一种表面二级结构制备方法

1.本发明涉及到表面热功能结构的制备领域，具体涉及一种表面二级结构制备方法。


背景技术：

2.表面热功能结构通常是指在材料表面制造出由微观结构、纳米结构、多孔结构、有序结构、层状结构等多种结构组合而成的一种特殊结构，使其在热传递、热阻抗、热辐射、热扩散等方面具有优异的性能。研究发现二级结构可以使通道类的表面热功能结构具有更强的换热性能。
3.然而二级结构的加工却是一个难题。目前可以使用机械加工、电化学等方法加工一级微凹坑、微沟槽、微凸起等结构形式，而二级微结构通常在一级微结构形成后，在此基础使用其他的加工方法进行复合加工得到。
4.由于二级微结构通常在一级微结构形成后制备，其过程复杂、成本大、周期长且不可避免的会对原有一级微结构表面质量产生一定的副作用。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出一种表面二级结构制备方法，其利用一种侧棱表面存在特殊阵列微织构的刻划刀具来制备二级结构，成型效率高，适合大面积刻划成形。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种表面二级结构制备方法，使用尖劈刻刀，该尖劈刻刀的侧棱表面带有阵列的侧棱微织构，使用尖劈刻刀进行刻划成形微沟槽，并在刻划的同时通过侧棱微织构对槽面材料的挤出塑性成形，制备出沟槽面上的二级结构。
8.作为优选的，所述尖劈刻刀的材料为硬质合金、陶瓷、金刚石、pcd、高速钢或蓝宝石。
9.作为优选的，所述侧棱微织构的制备方式包括激光加工、电火花线切割、超精密切削加工或电解加工加工方式。
10.作为优选的，使用尖劈刻刀进行刻划成形微沟槽时，尖劈刻刀保持固定的俯仰角。
11.作为优选的，所述侧棱微织构为沿尖劈刻刀的侧棱表面形成的延伸结构，在使用尖劈刻刀进行刻划成形微沟槽时，所述侧棱微织构的延伸方向与刻划方向相一致。
12.作为优选的，所述延伸结构的延伸方向与所述尖劈刻刀主体的延伸方向与俯仰角一致。
13.作为优选的，所述刀具的两个侧棱表面之间的夹角为刀尖角，且刀尖角满足公式
[0014][0015]
式中：β为刀具刀尖角a，θ为刀具后角，α为刻划时的俯仰角b，ρ为最终槽形角度。
[0016]
作为优选的，所述侧棱微织构的加工方法如下：将一定仰俯角下的刀具进给方向
作为z轴，调整尖劈刻刀角度，使主切削刃与z轴夹角为仰俯角时，平行于进给方向的加工设备通过x轴、y轴方向的伺服控制进行侧棱微织构切割加工。
[0017]
使用本发明的有益效果是：
[0018]
本发明表面二级结构制备方法中，尖劈刻刀刻划加工微沟槽过程的同时加工出沟槽表面二级微结构，使整个过程在刻划加工中一步完成，无需任何额外的加工流程，极大的提高了加工效率。具有一次成形、高效、低成本、高精度、适合大面积刻划成形的优点。
附图说明
[0019]
图1为本发明表面二级结构制备方法的示意图。
[0020]
图2为本发明表面二级结构制备方法使用的尖劈刻刀的刀尖角大小与刀具加工时的仰俯角及所成槽形角度关系的示意图。
[0021]
图3为本发明表面二级结构制备方法刻滑方向示意图。
[0022]
图4为本发明表面二级结构制备方法使用的加工平台示意图。
[0023]
图5为本发明表面二级结构制备方法使用的尖劈刻刀加工示意图。
[0024]
图6为本发明表面二级结构制备方法加工刀尖角60
°
的尖劈刻刀的示意图。
[0025]
图7为本发明表面二级结构制备方法尖劈刻刀刻滑效果图。
[0026]
附图标记包括：
[0027]
1-基板，2-尖劈刻刀，21-侧棱微织构，3-成型槽，31-微沟槽，4-位姿控制刀架，5-刀架固定板，6-给进平台，7-电极丝；
[0028]
a-刀尖角；b-俯仰角；c-后倒角。
具体实施方式
[0029]
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
[0030]
如图1所示，本发明提出一种表面二级结构制备方法，具体为使用尖劈刻刀2，该尖劈刻刀2的侧棱表面带有阵列的侧棱微织构21，使用尖劈刻刀2在基板1进行刻划成形微沟槽31，并在刻划的同时通过侧棱微织构21对槽面材料的挤出塑性成形，制备出微沟槽31面上的二级结构。
[0031]
作为优选的，尖劈刻刀2的材料为硬质合金、金刚石、pcd、高速钢或蓝宝石，尖劈刻刀2的材料包括但不限于上述材料。侧棱微织构21的制备方式包括激光加工、电火花线切割、超精密切削加工或电解加工加工方式，侧棱微织构21的制备方式包括但不限于上述方式。被加工材料采用塑性金属材料，包括换热领域广泛使用的铜、铝、合金等。
[0032]
如图2所示，本发明采用硬质合金、pcd等材料制备出尖劈刻刀2刀具所设计的刻划主体前后刀面。其刀尖角a大小与尖劈刻刀2加工时的俯仰角b及所制成的成型槽3角度相关。其中俯仰角b为尖劈刻刀2给进时主体延伸方向与水平方向的夹角，刀尖角a为尖劈刻刀2下部两个刀棱面之间的夹角，后倒角c如图所示。
[0033]
如图3所示，使用尖劈刻刀2进行刻划成形微沟槽31时，尖劈刻刀2保持固定的俯仰角b。侧棱微织构21为沿尖劈刻刀2的侧棱表面形成的延伸结构，在使用尖劈刻刀2进行刻划
成形微沟槽31时，侧棱微织构21的延伸方向与刻划方向相一致。延伸结构的延伸方向与尖劈刻刀2主体的延伸方向与俯仰角b一致。通过线切割，激光加工等方式制备出刀具前刀面上的阵列的侧棱微织构21，保持侧棱微织构21方向与刻划方向(给进方向)相一致。其侧棱微织构21数量、大小及间距等参数根据实际需要自行设定。
[0034]
如图4所示，采用刻划平台进行刻划加工成形，最终成形出材料表面带二级结构的微沟槽31。本实施了中刻划平台包括刀架固定板5，刀架固定板5的下方安装有位姿控制刀架4，位姿控制刀架4的作用是按照预定工艺调整尖劈刻刀2的位置和姿态，例如调整俯仰角b等。位姿控制刀架4的下方固定尖劈刻刀2，尖劈刻刀2的刃部朝向下方。在尖劈刻刀2的下方设置给进平台6，给进平台6具有夹具夹持待加工的基板1，给进平台6的作用是携带被夹持的基板1按照预定方向进行给进，通过尖劈刻刀2在基板1表面刻滑形成成型槽3，同时通过尖劈刻刀2棱面上的侧棱微织构21加工出微沟槽31。
[0035]
本实施例以最终槽形角度为60
°
的情况为例，不同俯仰角b时刀尖角a的计算公式如下所示。
[0036][0037]
式中：β为刀具刀尖角a，θ为刀具后角，α为刻划时的俯仰角b。
[0038]
如图6所示，本实施例中，选取电火花线切割加工为例制备刀具的侧棱微织构21，将一定俯仰角b下的刀具进给方向作为z轴，调整尖劈刻刀2角度，使主切削刃与z轴夹角为俯仰角b时，平行于进给方向的电极丝7能通过x轴、y轴方向的伺服控制进行微织构电火花线切割加工。如图5所示。以最终槽形角度为60
°
和俯仰角b为6
°
的情况为例，此时尖劈刻刀2沿进给方向的刀尖角a投影角度为60
°
。当投影形状确定时，可以以投影轮廓为基准来编写电火花线切割时的电极丝7运动轨迹。
[0039]
最终形成的二级结构如图7所示，最终所成形成型槽3的二级微结构效果与尖劈刻刀2的侧棱微织构21形貌具有直接关系，本实施例中以半圆形的侧棱微织构21为例。
[0040]
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

