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超快激光加工硬脆材料中的裂纹行为及梯度功率加工策略

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中国激光 2025年

作者：聂烨辉张博武张朋辉黄志楷赵宽阿占文青海大学机械工程学院清华大学机械工程系

玻璃等硬脆材料上的微结构应用广泛，然而利用超快激光在硬脆材料上实现高质量微结构加工仍然面临质量和效率不能兼顾的问题。本文研究了利用900飞秒激光在石英玻璃上加工微孔阵列时裂纹产生及扩展机制，并通过激光功率的梯度动态调控... 详细信息

玻璃等硬脆材料上的微结构应用广泛，然而利用超快激光在硬脆材料上实现高质量微结构加工仍然面临质量和效率不能兼顾的问题。本文研究了利用900飞秒激光在石英玻璃上加工微孔阵列时裂纹产生及扩展机制，并通过激光功率的梯度动态调控，实现了对裂纹产生及扩展的有效控制。研究结果表明，加工过程中裂纹形成和扩展可分为四个阶段：第一阶段孔底熔融物凝固引起微裂纹产生，第二阶段孔底裂纹通过孔壁向外扩展，第三阶段向外扩展的裂纹在孔周形成环形裂纹，第四阶段孔阵列中多个环形裂纹连接形成裂纹网络导致孔阵列加工失效。虽然降低激光功率可抑制裂纹的形成，但是加工效率也随之降低。通过“先低功率后高功率”的梯度功率加工策略可在保证加工效率的同时抑制裂纹的扩展。微孔阵列加工过程中温度的原位测量结果表明：激光吸收率的提高可使最大温度差下降45%；与恒定功率加工相比，梯度功率加工时工件的最大温度差下降了31%、峰值功率最大温度差下降了44%。此外，梯度功率加工抑制裂纹的机制是低功率加工增加表面粗糙度以提高激光吸收率，减少内部热应力，并使孔深发展至一定程度，再切换到高功率加工时可阻止孔底裂纹通过孔壁向外扩展。本文所提出的梯度功率加工策略可广泛适用于硬脆材料上微结构的激光加工。

关键词：超快激光梯度功率硬脆材料裂纹

仿贝壳ZrB2/Al-Cu层状复合材料的组织与力学性能

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中国有色金属学报 2025年

作者：班生涛成桃李杰宇朱劲松肖华强林波贵州大学机械工程学院新加坡国立大学机械工程系

采用冷冻铸造和压力浸渗工艺制备了仿贝壳ZrB2/Al-Cu层状复合材料，研究了复合材料的微观组织、力学性能和断裂机理。实验结果表明：随ZrB2体积分数的增加，准静态的抗压强度与抗弯强度增大，但裂纹萌生韧性(KIC)和裂纹扩展韧性(KJC)降... 详细信息

采用冷冻铸造和压力浸渗工艺制备了仿贝壳ZrB2/Al-Cu层状复合材料，研究了复合材料的微观组织、力学性能和断裂机理。实验结果表明：随ZrB2体积分数的增加，准静态的抗压强度与抗弯强度增大，但裂纹萌生韧性(KIC)和裂纹扩展韧性(KJC)降低。30vol%ZrB2/Al-Cu复合材料的抗压强度和抗弯强度分别为524MPa、499MPa ，均高于20vol%（494MPa、 417MPa），但其KIC和KJC(11.0 MPa·m1/2、 16.1 MPa·m1/2)均低于20vol%(12.9 MPa·m1/2、 23.9 MPa·m1/2)；在应变率为500s-1的动态压缩下，30vol%ZrB2/Al-Cu复合材料的最大抗压强度为432MPa 高于20vol%的408MPa。所得复合材料的强度和韧性均高于大多数仿贝壳陶瓷/Al复合材料，这主要归因于ZrB2与Al界面结合良好以及裂纹的偏转和钝化、金属层的撕裂和金属-陶瓷层协同塑性变形等增韧机制。

关键词：冷冻铸造压力浸渗仿贝壳ZrB /Al-Cu层状复合材料断裂行为动态加载

考虑不确定参数的含间隙柔性机械臂非概率可靠性分析

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力学学报 2025年第1期57卷 224-236页

作者：白争锋牛余新崔乐文赵继俊哈尔滨工业大学航天工程系哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(威海)机械工程系山东威海264209

