Laser surface texturing/zh
激光表面纹理化（LST）是一种用于改善材料摩擦学W特性的表面工程制程。使用激光W在材料表面创建图案化微结构W可以提高负载能力、磨损率、润滑寿命并降低摩擦系数。利用表面不规则性来改善摩擦学性能的做法最早在 20 世纪 60 年代被提出，并已在多种制造技术中实施。[ 1 ]虽然表面纹理工程已研究多年，但利用激光图案化表面微结构进行摩擦学改进的技术出现于 20 世纪 90 年代，并持续取得重大技术进步。与其他表面蚀刻制程相比，激光具有无与伦比的表面微结构控制能力，并且对环境的影响较小。[ 2 ]鉴于摩擦W会在无数制程和设备中造成不可避免的损失和磨损，利用 LST 技术提高效率和延长使用寿命的机会非常广泛。此外，LST 还提供了克服静摩擦W的可能性，例如在微机电系统W中。[ 3 ]
基本基本原则
LST 是一种材料工艺，用于在工件接触表面上创建图案化微结构。虽然可以使用不同的图案，但常见的微结构是线性凹槽、交叉凹槽和圆形凹坑状凹陷（图 1）。这些微结构透过多种方式起到改善摩擦学特性的作用。以下列出的影响会根据几个特定于应用的属性（润滑剂黏度W、微孔几何形状、相对接触速度、负载压力等）而发挥不同的作用。[ 4 ]
微流体动压轴承
每个微腔（无论是凹槽还是凹坑）在两个接触面之间的相对运动期间都充当微型流体动力W轴承。 [ 1 ]这种流体动力学效应是每个孔隙中形成的压力梯度的结果，可以使用雷诺平均纳维-斯托克斯方程式W来建模。[ 5 ]由于两个接触面之间存在相对运动，剪切力作用在表面的润滑剂上，因此由于楔效应而形成了压力曲线（图 2）。微流体动力轴承可减少滑动表面之间的摩擦和磨损。润滑对于微流体动力轴承效应的发挥至关重要，因为相对于液体润滑剂，空气的黏度非常低。无润滑表面需要较高的相对速度才能使这种轴承效应变得相关。
碎片陷阱
微腔为碎片颗粒提供了一个容纳空间，并减少了与接触区碎片相关的额外摩擦。孔隙作为碎屑陷阱的功能在润滑和非润滑应用中均有发现，并且是表面纹理对于非润滑应用的主要正面作用。[ 4 ]
润滑剂储存器
如果表面接触区域失去润滑，微腔可以提供额外的润滑剂，并透过毛细作用W被吸入缺油区域。[ 4 ]这种图案化的几何结构可以形成无数个微型润滑剂储存器，为缺油区域提供直接、即时的润滑剂释放。为了使这些储存器存在，图案微结构的几何形状必须封闭，以防止润滑剂被迫通过通道流出。[ 6 ]
应用技术
特定图案化表面微结构的创建可以透过多种方式实现，例如喷砂、反应离子蚀刻W和超音波W加工。然而，激光技术对于产生的几何形状提供了最强的控制和精度。此外，激光烧蚀不使用化学试剂或产生大量废物。请参阅下面部分，以了解替代的表面纹理方法。
为了实现激光表面纹理化，需要考虑有关设备和应用的几个技术决策。这些包括激光特性、扫描或干涉图案的使用、孔隙几何形状和频率以及完整与部分 LST。
激光
为了制造图案表面微结构，所使用的激光需要适合工件材料，并且能够熔化或烧蚀材料。实际上，LST 中使用的一些主要激光类型是 Nd：YAG 激光器W、二氧化碳激光W和准分子激光器W。激光通常是脉冲的，常使用Q开关设定W，每个脉冲产生一个凹坑。透过高重复率（脉冲持续时间为 μs 至 fs），可以在非常短的加工时间内创建数千个凹坑。由于 LST 每秒可产生超过 1000 个微腔，因此可扩展到大面积。[ 6 ]
Nd：YAG 和 CO 2比准分子激光更常见，因为准分子激光的消融率相对较低，且 LST 需要过多的时间。另一方面，由于准分子激光的废除率低，它们可以用来创建微米精度内的微结构。此外，准分子激光经常与光刻方法和蚀刻程序一起使用来创建表面纹理。
