443铁素体不锈钢表面飞秒激光微/纳米结构化的研究

摘要

飞秒激光加工技术凭借其极高的加工分辨率、极小的热影响区、较高的加工质量等显著优势，逐渐成为固体材料微/纳米制造最有效的方法之一。飞秒激光表面微/纳米结构化技术可在材料表面制备多种微米、纳米尺度结构，是飞秒激光微/纳制造的重要应用领域，是制备具有特殊表面性能（如超疏水，自清洁、防蚀、防冻、防菌、低流阻、超高光吸收等）的功能材料的重要方法，在传感器、太阳能吸收器、涡轮叶片、机翼、雷达通讯等领域有重要应用前景。
　　然而，目前对飞秒激光表面微/纳米结构化技术的形貌优化控制及飞秒激光诱导表面微/纳米结构的形成机理仍缺乏认识和系统研究。了解飞秒激光诱导表面微/纳米结构的形成及形成机理是飞秒激光表面微/纳米结构化技术可控制备功能性表面的关键所在。
　　本文开展了空气、纯水以及甲醇三种环境介质中，TTS443铁素体不锈钢表面飞秒激光微/纳米结构化研究。通过单层及多层烧蚀，在443铁素体不锈钢表面获得了多种不同特征的微/纳米结构，探讨了它们的形成机制，为进一步开展飞秒激光表面微/纳米结构化技术可控制备功能性表面研究打下了基础。全文的主要研究内容如下:
　　1.探讨了空气中443不锈钢表面激光加工参数对飞秒激光烧蚀形貌特征的影响以及在相同激光加工参数下环境介质对飞秒激光烧蚀形貌特征的影响，并讨论了443不锈钢表面飞秒激光微/纳米结构化的形貌控制。
　　2.采用空气中飞秒激光多层烧蚀，在443不锈钢表面制备了一种新型的连结状纳米-微米双重结构(简称N-mounds)，并提出了一种形成模型用以描述连结状N-mounds的形成。该模型可分为四个阶段，即飞秒激光诱导表面周期性结构的形成，局部区域先期突起结构的形成，随机分布N-mounds的形成以及连结状N-mounds的形成。N-mounds的长大及连结状N-mounds的形成都归结于N-mounds间山谷的倾向性烧蚀。
　　3.进行了相同激光加工参数下，空气、纯水和甲醇中443不锈钢表面的飞秒激光多层烧蚀试验，并对比分析了两种液体介质中形成的飞秒激光诱导微/纳米结构的形成机理。在纯水中，随着扫描层数的增加，试样表面始终形成飞秒激光诱导表面周期性结构，其形成可用等离子体激元模型进行解释。在甲醇中，随着扫描层数的增加，试样表面逐渐形成了被亚微米级波纹结构覆盖的微米级突起结构，其形成是多层烧蚀演变的结果。而在激光加工参数完全相同的情况下，在不同环境介质中获得的表面形貌间的差异则由不同环境介质相异的物理化学性质引起。
　　4.对相同激光加工参数下，空气、纯水及甲醇环境介质中443不锈钢表面飞秒激光单层及多层烧蚀进行了烧蚀率的对比分析。结果表明，在单层烧蚀下，由于等离子体约束效应、激光诱导冲击波和气泡诱导机械力等作用，液体中的烧蚀率要高于空气中的烧蚀率。然而，在多层烧蚀下，随着扫描层数的增加，这三种环境介质中，烧蚀率的变化变得复杂，并且由烧蚀介质和之前烧蚀过程引起的烧蚀形貌共同决定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 飞秒激光概述

1．3 飞秒激光微／纳加工简介

1．3．1 飞秒激光微／纳加工的特点

1．3．2 飞秒激光微／纳加工的应用

1．4 飞秒激光诱导表面微／纳米结构及其研究进展

1．4．1 飞秒激光表面微／纳米结构化

1．4．2 飞秒激光诱导表面周期性结构及其研究进展

1．4．3 飞秒激光诱导表面纳米-微米双重结构及其研究进展

1．4．4 飞秒激光诱导表面微／纳米结构的潜在应用

1．5 本文研究内容和技术路线图

第二章 飞秒激光微／纳加工系统

2．1 飞秒激光器

2．2 外部光路系统

2．3 运动控制台

2．4 本章小结

第三章 空气中443不锈钢表面不同加工参数下的飞秒激光烧蚀形貌

3．1 引言

3．2 飞秒激光表面扫描加工试验设计

3．3 不同激光加工参数下443不锈钢表面飞秒激光烧蚀形貌

3．4 本章小结

第四章 空气中443不锈钢表面飞秒激光诱导纳米-微米双重结构的形成机理

4．1 引言

4．2 空气中飞秒激光多层烧蚀不锈钢的试验设计

4．3 空气中飞秒激光多层烧蚀不锈钢表面形貌的演变过程

4．4 空气中飞秒激光多层烧蚀诱导纳米-微米双重结构的形成机理

4．4．1 阶段Ⅰ：FLIPSSs的形成

4．4．2 阶段Ⅱ：先期突起的形成

4．4．3 阶段Ⅲ：随机分布N-mounds的形成

4．4．4 阶段Ⅳ：连结状N-mounds的形成

4．5 本章小结

第五章 液体中443不锈钢表面飞秒激光诱导微／纳米结构的形成机理

5．1 引言

5．2 液体中飞秒激光多层烧蚀不锈钢的试验设计

5．3 液体中飞秒激光多层烧蚀不锈钢表面形貌的演变过程

5．4 液体中飞秒激光多层烧蚀诱导微／纳米结构的形成机理

5．5 本章小结

第六章 443不锈钢表面飞秒激光多层烧蚀下环境介质对烧蚀率的影响

6．1 引言

6．2 飞秒激光多层烧蚀不锈钢的试验设计

6．3 飞秒激光多层烧蚀下空气和液体介质对烧蚀率影响的对比分析

6．4 本章小结

第七章 结论与研究展望

7．1 结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和取得的研究成果