由于加工制造精度以及空间环境等的影响,空间机械臂的几何参数、材料参数等特征参数的不确定性会降低机械臂系统的运动精度及可靠性.为了研究不确定参数和关节间隙对机械臂动态响应的影响,解决由于空间机械臂实验样本数据不足难以获得... 详细信息

由于加工制造精度以及空间环境等的影响,空间机械臂的几何参数、材料参数等特征参数的不确定性会降低机械臂系统的运动精度及可靠性.为了研究不确定参数和关节间隙对机械臂动态响应的影响,解决由于空间机械臂实验样本数据不足难以获得精准的概率可靠性的问题.本文建立了含关节间隙和不确定参数的柔性机械臂的动力学模型和非概率可靠性计算方法,首先通过碰撞力模型和状态函数建立关节间隙数学模型,采用假设模态法描述柔性机械臂的变形,并利用Lagrange法建立含关节间隙柔性机械臂确定性动力学模型.在此基础上,考虑系统参数不确定性,将系统的不确定参数描述为区间变量,建立机械臂的不确定性动力学方程,并利用基于Chebyshev多项式的区间算法求解含区间变量的机械臂的动力学方程.针对空间机械臂的运动可靠性问题,构建了极限状态函数,并分别建立了4种非概率可靠性指标.最后,基于提出的不确定性动力学模型和4种非概率可靠性计算方法进行仿真分析,数值仿真结果验证了所提出的动力学模型和非概率可靠性计算方法的有效性,且可能性法相比Monte Carlo方法的计算效率更高,实现了柔性机械臂的动力学响应预示与非概率可靠性分析.

关键词：机械臂关节间隙不确定性 Chebyshev 多项式非概率可靠性

纳米TiB_(2)对CoCrFeNiSi高熵合金涂层耐磨与耐蚀性能的影响

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材料导报 2025年第3期39卷 187-195页

作者：张泽疆李新梅朱春金李航杨定力新疆大学机械工程学院乌鲁木齐830000

本工作在40Cr表面激光熔覆CoCrFeNiSi-xTiB_(2)(x=2.5%,5.0%,7.5%,10.0%,质量分数)高熵合金(High-entropy alloy,HEA)复合涂层,对涂层的物相、显微组织、硬度、摩擦磨损和电化学腐蚀性能进行分析,探讨纳米TiB_(2)陶瓷颗粒对HEA涂层的影... 详细信息

本工作在40Cr表面激光熔覆CoCrFeNiSi-xTiB_(2)(x=2.5%,5.0%,7.5%,10.0%,质量分数)高熵合金(High-entropy alloy,HEA)复合涂层,对涂层的物相、显微组织、硬度、摩擦磨损和电化学腐蚀性能进行分析,探讨纳米TiB_(2)陶瓷颗粒对HEA涂层的影响。结果表明,x=2.5%,5.0%,7.5%时涂层物相由双相FCC和BCC组成;x=10.0%时在两相的基础上生成硼化物CrB,涂层显微组织由等轴晶转变为典型的柱状树枝晶。涂层的显微硬度随纳米TiB_(2)颗粒的增多而提高,x=10.0%时涂层平均硬度达到最高,为HV547.11,约为基体的2.72倍,其硬度提升的主要原因是固溶强化和弥散强化。随TiB_(2)含量的增加,复合涂层的磨损量明显减少,x=10.0%时磨损失重量仅为0.13 mg。总体来看,TiB_(2)含量的增加使复合涂层的主要磨损机制从严重磨粒磨损、氧化磨损转变成轻微磨粒磨损、氧化磨损,耐磨性能明显提高。在3.5%NaCl溶液中,x=7.5%时复合涂层的耐蚀性能最佳。

关键词：高熵合金(HEA) 激光熔覆纳米陶瓷耐磨性耐腐蚀性

热-结构耦合作用下压电式力传感器热应力分析

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西安交通大学学报 2025年第1期59卷 194-205页

作者：周远琴李映君李宏宇王桂从济南大学机械工程学院济南250022

针对极端环境下高温传感器的可靠性受限于热应力,导致传感器零漂和温漂甚至失效的问题,提出了一种基于热-结构耦合的高温压电式力传感器热应力计算方法及其有限元模型。基于平衡方程和热-弹性理论,建立了传感器热弹性力学物理方程,分析... 详细信息