在激光加工中，材料透过烧蚀、熔化或两者结合的方式去除。通常，在激光焦点旁边引入高压气体，以吹走熔融和升华的材料。切割和去除率取决于激光功率、波长、脉冲持续时间以及工件的材料特性；吸收率、热导率和热容量等特性。材料的硬度不会影响其激光切割率，这使得 LST 能够有效切割碳化物和陶瓷等通常难以切割的物质。
直接光束、扫描和干涉图案
为了在材料表面产生图案化的微结构，必须操纵激光光束相对于表面的位置。控制激光烧蚀以创建所需图案的主要技术有三种：直接光束移动、扫描和使用干涉图案。所采用的技术取决于工件的几何形状、生产规模和预算。
直接光束
直接光束方法将激光光束直接施加到材料表面。烧蚀头聚焦激光，高压气管吹走熔化和升华的材料。机械化系统允许工件或烧蚀头以受控的增量移动。透过操纵烧蚀头和工件的相对位置以及激光的脉冲持续时间，可以控制表面凹陷的频率。
扫描
控制激光图案的另一种方法是利用扫描系统。透过一系列电动镜反射激光光束，激光光束可以快速移动到要创建的每个微腔的所需位置。这些电动镜（通常称为镜面检流计W）可以精确、快速地将激光光束引导至所需的接触点。为了确保光束不会以一定角度撞击表面，使用平场透镜来确保光束和表面在接触点处垂直。[ 6 ]
干涉图样
为了创建图案化凹槽和交叉凹槽，还可以使用光学干涉W图案。 [ 2 ]干涉图案覆盖了光束直径的大小，并同时产生了许多微腔。当两束光束互相干涉时，就会发生建设性干涉和破坏性干涉，从而产生平行的直线光线。如果将此激光图案指向材料表面一定时间，就会发生烧蚀和熔化，从而形成平行的线性凹槽。线性凹槽的周期由下式给出：
其中：λ为激光波长，α为激光光束之间的夹角。[ 2 ]
为了创建交叉凹槽微结构，可以沿着一个方向曝光样品以创建线性凹槽，然后旋转 90° 并再次暴露在光线下以创建交叉凹槽。
孔隙几何形状、大小和频率
为了获得最佳摩擦学特性，微孔的最佳图案和几何形状取决于多种应用因素，并不是一门精确的科学。对于凹坑状凹陷，我们发现，与孔径与深度之比以及孔覆盖的面积分数相比，精确的几何形状并不重要。[ 1 ]影响最佳孔隙率和面积分数的应用因素包括：
- 负载能力
- 压力
- 材料
- 滑动速度
总体而言，目前的研究报告最佳孔隙面积覆盖率在 10% 到 15% 之间。[ 7 ] , [ 8 ]同样，一般情况下的最佳孔径约为 10 μm。[ 8 ]当孔径较大时，润滑膜间隙减小，摩擦急遽上升。
在某些高压应用中，当接触表面仅部分区域有纹理时，LST 最有效。[ 9 ]仅对部分区域进行纹理处理，表面之间的负载能力可以提高得多。[ 9 ]图 3 为部分 LST 的引擎活塞环影像。
完成程式
激光表面纹理依赖目标材料被高压气体熔化、烧蚀和吹走。将 LST 应用于表面后，多余的熔化边缘和炉渣将作为激光加工的产物存在于表面上。[ 4 ]需要透过抛光去除这些熔融边缘和多余的重新固化的材料，以使预期的表面几何形状能够按预期发挥作用。这种抛光可以采用柔和的磨料和标准机械抛光技术来完成。
LST 之后也可以涂上涂层来改善表面特性。可以使用类钻碳W和 Ti 合金等材料薄膜来改善某些表面特性，例如硬度和耐磨性。[ 4 ]
好处
激光表面纹理处理具有许多优点，可以节省大量能源并提高许多机械系统的效率。最明显的好处是减少摩擦。由于该领域相对较新，LST 应用中变数的数量允许报告一系列的摩擦减少。目前的研究显示摩擦力大幅减少20%至65%。[ 2 ] , [ 6 ]、[ 10 ]摩擦力的具体减少取决于许多变量，包括负载能力、微孔几何形状、速度和所用材料。这种摩擦的减少对于润滑和干燥情况都是适用的，对于非润滑应用，摩擦减少的程度较低（15％-40％）。[ 10 ] MoS2和石墨等固体润滑剂也可与 LST 表面一起使用，具有减少摩擦的功效。[ 11 ]减少摩擦可以带来许多好处。首先，节省的因热量而损失的能量可以降低应用的能源需求。其次，较低的摩擦产生的热量较少，因此表面的热应力和应变也随之减少。最后，较低的摩擦系数可减少静摩擦，使得某些设备（如 MEMS W）能够使用较低的力来启动运动。[ 12 ]
