Laser surface texturing/zh
雷射表面紋理化（LST）是一種用於改善材料摩擦學W特性的表面工程製程。使用雷射W在材料表面創建圖案化微結構W可以提高負載能力、磨損率、潤滑壽命並降低摩擦係數。利用表面不規則性來改善摩擦學性能的做法最早在 20 世紀 60 年代被提出，並已在多種製造技術中實施。[ 1 ]雖然表面紋理工程已研究多年，但利用雷射圖案化表面微結構進行摩擦學改進的技術出現於 20 世紀 90 年代，並持續取得重大技術進步。與其他表面蝕刻製程相比，雷射具有無與倫比的表面微結構控制能力，並且對環境的影響較小。[ 2 ]鑑於摩擦W會在無數製程和設備中造成不可避免的損失和磨損，利用 LST 技術提高效率和延長使用壽命的機會非常廣泛。此外，LST 還提供了克服靜摩擦W的可能性，例如在微機電系統W中。[ 3 ]
基本基本原則
LST 是一種材料工藝，用於在工件接觸表面上創建圖案化微結構。雖然可以使用不同的圖案，但常見的微結構是線性凹槽、交叉凹槽和圓形凹坑狀凹陷（圖 1）。這些微結構透過多種方式起到改善摩擦學特性的作用。以下列出的影響會根據幾個特定於應用的屬性（潤滑劑黏度W、微孔幾何形狀、相對接觸速度、負載壓力等）而發揮不同的作用。[ 4 ]
微流體動壓軸承
每個微腔（無論是凹槽還是凹坑）在兩個接觸面之間的相對運動期間都充當微型流體動力W軸承。 [ 1 ]這種流體動力學效應是每個孔隙中形成的壓力梯度的結果，可以使用雷諾平均納維-斯托克斯方程式W來建模。[ 5 ]由於兩個接觸面之間存在相對運動，剪切力作用在表面的潤滑劑上，因此由於楔效應而形成了壓力曲線（圖 2）。微流體動力軸承可減少滑動表面之間的摩擦和磨損。潤滑對於微流體動力軸承效應的發揮至關重要，因為相對於液體潤滑劑，空氣的黏度非常低。無潤滑表面需要較高的相對速度才能使這種軸承效應變得相關。
碎片陷阱
微腔為碎片顆粒提供了一個容納空間，並減少了與接觸區碎片相關的額外摩擦。孔隙作為碎屑陷阱的功能在潤滑和非潤滑應用中均有發現，並且是表面紋理對於非潤滑應用的主要正面作用。[ 4 ]
潤滑劑儲存器
如果表面接觸區域失去潤滑，微腔可以提供額外的潤滑劑，並透過毛細作用W被吸入缺油區域。[ 4 ]這種圖案化的幾何結構可以形成無數個微型潤滑劑儲存器，為缺油區域提供直接、即時的潤滑劑釋放。為了使這些儲存器存在，圖案微結構的幾何形狀必須封閉，以防止潤滑劑被迫通過通道流出。[ 6 ]
應用技術
特定圖案化表面微結構的創建可以透過多種方式實現，例如噴砂、反應離子蝕刻W和超音波W加工。然而，雷射技術對於產生的幾何形狀提供了最強的控制和精度。此外，雷射燒蝕不使用化學試劑或產生大量廢物。請參閱下面部分，以了解替代的表面紋理方法。
為了實現雷射表面紋理化，需要考慮有關設備和應用的幾個技術決策。這些包括雷射特性、掃描或乾涉圖案的使用、孔隙幾何形狀和頻率以及完整與部分 LST。
雷射
為了製造圖案表面微結構，所使用的雷射需要適合工件材料，並且能夠熔化或燒蝕材料。實際上，LST 中使用的一些主要雷射類型是 Nd：YAG 雷射器W、二氧化碳雷射W和準分子雷射器W。雷射通常是脈衝的，常使用Q開關設定W，每個脈衝產生一個凹坑。透過高重複率（脈衝持續時間為 μs 至 fs），可以在非常短的加工時間內創建數千個凹坑。由於 LST 每秒可產生超過 1000 個微腔，因此可擴展到大面積。[ 6 ]