针对极端环境下高温传感器的可靠性受限于热应力,导致传感器零漂和温漂甚至失效的问题,提出了一种基于热-结构耦合的高温压电式力传感器热应力计算方法及其有限元模型。基于平衡方程和热-弹性理论,建立了传感器热弹性力学物理方程,分析了封装材料和温度对压电式力传感器热应力的影响规律。通过分析高温环境下压电式力传感器的热应力分布,确定传感器应力集中位置。对传感器热应力进行溯源,得到封装材料和晶组材料的热膨胀系数不一致导致热失配应力产生。将随机振动功率谱密度转换为加速度时域信号,利用多物理场耦合方法,分析得到传感器的最大热应力为134.61 MPa,小于材料的屈服强度300 MPa,验证了传感器在高温、高压和随机振动综合环境下具有良好的可靠性。通过研究氧化铝和氧化锆绝缘层对传感器最大热应力的影响,研究结果表明,温度为420℃时氧化铝绝缘层传感器的最大热应力比无绝缘层传感器的最大热应力小9.18 MPa,比氧化锆绝缘层传感器最大热应力小79.31 MPa,该工作可为高温环境下减小传感器热应力措施提供一定的参考。

关键词：高温传感器热应力多物理场压电

7050铝合金阳极氧化后表面激光清洗参数优化

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表面技术 2025年第1期54卷 191-204页

作者：姜远茂王守仁王高琦肖振李沛凝张路雨济南大学机械工程学院济南250022

目的明确激光清洗7050铝合金阳极氧化膜的工艺参数。方法采用高斯脉冲光纤激光器对7050铝合金阳极氧化后表面进行激光清洗,通过改变激光功率以及扫描次数来探究去除阳极氧化膜的最佳参数,并对不同参数激光清洗后表面的各项性能进行研究... 详细信息

目的明确激光清洗7050铝合金阳极氧化膜的工艺参数。方法采用高斯脉冲光纤激光器对7050铝合金阳极氧化后表面进行激光清洗,通过改变激光功率以及扫描次数来探究去除阳极氧化膜的最佳参数,并对不同参数激光清洗后表面的各项性能进行研究,同时分析激光清洗铝合金阳极氧化膜的清洗阈值以及机理。结果经过合理激光参数清洗的样品,表面氧化膜被完全去除,对基体没有明显损伤。单次扫描最佳与2次扫描最佳的样品的显微硬度分别提升到182.86HV、187.36HV,相对于基体分别提升了7.9%、10.6%。单次扫描最佳与2次扫描最佳样品的自腐蚀电流密度量级相对于基体均从10^(–4)减小到10^(–5),两者差值仅有10^(–6)。单次扫描最佳与两次扫描最佳样品的磨痕深度相对于基体分别减少6.3、6.8μm,摩擦因数均小于0.3。激光清洗前后试样的磨损机制均是磨粒磨损、黏着磨损以及氧化磨损相互结合的混合磨损,区别可能在于三者所占比重以及发生的时间和位置不同。结论激光清洗7050铝合金阳极氧化膜的清洗阈值在150~180 W,最佳参数是170 W扫描2次。在合适的激光清洗参数下,材料的各项性能优于基体。高斯脉冲激光清洗7050铝合金阳极氧化膜的机理是以振动为主,烧蚀为辅。

关键词：激光清洗铝合金阳极氧化膜工艺参数优化性能研究机理分析

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基于激光视觉传感的多层多道自动化排道技术

清华大学学报(自然科学版) 2025年

作者：冯消冰郑军刘爱平北京博清科技有限公司清华大学机械工程系

该文通过研究大型结构件中厚板的自动化焊接,开发了基于激光视觉传感的多层多道自动化排道技术及其调整系统。在复杂的焊接工况下实现对焊缝的精确识别和特征提取,为机器人自动化跟踪控制提供基础,在保证焊接质量的前提下,分析了不同位... 详细信息

该文通过研究大型结构件中厚板的自动化焊接,开发了基于激光视觉传感的多层多道自动化排道技术及其调整系统。在复杂的焊接工况下实现对焊缝的精确识别和特征提取,为机器人自动化跟踪控制提供基础,在保证焊接质量的前提下,分析了不同位置和板厚的焊接工艺参数,建立试板类型、板厚、工艺参数和焊道熔敷量之间的关联,实现了对中厚板多层道数和熔敷量的规划。结合视觉传感识别焊缝信息,自动规划每一道焊接路径,确定每一位置每一时刻不同焊道的最佳位置、姿态和摆宽等信息。根据规划的每一道熔敷量自适应调整工艺参数,并根据视觉跟踪识别熔敷点位置信息调整焊枪的位置和姿态。充分考虑焊接变形、坡口变化及焊接过程的高低起伏影响,实时调整焊接排道信息及焊接参数等,实现大型结构件高效、稳定的焊接生产,提高生产效率和产品质量,推动制造业的智能化发展。

