超短脉冲激光诱导微纳结构调控材料摩擦性能

Ultra-hard and abrasive materials are widely used in these fields of abrasive tools, metal cutting, injection moulds, and rock drilling. How to reduce the friction resistance of these tool materials during manufacturing has always be concerned as reducing friction resistance can improve efficiency, reduce wear, decrease energy consumption and reduce pollution. The friction resistance can be reduced by engraving indentation textures at selected locations on tool surface. When the size of textures is on nanoscale, the ability of friction reduction will be dramatically improved. In this study, we will develop a preparation approach of nanostructures on ultra-hard and abrasive material surface based on the technique of self-interference of femtosecond laser pulses. By taking advantage of the techniques such as energy gradient control, pulse shaping, and flexible mask enhancement, we will achieve the stable, repeatable and designable preparation of subwavelength nanostructures on these materials. We will also master the key techniques for high precision, large-area, high efficiency preparation nanostructures in order to get high quality nanotextured surface, i.e., the high quality anti-friction or abrasive tool surface. Finally, we expect that we can break through the technique bottleneck of fraction reduction in China and promote the development of laser manufacturing techniques.

超硬及耐磨材料广泛应用于精密研磨、金属切削、模具成形、岩石钻探等领域的工具及模具。如何降低工具及模具表面摩擦阻力是提高效率、降低磨损、减小能耗、降低污染的关键问题。通过在工具选定位置引入表面织构可以降低加工过程中的摩擦阻力，特别当织构尺度在纳米量级时，可以极大地提高工具的摩擦减阻性能。本项目提出一种基于超短脉冲激光自相干技术制备表面纳米织构的方法，旨在解决如何在超硬、耐磨材料上制备纳米结构的问题。通过能量梯度调控、时频脉冲整形、柔性掩膜增强等创新技术，解决重复、稳定、可设计的深亚波长纳米结构制备中的关键科学问题，掌握高精度、大面积、高效率激光纳米制备的关键技术，获得具有良好摩擦、磨损特性的纳米织构化功能表面，突破我国摩擦减阻领域的技术瓶颈，推动激光制造技术的发展。

超硬及耐磨材料广泛应用于精密研磨、金属切削、模具成形、岩石钻探等领域的工具及模具。如何降低工具及模具表面摩擦阻力是提高效率、降低磨损、减小能耗、降低污染的关键问题。通过在工具选定位置引入表面织构可以降低加工过程中的摩擦阻力，特别当织构尺度在纳米量级时，可以极大地提高工具的摩擦减阻性能。.本项目通过深入研究超短脉冲激光自相干诱导深亚波长纳米织构制造中的基础科学问题和关键技术，深入分析超短脉冲激光脉冲与超硬、耐磨等难加工材料的非线性相互作用的物理化学机理，探索实现重复、稳定、可设计的深亚波长纳米结构的方法与工艺，掌握纳米织构对摩擦性能影响的物理、化学机理，实现对纳米织构表面摩擦特性的空间选择性操控。开拓摩擦减阻表面纳米织构激光纳米制备的新方法。按照研究计划，取得如下成果：（1）研究了飞秒激光诱导金属表面微米尺度织构及其摩擦学性能。（2）研究了皮秒激光诱导金属表面微纳结构及其摩擦学性能。（3）研究了飞秒激光诱导金属表面周期纳米结构及其摩擦学性能。（4）研究了飞秒激光诱导周期表面纳米结构与原子层沉积涂层的复合摩擦性能。（5）对切削刀具切削刃、汽车气缸活塞环表面进行了微纳加工。.本项目提出一种基于超短脉冲激光自相干技术制备表面纳米织构的方法，旨在解决如何在超硬、耐磨材料上制备纳米结构的问题。通过能量梯度调控、时频脉冲整形、柔性掩膜增强等创新技术，解决重复、稳定、可设计的深亚波长纳米结构制备中的关键科学问题，掌握高精度、大面积、高效率激光纳米制备的关键技术，获得具有良好摩擦、磨损特性的纳米织构化功能表面，突破我国摩擦减阻领域的技术瓶颈，推动激光制造技术的发展。