Nd：YAG 和 CO 2比準分子雷射更常見，因為準分子雷射的消融率相對較低，且 LST 需要過多的時間。另一方面，由於準分子雷射的廢除率低，它們可以用來創建微米精度內的微結構。此外，準分子雷射經常與光刻方法和蝕刻程序一起使用來創建表面紋理。
在雷射加工中，材料透過燒蝕、熔化或兩者結合的方式去除。通常，在雷射焦點旁邊引入高壓氣體，以吹走熔融和昇華的材料。切割和去除率取決於雷射功率、波長、脈衝持續時間以及工件的材料特性；吸收率、熱導率和熱容量等特性。材料的硬度不會影響其雷射切割率，這使得 LST 能夠有效切割碳化物和陶瓷等通常難以切割的物質。
直接光束、掃描和乾涉圖案
為了在材料表面產生圖案化的微結構，必須操縱雷射光束相對於表面的位置。控制雷射燒蝕以創建所需圖案的主要技術有三種：直接光束移動、掃描和使用乾涉圖案。所採用的技術取決於工件的幾何形狀、生產規模和預算。
直接光束
直接光束方法將雷射光束直接施加到材料表面。燒蝕頭聚焦激光，高壓氣管吹走熔化和昇華的材料。機械化系統允許工件或燒蝕頭以受控的增量移動。透過操縱燒蝕頭和工件的相對位置以及雷射的脈衝持續時間，可以控製表面凹陷的頻率。
掃描
控制雷射圖案的另一種方法是利用掃描系統。透過一系列電動鏡反射雷射光束，雷射光束可以快速移動到要創建的每個微腔的所需位置。這些電動鏡（通常稱為鏡面檢流計W）可以精確、快速地將雷射光束引導至所需的接觸點。為了確保光束不會以一定角度撞擊表面，使用平場透鏡來確保光束和表面在接觸點處垂直。[ 6 ]
干涉圖樣
為了創建圖案化凹槽和交叉凹槽，還可以使用光學干涉W圖案。 [ 2 ]干涉圖案覆蓋了光束直徑的大小，並同時產生了許多微腔。當兩束光束互相干涉時，就會發生建設性干涉和破壞性干涉，從而產生平行的直線光線。如果將此雷射圖案指向材料表面一定時間，就會發生燒蝕和熔化，從而形成平行的線性凹槽。線性凹槽的周期由下式給出：
其中：λ為雷射波長，α為雷射光束之間的夾角。[ 2 ]
為了創建交叉凹槽微結構，可以沿著一個方向曝光樣品以創建線性凹槽，然後旋轉 90° 並再次暴露在光線下以創建交叉凹槽。
孔隙幾何形狀、大小和頻率
為了獲得最佳摩擦學特性，微孔的最佳圖案和幾何形狀取決於多種應用因素，並不是一門精確的科學。對於凹坑狀凹陷，我們發現，與孔徑與深度之比以及孔覆蓋的面積分數相比，精確的幾何形狀並不重要。[ 1 ]影響最佳孔隙率和麵積分數的應用因素包括：
- 負載能力
- 壓力
- 材料
- 滑動速度
總體而言，目前的研究報告最佳孔隙面積覆蓋率在 10% 到 15% 之間。[ 7 ] , [ 8 ]同樣，一般情況下的最佳孔徑約為 10 μm。[ 8 ]當孔徑較大時，潤滑膜間隙減小，摩擦急遽上升。
在某些高壓應用中，當接觸表面僅部分區域有紋理時，LST 最有效。[ 9 ]僅對部分區域進行紋理處理，表面之間的負載能力可以提高得多。[ 9 ]圖 3 為部分 LST 的引擎活塞環影像。
完成程式
雷射表面紋理依賴目標材料被高壓氣體熔化、燒蝕和吹走。將 LST 應用於表面後，多餘的熔化邊緣和爐渣將作為雷射加工的產物存在於表面上。[ 4 ]需要透過拋光去除這些熔融邊緣和多餘的重新固化的材料，以使預期的表面幾何形狀能夠按預期發揮作用。這種拋光可以採用柔和的磨料和標準機械拋光技術來完成。
LST 之後也可以塗上塗層來改善表面特性。可以使用類鑽碳W和 Ti 合金等材料薄膜來改善某些表面特性，例如硬度和耐磨性。[ 4 ]
好處