另一个好处是提高疲劳寿命。微腔充当碎片陷阱，防止小松散颗粒引发微裂缝和损坏。据观察，经过 LST 处理的零件的磨损寿命比标准零件的疲劳寿命提高三倍以上。[ 2 ]、[ 10 ]采用 LST 可以显著减少由重复的小表面运动引起的磨损，即微动W磨损。实验发现，采用 LST 后，微动疲劳寿命可增加一倍。[ 13 ]
LST 应用的这些令人印象深刻的结果显示了这项技术的潜力。几乎所有机械系统都以某种方式对抗摩擦，而 LST 的应用范围也不断扩大。
应用程序
现在
作为一个相对较新的领域，LST 主要处于研究和小规模应用阶段。目前，LST 已经有一些商业应用，例如计划在汽车引擎生产线上使用 LST，以及在磁性储存驱动器中使用 LST。[ 6 ]、[ 14 ]此外，还有几家专业公司提供纹理零件和密封件。目前正在进行许多涉及不同商业用途应用的调查，其中包括：
- 液压系统W [ 6 ]
- 密封件[ 3 ]
- 推力轴承W [ 3 ]
- 磁性储存设备[ 14 ]
- MEMS 装置[ 12 ]
- 发动机[ 6 ] , [ 15 ]
- 具有 LST 表面的骨植入物和牙种植体可改善骨整合[ 16 ]
未来应用的想法
如上所述，由于大量设备会因摩擦而产生巨大损失，因此 LST 的潜力是巨大的。未来 LST 应用的一些想法包括：
案例—能量平衡
为了强调透过 LST 应用节省的能源，可以研究一个具体的案例。由于活塞环和汽缸壁之间存在显著的重复相对接触，因此W 型活塞环适用于 LST 应用。此次能量计算中使用了以下保守参数：
- 5千瓦二氧化碳激光器
- 每秒 100 次脉冲，每次脉冲都会产生类似酒窝的印象
- 4缸发动机
- 每个活塞有 3 个活塞环
- 活塞环宽 2.5 毫米，半径 100 毫米，外部径向表面有纹理
- 凹坑呈方形矩阵，凹坑间距为 0.5 毫米
使用这些参数，对全部 12 个活塞环进行纹理化的激光操作所消耗的能量等于3.8 MJ。为了对此 LST 应用所节省的能量提供近似值，可以检查涉及将 LST 应用于福特 Transit 4 缸柴油引擎的研究结果。[ 15 ]研究发现，与标准活塞环相比，使用 LST 活塞环时，燃油消耗量下降了约 4%。为了比较这些数字，柴油的能量含量为42 MJ/kg（约 80% 的能量含量可转换为热能）。[ 17 ]此范例没有考虑在应用 LST 过程中可能产生的许多其他小能量损失，只考虑了消耗的激光能量，但它仍然证明了非常短的能量回收期。
替代表面纹理方法
与表面纹理化相关的摩擦学改进也可以透过其他纹理化技术（而非 LST）来实现。虽然激光具有无与伦比的精度和控制能力，但以下技术正在表面纹理化应用中使用和研究：[ 3 ]
参考文献
- ↑跳至：1.0 1.1 1.2 分贝Hamilton、JA Walowit、CM Allen，《微观不规则性润滑理论》，ASME 基础工程杂志88（1），177-185。
- ↑跳至：2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 M. Duarte, A. Lasagni, R. Giovanelli, J. Narciso, E. Louis, F. Mücklich, “利用激光干涉冶金术形成周期性图案凹槽以延长润滑膜寿命”，先进工程材料10（6），554-5858。
- ↑跳至：3.0 3.1 3.2 3.3 I. Etsion，“激光表面纹理化技术的发展现状”，摩擦学杂志127 (248)。 2005
