1 北京理工大学机械与车辆学院激光微纳制造实验室，北京 100081
2 中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司，北京 100094
碳纤维增强复合材料（CFRP）以其轻质高强、可设计性强等优势已成为航空航天领域不可或缺的关键材料之一。为满足制造装备的要求，需对一体成型的CFRP构件进行二次加工，然而CFRP非均质、各向异性、层合结构等特征使其在加工过程中易出现分层、毛刺、热影响区较大等缺陷。概述了CFRP各种加工方法的研究进展，对比分析了CFRP不同加工方法的优缺点，从方法、工艺及机理层面介绍了激光加工CFRP的研究现状，总结了CFRP在航空航天领域中的应用，分析讨论了CFRP激光加工当前面临的挑战和今后的研究重点。
激光技术 碳纤维增强复合材料 加工工艺 超快激光 航空航天
北京印刷学院印刷与包装工程学院, 北京 102600
瓷青纸是我国古代一种名贵的加工纸, 瓷青纸文物存世稀少往往是博物馆的馆藏珍品。 关于瓷青纸相关材料与工艺的文献记载甚少, 对其开展的科技研究工作鲜见, 对其材料组成及制作工艺缺乏系统认知, 难以对瓷青纸文物进行科学的保护、 修复、 复制等工作。 为进一步加深对瓷青纸的认识, 利用视频显微镜、 拉曼光谱仪、 扫描电镜-能谱仪、 赫氏染色法纤维分析等技术对一件明代瓷青纸文物样品进行制作材料及工艺分析。 研究结果表明: 通过拉曼光谱分析, 对比该瓷青纸文物样品纸张染料跟靛蓝的拉曼峰位, 两者的峰位较为匹配, 而在1 570~1 701 cm-1范围内为CC键和CO键和N—H键共轭体系的伸缩振动, 是靛系染料分子特有的特征吸收峰, 而样品纸张染料在1 570 cm-1出现的强拉曼峰符合靛蓝的拉曼光谱特征, 因此可以确定为靛蓝, 这也与中国历史悠久的种植蓝草、 提取靛蓝作为染料的情况相一致; 通过扫描电镜-能谱分析, 纸张主要元素如S、 Ca、 Al、 Si、 Mg应来源于填料或涂料, 纸张经过了加填以及涂布处理以达到改善纸张不透明度、 透气度、 光泽度的目的, 同时也排除了样品蓝色染料为蓝铜矿、 青金石以及天然群青等蓝色矿物颜料的可能性; 通过赫氏染色法纤维分析, 纸张样品纤维特征为纤维壁上有横节纹、 纤维外壁上有胶质膜、 纤维中有少量草酸钙晶体、 纤维上有较多的黄色无定形蜡状物, 表明纸张纤维与构皮、 桑皮等皮类纤维接近, 瓷青纸的基纸应属于皮纸, 皮纸纤维强度较高, 在染色过程中不易水解导致纸张破损。 该瓷青纸文物样品的制作材料与工艺可以概括为: 将靛蓝染料在经过加填以及涂布处理的皮纸上进行单面染色后上下叠合制成。 通过该研究能够加深对明代瓷青纸造纸材料与工艺的认识, 同时为瓷青纸文物的研究、 保护、 修复、 复制等提供依据。
瓷青纸 纸张材料 加工工艺 Porcelain green paper Paper raw materials Manufacture process 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1787
1 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
2 厦门大学深圳研究院，广东 深圳 518057
Overview: Driven by the rapid development of national optical projects such as laser nuclear fusion and aerospace telescopes, as well as high-end civilian fields such as advanced instruments and optical lenses, the requirements for full-frequency domain processing errors and surfaces of optical components are becoming more and more stringent. At this stage, the optical components generally need to go through rough grinding, fine grinding, polishing and coating, and other processes, and their surface quality mainly depends on the defect removal ability and error control level of the polishing process. Whether the fine grinding process can obtain better surface shape accuracy and low surface/subsurface damage suppression determines the processing efficiency, and the ultra-precision processing manufacturing equipment is the premise of the realization of ultra-precision machining of the optical components. So far, all countries in the world have invested in the research and development of optical ultra-precision grinding and polishing technology, and have developed more relatively mature high-precision grinding and polishing equipment, which can better meet the processing needs of most of the current optical components. For the core equipment and key technologies required for ultra-precision manufacturing, China has long relied on imports. In order to break through the bottleneck restricting the development of ultra-precision technology in China at this stage, under the traction and drive of the national large-scale engineering project, China has made remarkable progress in optical ultra-precision manufacturing equipment and technology. However, for the optical ultra-precision technology and equipment, there is still a certain gap between China and the international advanced level, and it is necessary to continue to strengthen the research. In addition to the high-end grinding and polishing equipment necessary for the ultra-precision machining of optical components, it is also necessary to strengthen the technical level of a series of key supporting units, such as ultra-precision grinding and polishing processing technology, high-end key functional components, intelligent monitoring technology of processing environment, efficient ultra-precision machining tools, processing and inspection path planning and compensation processing strategies, computer-aided manufacturing and testing software, etc. The research, development, and application of these technologies are related to the development of high-end manufacturing in the civilian fields and national defense fields, and are also the focus of the country. This paper mainly focuses on the ultra-precision machining of large-diameter optical aspherical components. Starting from the grinding and polishing process route, this paper introduces the long-term research progress of the Precision Engineering Laboratory of Xiamen University in the field of large-diameter optical aspherical component processing, and introduces in detail the technical and system achievements such as ultra-precision grinding and polishing equipment, robot-assisted grinding and polishing, equipment intelligent monitoring system, processing technology and control software.