关键词：激光视觉多层多道路径规划排道调整

界面调控水下气泡捕获—输运—收集的研究和应用现状

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清华大学学报(自然科学版) 2025年第2期65卷 249-268页

作者：高翔李昊洋张福建宋云云张忠强丁建宁江苏大学机械工程学院扬州大学机械工程学院

水下甲烷及其他燃料气体的捕获、输运与收集在当前全球环境与能源危机中扮演着至关重要的角色。甲烷作为温室气体，使气候变暖的能力是二氧化碳的25倍，因此水下甲烷的泄露不仅加剧全球变暖，对地球健康构成严重威胁，也阻碍了中国“双... 详细信息

水下甲烷及其他燃料气体的捕获、输运与收集在当前全球环境与能源危机中扮演着至关重要的角色。甲烷作为温室气体，使气候变暖的能力是二氧化碳的25倍，因此水下甲烷的泄露不仅加剧全球变暖，对地球健康构成严重威胁，也阻碍了中国“双碳”目标的实现。水下燃料气体资源在近海区域广泛分布，通过有效的界面调控技术手段捕获、输运并收集水下甲烷气泡，既能缓解温室效应，助力气候改善，又能开发新型能源供给方案，为全球能源危机的解决提供新思路。该文分析了捕获、输运与收集气泡过程中存在的问题，从气泡捕获的基本原理与方法、气泡的输运方式、气泡一体化收集方法、气膜稳定性及流固界面减阻等方面进行了综述，总结了捕获、输运与收集气泡过程中存在的挑战，并给出合理建议。未来的技术突破将集中在设备小型化、集成化和智能化方面，可借助微流控技术、智能界面控制系统和新材料，实现更加高效的气泡捕获—输运—收集一体化操作。

关键词：界面调控气泡输运气泡收集气泡减阻

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基于载锰沸石分子筛的臭氧催化分解特性

工程科学学报 2025年第1期47卷 170-178页

作者：陈浩玥郭卓男刘应书杨雄裴有康李子宜北京科技大学能源与环境工程学院北京100083 香港中文大学(深圳)理工学院深圳518172 明尼苏达大学机械工程系明尼阿波利斯55455

臭氧作为重点防控的室内气态污染物广泛存在于人类生产、生活中,亟待开发高效的臭氧分解转化器从源头进行净化,催化剂是其核心关键.本文基于金属离子改性沸石分子筛进行臭氧催化性能研究,基于不同沸石拓扑结构、阳离子种类、改性手段及... 详细信息

臭氧作为重点防控的室内气态污染物广泛存在于人类生产、生活中,亟待开发高效的臭氧分解转化器从源头进行净化,催化剂是其核心关键.本文基于金属离子改性沸石分子筛进行臭氧催化性能研究,基于不同沸石拓扑结构、阳离子种类、改性手段及干燥方法,优选得到了采用等体积浸渍法和微波干燥法组合制备的载锰USY沸石Mn-USY-DT/WB,相较商用臭氧分解催化剂具有可逆再生的优势.通过系列表征,提出了可能的长效稳定催化臭氧的机制:单位时间内臭氧分子在沸石上的吸附与催化分解的相互协调,决定了沸石对臭氧的稳态催化分解,呈现宏观所得的脱除效率随时间变化曲线.通过XPS表征分析优选沸石升温可逆再生的潜在原因,再生后Mn-USY-DT/WB的平均化合态(Average oxidation state,AOS)由2.95降至2.81,经过加热处理后部分吸附在活性位点的中间氧物种脱附,氧空位释放,因此催化活性恢复.将优选沸石涂敷制得整体式蜂窝沸石催化剂,在实际应用条件(170℃、50000 h-1空速)下可维持99%臭氧分解效率1000 h以上.本工作为长效低阻臭氧分解催化剂的开发提供了新思路.

关键词：臭氧催化剂沸石分子筛整体式蜂窝催化剂再生