CN114057158A - 利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，属于表面微纳结构加工领域。在划痕过程中，将粘滑压电驱动器作为划痕方向的驱动装置，利用粘滑压电驱动器的回退现象使材料在划痕过程中发生堆积，进而在划痕产生的微沟槽结构表面生成周期性的栅状二级结构，即复合微纳结构；通过X‑Y电机平台的运动使相邻两条划痕搭接，实现大面积复合微纳结构的加工。本发明操作简单、加工效率高，通过调节粘滑压电驱动器的驱动电压可获得不同尺寸的表面复合微纳结构，一方面实现了粘滑驱动回退现象的有效利用，另一方面为表面复合微纳结构的加工提供了新思路。
Description
技术领域
本发明涉及表面复合微纳结构加工技术领域，特别涉及一种利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法。本发明充分利用粘滑驱动过程中的回退现象，可实现微沟槽结构表面周期性栅状二级结构的同步加工，在表面微结构加工、表面润湿性、光学等领域有广泛的应用前景。
背景技术
自然界中存在大量特殊表面微结构，如荷叶、沙漠甲虫、鸟羽、猪笼草、美人蕉、蝴蝶翅膀、鲨鱼皮等，其具有超亲水、超疏水、自清洁、结构色、结构减阻等特性。而对材料表面进行仿照生物表面微结构的加工可以使材料表面发生功能性转变，这将会进一步丰富材料的工程应用。其中，典型的沟槽型微结构已经展现出广阔的应用前景，如：在锆基非晶合金表面制备不同深度的周期性光栅结构可以使其表面产生不同的颜色；钛合金表面制备具有不同深宽比的微沟槽可以改变表面的润湿性，进而实现液体操纵的功能。另一方面，已有研究表明，微纳复合结构相比单一微结构往往表现出更为丰富的功能特性。然而微沟槽加工方法大多只能加工一级的微沟槽结构，二级结构的加工较为困难。传统的表面复合微纳结构加工主要是集成到机床上进行的，二级结构大多在一级结构加工后的表面上进行加工，这不仅加工难度大、成本高、过程复杂，还会影响一级微结构的表面质量。为此，探索更加便捷高效的微沟槽结构表面二级微纳结构加工方法，对于丰富该类型微结构的功能与应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明充分利用粘滑驱动过程中的回退现象，使材料在划痕过程中发生堆积，进而在划痕产生的微沟槽结构表面生成周期性的栅状二级结构，即复合微纳结构。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，在划痕过程中，将粘滑压电驱动器作为划痕方向的驱动装置，利用粘滑压电驱动器的回退现象使材料在划痕过程中发生堆积，进而在划痕产生的微沟槽结构表面生成周期性的栅状二级结构，即复合微纳结构；通过X-Y电机平台的运动使相邻两条划痕搭接，实现大面积复合微纳结构的加工，具体包括以下步骤：
步骤一、将粘滑压电驱动器3集成到纳米划痕仪1中，并将预先清洁的待加工试件2安装到粘滑压电驱动器3上，调控纳米划痕仪1的压头下压到设定载荷；
步骤二、设置粘滑压电驱动器3的驱动波形参数，启动粘滑压电驱动器3沿X方向运动，使其进行表面复合微纳结构加工；
步骤三、使用X-Y电机平台4进行Y方向运动，然后再启动粘滑压电驱动器3沿X方向进行表面复合微纳结构的加工，实现划痕的搭接，进而实现大面积表面复合微纳结构加工。
步骤一所述的纳米划痕仪1具有力反馈控制系统，可以进行恒定载荷划痕。
步骤二所述的表面复合微纳结构包括划痕作用直接产生的微沟槽结构以及由于粘滑驱动回退现象在微沟槽表面产生的周期性栅状二级结构。
步骤二所述的表面复合微纳结构中的微沟槽结构尺寸通过调节划痕载荷实现调整；表面复合微纳结构中的周期性栅状二级结构的周期与尺寸通过调节粘滑压电驱动的电压幅值、频率实现调整。