超精密加工 磨抛装备 加工工艺 CAM软件 ultra-precision machining grinding and polishing equipment processing technology CAM software
黑龙江科技大学机械工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022
进行了1 kW光纤激光切割碳纤维复合材料的工艺试验，采用单因素法研究了激光功率、切割速度、辅助气体压力对切缝宽度、切口锥度以及热影响区的影响规律。利用正交试验确定了对切缝宽度与热影响区宽度产生影响的因素的主次关系。结果表明，切缝宽度、切口锥度和热影响区宽度均随激光功率的增加而变大；随切割速度的增加，切缝宽度、热影响区宽度均变小，切口锥度先变大后变小；随辅助气体压力的增加，切缝宽度、切口锥度均变大，热影响区宽度变小。当激光功率为100 W，切割速度为1 m/min，辅助气体压力为0.5 MPa时，切割效果较好，切割效率较高。
光纤激光切割 热影响区 加工工艺 fiber-laser cutting CFRP CFRP heat-affected zone processing technology
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 河南省文物考古研究院, 河南 郑州 450000
古代玉器不仅是装饰品, 其中还蕴藏着丰富的文化内涵。 为探究春秋时期河南地区出土玉器在矿物属性、 制作工艺、 器物功能等之间存在的关系, 选取了河南固始侯古堆一号墓（M1）出土的10件玉器, 应用X射线荧光光谱（XRF）、 共焦显微激光拉曼光谱（LRS）、 超景深光学显微系统等光学无损分析技术, 结合扫描电子显微镜（SEM）和硅胶覆膜技术对其进行了综合性分析。 首先通过光谱信息获知样品的化学成分和物相结构, 对样品进行了基本的矿物学表征, 明确其矿物种类; 再利用超景深光学显微镜对样品进行观察, 利用硅胶覆膜技术复刻出样品中典型的钻孔痕、 切割痕和阴刻痕, 并进行二次观察和测量, 综合判断出其加工工艺, 并统计了刻痕深度、 切口角度、 浅浮雕高度等相关数据。 结果表明: 此玉器的矿物种类包括透闪石和云母两种, 透闪石质的样品多为礼器, 云母质的样品为葬玉。 从阴刻工艺、 钻孔工艺、 切割及打磨工艺和其他特殊工艺这四方面对加工工艺进行了分析, 阴刻加工工具分为手持硬质工具和砣具两种, 此批样品中以砣具为主; 总结了两种不同加工工具雕刻产生的阴线在表面痕迹、 切口角度和刻痕深度中的规律性变化; 钻孔方式均为双面对钻, 钻孔工具均为实心钻具, 部分样品钻孔时添加了解玉砂; 多数样品经过了打磨抛光, 对其中一件未完全加工完成的样品开片痕迹进行了分析, 判断所用开片工具为硬质片状工具。 另外对其他特殊加工工艺进行探讨, 讨论了两种浅浮雕工艺的差异, 以及实心钻定位技术在掏膛工艺中的应用。 上述结果说明古代玉器制作工艺的选择受玉料矿物属性和玉器器型功能的影响, 并结合已有研究结果, 探讨了春秋末年中原地区治玉过程中玉料的来源、 墓主生活年代及片切割工具的变革等问题。
古代玉器 加工工艺 拉曼光谱 无损分析 硅胶覆膜 Ancient jade Processing technology Raman spectroscopy Non-destructive analysis Silicone resin molding 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1306
1 大连理工大学机械工程学院, 辽宁 大连 116024
2 微刻(北京)科技有限公司, 北京 100089
通过运用激光加工的方法在三维半球壳表面加工孔径十字环形频率选择单元, 探讨激光加工相比其他加工手段的优势和不同激光加工工艺参数对十字环形频率选择单元加工质量的影响。对球形曲面频率选择单元加工工艺方法进行分析, 介绍激光加工中出现的加工缺陷, 并根据缺陷的特点提出参数化表征量; 对实验件进行单因素参数试验, 分析标刻单元加工质量变化规律并找到合理参数范围; 最后, 根据合理参数范围做参数化试验, 探讨加工质量的改进效果。实验结果表明: 振镜式激光加工速度相较于普通数控加工系统提高了15倍左右, 加工缺陷占比可控制在5%以内。
十字环形频率选择单元 加工工艺 激光标刻 加工参数 cross-loop slot frequency selection element processing technic laser marking processing parameter 太赫兹科学与电子信息学报
2019, 17(4): 647
1 中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室, 山西 太原 030051
2 内蒙古工业大学 电力学院, 内蒙古 呼和浩特 010051