- ↑跳至：4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 C. Donnet、A. Erdemir，《类钻石碳膜的摩擦学，第 3 章：激光加工》，Springer US Publishing。 2008 年。
- ↑ L. Burstein、D. Ingman，“孔隙总体统计对孔隙覆盖表面机械密封负载支撑的影响”，ASME 摩擦学杂志121（1），927-932，1999 年。
- ↑跳至：6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 A. Hoppermann、M. Kordt，“利用激光结构接触表面进行摩擦学优化”，Oelhydraulik und Pneumatik 46 (4)，2002。
- ↑ HL Costa、IM Hutchings，“往复滑动条件下纹理钢表面的流体动力润滑”，Tribology International 40（8），1227-1238，2007年。
- ↑跳至：8.0 8.1 M. Mahbubur Razzaque、M. Tanvir Rahman Faisal，“具有表面微孔的机械端面密封的性能”，机械工程杂志37（1），2008年。
- ↑跳至：9.0 9.1 Y. Kligerman、I. Etsion、A. Shinkarenko，“透过局部表面纹理化提高活塞环的摩擦学性能”，摩擦学杂志127（3），632-639，2005年。
- ↑跳至：10.0 10.1 10.2 I. Etsion，“透过激光表面纹理处理提高机械零件的摩擦学性能”，Tribology Letters 17（4），733-737。 2005 年。
- ↑ .A. Voevodin，JS Zabinski，“自适应固体润滑的激光表面纹理化”，Wear 261（11），1285-1292。 2006 年。
- ↑跳至：12.0 12.1 K. Komvopoulos，“微机电系统中的粘附力和摩擦力：机制、测量、表面改性技术和粘附理论”，粘附科学与技术杂志17（4），477-517，2003 年。
- ↑ A. Volchok, G. Halperin, I. Etsion，“表面规则微观形貌对微动疲劳寿命的影响”，Wear 253（3），509-515，2002年。
- ↑跳至：14.0 14.1 B. Raeymaekers、I. Etsion、FE Talke，“透过激光表面纹理化提高磁带/导轨界面的摩擦学性能”，Tribology Letters 27（1），89-95，2007。
- ↑跳至：15.0 15.1 I. Etsion、E. Sher，“利用激光表面纹理活塞环提高燃油效率”，Tribology International（印刷中），2008 年 4 月 15 日在线提供：http: //web.archive.org/web/20100306192703/http : //web.archive.org/web/20100306192703/http://www.B59999982/503/503/59933/5939393:d 392ac261846c9ae6e6be66d42c7dfd
- ↑ M. Marticorena、G. Corti、D. Olmedo、MB Guglielmotti 和 S. Duhalde，“透过激光表面改性钛植体以改善骨整合”，《物理学杂志：会议系列》59（1），662-665，2007 年。
- ↑ 联合国粮食及农业组织，《小型牛奶厂和收集中心对再生能源和节能技术的利用》，粮农组织动物生产和健康论文93 (1)，662-665，1992 年。