步骤三所述的表面复合微结构的搭接通过X-Y电机平台4沿Y方向运动实现，相邻划痕中心距为一个划痕宽度。
本发明的有益效果在于：
本发明利用粘滑驱动过程中的回退现象，提出了一种全新的表面复合微纳结构加工方法，可在划痕产生的微沟槽结构表面生成周期性的栅状二次结构。本发明操作简单、加工效率高，一方面实现了粘滑驱动回退现象的有效利用，另一方面为表面复合微纳结构的加工提供了新思路。另外，本发明还可通过调节粘滑压电驱动器的驱动电压以获得不同尺寸的表面复合微纳结构，具有微结构尺寸易于调控的优点，对于扩展粘滑驱动在复合微纳结构加工领域的应用具有重要意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的表面复合微纳结构加工系统示意图；
图2为本发明的压电驱动信号波形和运动位移示意图；
图3为本发明的施加电压36V、频率20Hz时所加工的复合微纳结构的光学形貌图；
图4为本发明的施加电压108V、频率20Hz时所加工的复合微纳结构的光学形貌图；
图5为本发明的施加电压与二级微纳结构宽度的线性拟合图。
图中：1、维氏压头；2、试件；3、粘滑驱动器；4、X-Y电机平台。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明的利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，在划痕过程中，将粘滑压电驱动器作为划痕方向的驱动装置，利用粘滑压电驱动器的回退现象使材料在划痕过程中发生堆积，进而在划痕产生的微沟槽结构表面生成周期性的栅状二级结构，即复合微纳结构；通过X-Y电机平台的运动使相邻两条划痕搭接，实现大面积复合微纳结构的加工，具体包括以下步骤：
步骤一、将粘滑压电驱动器3集成到纳米划痕仪1中，并将预先清洁的待加工试件2安装到粘滑压电驱动器3上，调控纳米划痕仪1的压头下压到设定载荷；
步骤二、设置粘滑压电驱动器3的驱动波形参数，启动粘滑压电驱动器3沿X方向运动，使其进行表面复合微纳结构加工；
步骤三、使用X-Y电机平台4进行Y方向运动，然后再启动粘滑压电驱动器3沿X方向进行表面复合微纳结构的加工，实现划痕的搭接，进而实现大面积表面复合微纳结构加工。
进一步地，步骤一所述的纳米划痕仪1具有力反馈控制系统，可以进行恒定载荷划痕。
进一步地，步骤二所述的表面复合微纳结构包括划痕作用直接产生的微沟槽结构以及由于粘滑驱动回退现象在微沟槽表面产生的周期性栅状二级结构。
进一步地，步骤二所述的表面复合微纳结构中的微沟槽结构尺寸通过调节划痕载荷实现调整；表面复合微纳结构中的周期性栅状二级结构的周期与尺寸通过调节粘滑压电驱动的电压幅值、频率实现调整。
进一步地，步骤三所述的表面复合微结构的搭接通过X-Y电机平台4沿Y方向运动实现，相邻划痕中心距为一个划痕宽度。
本发明利用粘滑驱动的回退现象，提出一种全新的表面复合微纳结构加工方法。本发明将粘滑压电驱动器集成到纳米划痕仪中，充分利用了粘滑驱动过程中的回退现象，使材料在划痕过程中发生堆积，进而在划痕产生的微沟槽结构表面生成周期性的栅状二级结构，即复合微纳结构。本发明操作简单、加工效率高，通过调节粘滑压电驱动器的驱动电压可获得不同尺寸的表面复合微纳结构，一方面实现了粘滑驱动回退现象的有效利用，另一方面为表面复合微纳结构的加工提供了新思路。
实施例：
以1050镜面铝为例，利用本发明提出的方法在不同的驱动电压下进行表面复合微纳结构的加工，结合以下实施例进一步对比说明本发明的实施过程和有益效果。
参见图3所示，图3中（a）部分为在锯齿波驱动波形，驱动电压36V，驱动电压频率20Hz，划痕载荷200mN的试验条件下获得的复合微纳结构。划痕形成的V型沟槽的宽度为60µm，V型沟槽内的二级微纳结构的平均宽度为1.86µm，平均高度为0.27µm。图3中（b）部分是在图3中（a）部分的基础上，进行两道划痕中心距为60µm的搭接，实现大面积复合微纳结构的加工。