雷射表面紋理處理具有許多優點，可以節省大量能源並提高許多機械系統的效率。最明顯的好處是減少摩擦。由於該領域相對較新，LST 應用中變數的數量允許報告一系列的摩擦減少。目前的研究顯示摩擦力大幅減少20%至65%。[ 2 ] , [ 6 ]、[ 10 ]摩擦力的具體減少取決於許多變量，包括負載能力、微孔幾何形狀、速度和所用材料。這種摩擦的減少對於潤滑和乾燥情況都是適用的，對於非潤滑應用，摩擦減少的程度較低（15％-40％）。[ 10 ] MoS2和石墨等固體潤滑劑也可與 LST 表面一起使用，具有減少摩擦的功效。[ 11 ]減少摩擦可以帶來許多好處。首先，節省的因熱量而損失的能量可以降低應用的能源需求。其次，較低的摩擦產生的熱量較少，因此表面的熱應力和應變也隨之減少。最後，較低的摩擦係數可減少靜摩擦，使得某些設備（如 MEMS W）能夠使用較低的力來啟動運動。[ 12 ]
另一個好處是提高疲勞壽命。微腔充當碎片陷阱，防止小鬆散顆粒引發微裂縫和損壞。據觀察，經過 LST 處理的零件的磨損壽命比標準零件的疲勞壽命提高三倍以上。[ 2 ]、[ 10 ]採用 LST 可以顯著減少由重複的小表面運動引起的磨損，即微動W磨損。實驗發現，採用 LST 後，微動疲勞壽命可增加一倍。[ 13 ]
LST 應用的這些令人印象深刻的結果顯示了這項技術的潛力。幾乎所有機械系統都以某種方式對抗摩擦，而 LST 的應用範圍也不斷擴大。
應用程式
現在
作為一個相對較新的領域，LST 主要處於研究和小規模應用階段。目前，LST 已經有一些商業應用，例如計劃在汽車引擎生產線上使用 LST，以及在磁性儲存驅動器中使用 LST。[ 6 ]、[ 14 ]此外，還有幾家專業公司提供紋理零件和密封件。目前正在進行許多涉及不同商業用途應用的調查，其中包括：
- 液壓系統W [ 6 ]
- 密封件[ 3 ]
- 推力軸承W [ 3 ]
- 磁性儲存設備[ 14 ]
- MEMS 裝置[ 12 ]
- 發動機[ 6 ] , [ 15 ]
- 具有 LST 表面的骨植入物和牙種植體可改善骨整合[ 16 ]
未來應用的想法
如上所述，由於大量設備會因摩擦而產生巨大損失，因此 LST 的潛力是巨大的。未來 LST 應用的一些想法包括：
案例—能量平衡
為了強調透過 LST 應用節省的能源，可以研究一個具體的案例。由於活塞環和汽缸壁之間存在顯著的重複相對接觸，因此W 型活塞環適用於 LST 應用。此次能量計算中使用了以下保守參數：
- 5千瓦二氧化碳雷射器
- 每秒 100 次脈衝，每次脈衝都會產生類似酒窩的印象
- 4缸發動機
- 每個活塞有 3 個活塞環
- 活塞環寬 2.5 毫米，半徑 100 毫米，外部徑向表面有紋理
- 凹坑呈方形矩陣，凹坑間距為 0.5 毫米
使用這些參數，對全部 12 個活塞環進行紋理化的雷射操作所消耗的能量等於3.8 MJ。為了對此 LST 應用所節省的能量提供近似值，可以檢查涉及將 LST 應用於福特 Transit 4 缸柴油引擎的研究結果。[ 15 ]研究發現，與標準活塞環相比，使用 LST 活塞環時，燃油消耗量下降了約 4%。為了比較這些數字，柴油的能量含量為42 MJ/kg（約 80% 的能量含量可轉換為熱能）。[ 17 ]此範例沒有考慮在應用 LST 過程中可能產生的許多其他小能量損失，只考慮了消耗的雷射能量，但它仍然證明了非常短的能量回收期。
替代表面紋理方法
與表面紋理化相關的摩擦學改進也可以透過其他紋理化技術（而非 LST）來實現。雖然雷射具有無與倫比的精度和控制能力，但以下技術正在表面紋理化應用中使用和研究：[ 3 ]
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