答辩博士：马晨斌
指导老师：康敏教授
论文题目：基于皮秒激光的304不锈钢表面微织构加工机理及性能研究
答辩委员会：
主席：
何春霞教授/博导 南京农业大学
委员：
汤文成教授/博导 东南大学
田宗军教授/博导 南京航空航天大学
尹文庆教授/博导 南京农业大学
薛金林教授/博导 南京农业大学
秘书：
王兴盛副教授/硕导 南京农业大学
答辩时间：2023年11月7日15时0分
答辩地点：浦口校区育贤楼C402会议室
论文简介：
随着农业生产、食品工程和现代化工业的不断进步，提高相关器械的效率和使用性能已成为迫切需求。在这些领域中，对零部件的高精度加工和处理技术的需求日益增长。作为新兴的加工工具，皮秒激光以其高效率、高精度和高加工质量等特点而备受关注，并在材料表面处理领域得到了广泛应用。为实现具有特殊功能性材料表面的开发，为超短脉冲激光表面织构化加工技术的织构设计、工艺优化及改进提供理论和实际依据，为农业机械、食品工程等领域的发展做出贡献，本文应用理论分析、仿真计算和实验验证方法研究了皮秒激光与304不锈钢相互作用过程及机理，通过实验分析对皮秒激光织构化工艺进行了探究，并对织构化表面的摩擦学性能及润湿性能进行了研究和分析。
本文研究的主要内容和结论包括以下几个方面：
（1）皮秒激光与304不锈钢之间相互作用过程及机理研究。基于双温理论、传热学及流体动力学，考虑材料的相爆炸去除和蒸发去除机制，构建了一个针对皮秒激光脉冲与304不锈钢之间相互作用过程计算的仿真模型，并通过实验对皮秒激光与304不锈钢作用过程中的材料去除机制进行了分析和验证。此外，基于表面等离子体激元干涉理论，采用流体模型计算了LIPSSs（激光诱导表面周期性结构）的形成过程。仿真与实验结果对比分析表明，能量密度小于5.744 J/cm2时，材料的去除机制主要材料为蒸发，材料界面在饱和蒸汽压的作用下运动；能量密度增大后，应考虑材料的相爆炸去除，此时应考虑添加修正后的声速项以对材料的界面运动速度进行分析计算。此外，计算结果表明，入射激光与材料表面等离子体激元之间干涉导致的激光能量调制有助于HSFL（高空间频率LIPSSs）和LSFL（低空间频率LIPSSs）的形成，分别可获得周期约为210 nm的HSFL和周期约为410 nm的LSFL。
（2）激光微织构的制备及织构化表面摩擦磨损性能实验研究。研究了不锈钢微织构形貌与激光加工参数之间的关系，探究了不同织构密度、织构深度及织构类型的激光微织构表面在干摩擦和水润滑条件下的摩擦学性能,并通过前馈神经网络对微织构形貌与摩擦磨损后磨痕形貌进行了分析。实验表明，在脉冲数小于2000时，随着激光能量密度和脉冲数的增大，微织构的深度快速增大；随着脉冲数继续增大，微沟槽织构深度继续增加，而微凹坑织构深度逐渐趋于不变。干摩擦条件下摩擦学测试结果表明竖向沟槽微织构表面摩擦学性能普遍降低，而在合适的织构深度和密度下，凹坑、横向沟槽和微凸台阵列表面摩擦系数均可被大幅降低至约为0.8，摩擦学性能增强。相对于干摩擦条件，水润滑条件下各表面摩擦系数均大幅降低，然而，仅部分横向沟槽表面展现出相对于无织构表面的摩擦学性能改善效果。
（3）微纳复合织构表面超疏水高黏附性能研究。通过皮秒激光多步加工工艺，在不锈钢表面制备了三种分别复合有HSFL、LSFL和Nano-Hole的微凸台阵列结构，观察了氟硅烷溶液处理后各微纳复合织构表面的接触角和液滴黏附行为，分析了其表面微纳米形貌与表面润湿性能之间的关系。实验结果表明，氟硅烷能够将具有微纳复合织构的304不锈钢表面转变成超疏水状态，复合有HSFL的表面接触角约为152.3°，复合有Nano-Hole 的表面接触角增加至159.7°，但各表面均展现出高黏附特性。理论分析结果表明，表面微凸台侧壁倾角和初始接触角之间的关系决定了液滴所受合力方向向下，进而导致微纳复合织构表面的高黏附特性。此外，微纳复合结构表面的黏附行为差异表明，固液气三相接触线的连续性、长度、密度以及气穴开闭情况对表面黏附特性具有重要影响。
（4）热处理对激光织构化表面润湿性能的影响研究。通过调控激光加工参数和熔融残渣去除方式，在304不锈钢表面制备了八种不同的微凸台阵列，实验研究了了空气和低真空环境中热处理对激光织构化表面润湿性能的影响，并测试了所得超疏水表面的机械耐久性。实验结果表明，热处理可以提高激光织构化表面的润湿性能转变潜力，促进其表面获取超疏水性能；相较于时效处理和空气热处理，低真空热处理后的微织构表面展现出更快速、更稳定的超疏水低黏附转变。各微织构表面的润湿性能转变结果对比表明，表面化学成分及微纳米形貌对三相接触线和固液接触状态的影响是导致其表面接触角和粘附性差异的重要原因。此外，低真空热处理后的超疏水织构表面在磨损测试后的超疏水表面仍然具有较大的接触角和较低的液滴黏附性能，具有良好的机械耐久性。综上，本论文主要研究了皮秒激光与304不锈钢材料相互作用机理及材料的去除机制，研究了皮秒激光微纳织构化加工工艺，研究了具有特殊功能性的304不锈钢表面开发。
主要创新点如下：
（1）建立了皮秒激光脉冲烧蚀304不锈钢的数学模型和有限元计算模型，综合考虑材料的相爆炸去除及蒸发去除对皮秒激光脉冲烧蚀不锈钢过程进行计算分析，揭示了脉宽为10 ps的超快激光与304不锈钢材料之间复杂的相互作用过程。
（2）通过干摩擦及水润滑条件下微织构表面摩擦学性能研究，揭示了微织构表面织构密度、织构类型及织构深度对其摩擦学性能的影响规律，并通过前馈神经网络分析了微织构形貌与磨损测试后磨痕形貌之间的关系。
（3）通过激光微纳米复合织构的制备及氟硅烷处理，实现了具有“玫瑰花瓣效应”超疏水高黏附表面的制备；提出了无需含氟试剂处理的具有“荷叶效应”的超疏水低黏附表面的制备工艺；揭示了微织构表面的润湿性能转变机理及其表面黏附性能转变规律。
