率等参数影响不同形态纹理的粗糙度主次关系和因素显著性。
　　（4）通过实验制备了不同仿生性能的超疏水金属表面，包括类“荷叶”表面、类“玫瑰花瓣”表面、类“蓝闪蝶翅”表面三种。
　　（5）为满足加工零部件的适配需求，研究了波浪形态纹理的峰-波幅度、材料厚度方向刻蚀量的控制问题。基于工艺规律制备出尺寸可控的微-纳复合纹理，调节金属的润湿性。并根据纹理尺寸与润湿性能的关系，划分了超疏水纹理织构区域，准超疏水纹理织构区域，润湿性维持稳定的纹理织构区域，为工程化应用打下基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 主要研究内容与技术路线

2 金属表面纹理的激光刻蚀原理

2.1 皮秒激光与金属表面作用机理

2.2 表面润湿性研究模型

2.3 实验材料与设备

3 皮秒激光刻蚀铝合金的表面形貌演变规律

3.1 前言

3.2 皮秒激光加工铝合金的烧蚀阈值

3.3 激光加工参数对刻蚀宽度的影响规律

3.4 激光加工参数对刻蚀深度的影响规律

3.5 激光加工参数对粗糙度的影响规律

3.6 本章小结

4 金属表面仿生超疏水纹理的皮秒激光制备

4.1 前言

4.2 金属润湿性反转现象

4.3 正交实验

4.4 本章小结

5 可控纹理刻蚀实验及性能分析

5.1 前言

5.2 可控纹理刻蚀实验方案

5.3 刻蚀形貌和润湿性能分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 展望与建议

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间研究成果