参见图4所示，图4中（a）部分为在锯齿波驱动波形，驱动电压108V，电压频率20Hz，划痕载荷200mN的试验条件下获得的复合微纳结构。划痕形成的V型沟槽的宽度为60µm，V型沟槽内的二级微纳结构的平均宽度为8.09µm，平均高度为1.34µm；图4中（b）部分是在图4中（a）部分的基础上，进行两道划痕中心距为60µm的搭接，实现大面积复合微纳结构的加工。
图5为驱动电压和二级微纳结构宽度的线性拟合关系，分别在驱动电压36V、48V、60V、72V、84V、96V、108V、120V，锯齿波驱动波形，驱动电压频率20Hz的试验条件下进行复合微纳结构加工试验。对驱动电压和二级微纳结构宽度进行线性拟合，其R 2=0.9919，线性度较好。本发明可以利用驱动电压和微纳结构尺寸的线性关系，通过改变驱动电压进行任意尺寸的复合微纳结构加工。
从实例结果可以看出，利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，利用了粘滑驱动的回退现象进行表面复合微纳结构加工，其具有加工简单、易于操作，表面复合微纳结构尺寸易于调节，可进行大面积表面复合微纳结构加工等优点。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，其特征在于：在划痕过程中，将粘滑压电驱动器作为划痕方向的驱动装置，利用粘滑压电驱动器的回退现象使材料在划痕过程中发生堆积，进而在划痕产生的微沟槽结构表面生成周期性的栅状二级结构，即复合微纳结构；通过X-Y电机平台的运动使相邻两条划痕搭接，实现大面积复合微纳结构的加工，具体包括以下步骤：
步骤一、将粘滑压电驱动器（3）集成到纳米划痕仪（1）中，并将预先清洁的待加工试件（2）安装到粘滑压电驱动器（3）上，调控纳米划痕仪（1）的压头下压到设定载荷；
步骤二、设置粘滑压电驱动器（3）的驱动波形参数，启动粘滑压电驱动器（3）沿X方向运动，使其进行表面复合微纳结构加工；
步骤三、使用X-Y电机平台（4）进行Y方向运动，然后再启动粘滑压电驱动器（3）沿X方向进行表面复合微纳结构的加工，实现划痕的搭接，进而实现大面积表面复合微纳结构加工。
2.根据权利要求1所述的利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，其特征在于：步骤一所述的纳米划痕仪（1）具有力反馈控制系统，可以进行恒定载荷划痕。
3.根据权利要求1所述的利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，其特征在于：步骤二所述的表面复合微纳结构包括划痕作用直接产生的微沟槽结构以及由于粘滑驱动回退现象在微沟槽表面产生的周期性栅状二级结构。
4.根据权利要求3所述的利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，其特征在于：步骤二所述的表面复合微纳结构中的微沟槽结构尺寸通过调节划痕载荷实现调整；表面复合微纳结构中的周期性栅状二级结构的周期与尺寸通过调节粘滑压电驱动的电压幅值、频率实现调整。
5.根据权利要求1所述的利用粘滑驱动回退现象实现表面复合微纳结构加工的方法，其特征在于：步骤三所述的表面复合微结构的搭接通过X-Y电机平台（4）沿Y方向运动实现，相邻划痕中心距为一个划痕宽度。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114057158B (zh) | 2024-04-09 |
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