技术特征：
1.一种表面二级结构制备方法，其特征在于：使用尖劈刻刀，该尖劈刻刀的侧棱带有阵列的侧棱微织构，使用尖劈刻刀在基板表面进行刻划成形微沟槽，并在刻划的同时通过侧棱微织构对槽面材料的挤出塑性成形，制备出微沟槽面上的二级结构。2.根据权利要求1所述的表面二级结构制备方法，其特征在于：所述尖劈刻刀的材料为硬质合金、金刚石、pcd、高速钢或蓝宝石。3.根据权利要求1所述的表面二级结构制备方法，其特征在于：所述侧棱微织构的制备方式包括激光加工、电火花线切割、超精密切削加工或电解加工加工方式。4.根据权利要求1-3任一项所述的表面二级结构制备方法，其特征在于：使用尖劈刻刀进行刻划成形微沟槽时，尖劈刻刀保持固定的俯仰角。5.根据权利要求4所述的表面二级结构制备方法，其特征在于：所述侧棱微织构为沿尖劈刻刀的侧棱表面形成的延伸结构，在使用尖劈刻刀进行刻划成形微沟槽时，所述侧棱微织构的延伸方向与刻划方向相一致。6.根据权利要求5所述的表面二级结构制备方法，其特征在于：所述延伸结构的延伸方向与所述尖劈刻刀主体的延伸方向与俯仰角一致。7.根据权利要求5所述的表面二级结构制备方法，其特征在于：所述刀具的两个侧棱之间的夹角为刀尖角，且刀尖角满足公式式中：β为刀具刀尖角a，θ为刀具后角，α为刻划时的俯仰角b，ρ为最终槽形角度。8.根据权利要求5所述的表面二级结构制备方法，其特征在于：所述侧棱微织构的加工方法如下：将一定仰俯角下的刀具进给方向作为z轴，调整尖劈刻刀角度，使主切削刃与z轴夹角为仰俯角时，平行于进给方向的加工设备通过x轴、y轴方向的伺服控制进行侧棱微织构切割加工。

技术总结
本发明涉及到表面热功能结构的制备领域，一种表面二级结构制备方法，使用尖劈刻刀，该尖劈刻刀的侧棱表面带有阵列的侧棱微织构，使用尖劈刻刀在基板表面进行刻划成形微沟槽，并在刻划的同时通过侧棱微织构对槽面材料的挤出塑性成形，制备出微沟槽面上的二级结构。本发明表面二级结构制备方法中，尖劈刻刀刻划加工微沟槽过程的同时加工出沟槽表面二级微结构，使整个过程在刻划加工中一步完成，无需任何额外的加工流程，极大的提高了加工效率。具有一次成形、高效、低成本、高精度、适合大面积刻划成形的优点。刻划成形的优点。刻划成形的优点。


技术研发人员：石广丰 梅毅杰 史国权 孟巳崴 姚栋 李鹤 张景然 李俊烨 邹春阳
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/23