光纤激光仿生微结构加工及应用研究

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1、２：论文分类号学校代码１０７０８：学号：１５０５０３５＿＾＿＆ＡＡＡ１ＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥｌＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文Ｔ＇ｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ光纤激光仿生微结构加工及应用研宄■：赠誦ｉｌ‘轉：！ＩＨＨｆ■■闫程程Ｊｉｉ＿＼ｉｌｌｉｔ指导教师姓名：杨立军教授学科名称：材料加工工程论文提交日期：２０１８年３月论文答辩日期：２０］８年５月学位授予单位：陕西科技大学丨：Ｉ■■■■ｍｍｍｍｍｉ＾———

2、■■申请工学硕士学位论文论文题目：光纤激光仿生微结构加工及应用研究学科门类：工学一级学科：材料科学与工程培养单位：机电工程学院2018年5月StudyontheFabricationandApplicationofFiberLaserBiomimeticMicrostructuresAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceMay2018光

3、纤激光仿生微结构加工及应用研究摘要316L不锈钢具有较好的生物相容性、耐腐蚀性等优异性能，广泛应用于食品、化工、机械特别是医学领域。但亲水，黏附等缺点限制其在医学领域的进一步应用，所以提高不锈钢表面的黏附、疏水性很有必要。光纤激光具有使用环境宽泛、应用领域广、能够快速加工制件、没有废料、操作简单方便等优点。在不锈钢表面采用光纤激光制备表面纹理结构能够有效改善其表面黏附疏水性能，但现阶段表面纹理结构还停留在简单的圆孔沟槽结构，对基体材料性能优化存在一定限制。本文在充分调研国内外光纤激光仿生微结构加工理论的基础上，自主搭建光纤激光加工设备，设计仿生鲨鱼皮结构。并比较圆

4、孔、微沟槽与仿生鲨鱼皮微结构对材料表面疏水、减阻、摩擦磨损和黏附的影响规律，研究加工参数和表面形貌对基体性能的影响。（1）采用SPI脉冲光纤激光，在P=10~25W，V=0.1~5m/min，聚焦光斑直径30μm等参数下，于医用不锈钢表面加工仿生结构。分析加工参数对微结构形貌质量的影响，提出参数对微结构宽度和深度的影响机理，同时根据原始鲨鱼皮结构设计仿生鲨鱼皮结构，结果表明：当盾鳞间距为80μm时接触角87.8°，在原基础上接触角增大29.12%，有效改善基体疏水性能。（2）SPI光纤激光在一定参数下（P=13~25W、f=1000Hz、V˃0.1m/min、激光

5、聚焦光斑直径30μm、室温），会在316L表面生成规律的自组织微纳米结构。建立自组织结构最优制备参数范围：功率15~21W，扫描速度0.6~1.1m/min，频率1000Hz等。同时制备大面积自组织结构，结果表明：加工间距50μm时基体表面接触角97.3°达到疏水状态，纳米尺寸自组织结构可以有效改善原始基体表面疏水性。在此基础上通过EDX和XRD检测其物相和元素分布，自组织结构主要成分为316L不锈钢成分元素，表面生成氧化层。以上检测结果表明纳米自组织结构是由熔池内的高温熔融液体，在熔池内的压力驱使下流动飞溅形成。（3）在前期研究基础上，于高频电刀表面加工仿生鲨鱼

6、皮结构，检测结果表明：仿生鲨鱼皮微结构可以减少5.4%~16.91%的刀具黏附量；减少9.36%~20.9%的摩擦系数；减少1.34%~2.16%的阻力；增加19.26%~36.88%的表面接触角，有效改善原始电刀的表面性能。并在此基础上确立仿生微结I构与摩擦系数、接触角、黏附量之间相互关系，即在一定微结构尺寸范围内，摩擦系数越小，表观接触角越大，黏附质量越少。关键词：光纤激光，微纳米结构，仿生加工，自组织结构，电刀黏附，ANSYS-FluentIIStudyontheFabricationandApplicationofFiberLaserBiomimeticM

7、icrostructuresABSTRACTThe316Lstainlesssteelisbeingextensivelyusedinfood,engineering,machinery,especiallymedicalfieldsduetotheiruniqueandintriguingbiocompatibility,corrosionresistanceandotherexcellentproperties.However,316Lstainlesssteelhavenotbeenrealizedwidely,mainlyduetothehydrophil

8、icity