针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点, 提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构, 并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的动力学特性, 研究了陀螺的机电接口形式与硅基电极的设置方法, 建立了硅基电极的电学参数模型与陀螺的角速度敏感模型。基于深离子刻蚀技术设计了简单可行的传感器制备流程, 并成功制备了陀螺的敏感结构。实验测试结果显示, 该环形微机电振动陀螺驱动与检测模态的谐振频率分别为9 028.86 Hz与9 036.15 Hz, 品质因数分别为25 051与25 026, 标度因数为0.589 7 mV/((°)·s-1)。实验结果验证了陀螺设计与研究方法的正确性, 为高性能硅基微机电陀螺的研制提供了一种可行的方案。
微机电系统 环形微机电陀螺 敏感结构 电容电极 加工工艺 Micro-Electro-Mechanical System(MEMS) vibrating ring gyroscope sensitive structure capacitor electrode manufacturing process
建立了亚表面损伤深度与抛光参数的关系模型, 探究集群磁流变抛光后单晶蓝宝石亚表面损伤深度与集群磁流变抛光参数的关系, 研究了抛光参数对亚表面损伤深度的影响规律, 运用正交实验验证了模型的合理性.实验中使用白光干涉仪作为测量工具, α-Al2O3抛光液作为抛光液, 每个实验因素选择三个水平, 结果表明：集群磁流变抛光中, 单晶蓝宝石亚表面损伤深度与磨粒粒径和抛光压力有关, 亚表面损伤深度随着抛光压力和磨粒粒径的增大而增大, 抛光压力对亚表面损伤深度的影响远大于磨粒粒径.当抛光压力和磨粒粒径分别为25 kg和280 nm时, 经过100 min抛光, 亚表面损伤深度最小值达到0.9 nm.在集群磁流变抛光中抛光压力是影响亚表面损伤深度的主要因素, 当抛光压力为25 kg时, 集群磁流变抛光可快速去除亚表面损伤.
特种加工工艺 损伤 正交实验 蓝宝石 抛光 压力 磨粒 Special processing technology Defects Orthogonal experiment Sapphire Polishing pressure Abrasives
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
为探明广西合浦九只岭汉墓出土的一批紫色珠饰的材质、 制作工艺和可能的原料来源, 应用X射线荧光光谱、 激光拉曼光谱和以及超景深三维显微系统三种分析技术科学分析了其中8枚珠饰。 根据X射线荧光光谱和激光拉曼光谱分析结果, 从矿物学特征上讲, 这些珠饰是由石榴子石族矿物中的铝系石榴石加工而成, 除一件样品属于铁铝-镁铝榴石型外, 其矿物成分体系具有较高一致性, 其他样品均属于富铁铝榴石型石榴子石。 结合超景深数码显微系统所获取的样品加工痕迹信息以及近年考古学和科技研究成果, 探讨了这批石榴子石的加工工艺和可能的来源。 判断这批珠饰采用了旋磨工艺和皮囊球磨工艺两种打磨工艺, 采用双钻石钻具对钻的钻孔工艺。 这批铁铝榴石宝石珠饰应是由南亚或南亚经东南亚通过海上丝绸之路输入到合浦的, 是汉代海上丝绸之路贸易的重要物证, 对研究海上丝绸之路的历史和文化交流等具有重要的意义。
激光拉曼光谱 微痕分析 石榴子石珠饰 加工工艺 Raman spectroscopy Micro-mark analysis Garnet beadornaments Making techniques
1 上海应用技术大学 理学院, 上海 201418
2 立命馆大学 微系统系, 京都 525-8577日本
利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应, 设计并制备了膜片式压电微泵。 通过将电能转换为机械能, 实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成; 微驱动器主要为液体流动提供驱动力, 单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析, 确定了微驱动器的设计尺寸, 并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后, 设计了驱动测试实验, 检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明: 所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70 kHz, 能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30 Vp-p、频率为600 Hz时, 液体的驱动流速约为65 μL/min。该微泵具有体积小, 线性度好等特点。
微流控分析系统 膜片式压电微泵 锆钛酸铅(PZT) 单向微阀 逆压电效应 驱动仿真 微加工工艺 microfluidic analysis system diaphragm piezoelectric micro pump Pb based Lanthanum doped Zirconate Titanate(PZT) micro check valve inverse piezoelectric effect driving simulation micro fabrication
