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通过纳秒脉冲激光进行功能表面微结构加工是近年来兴起的一种非传统加工方式,具有低成本、高效率的特点。然而纳秒脉冲激光具有明显的热扩散现象,形成的热影响区域极大地降低了加工质量,进而对微结构的功能性造成很大影响。因此,本文采用有限元仿真与实验验证手段研究了纳秒脉冲激光微加工机理与工艺,并据此制备了具有减摩擦特性的不锈钢表面织构与具有减反射特性的单晶硅表面织构:针对不锈钢和单晶硅两种材料建立纳秒脉冲激光微加工的高精度有限元仿真模型。该模型涉及温度分布和加工宽度的评估,包含以下方面:(1)传热模型由热传导、热对流和热辐射组成;(2)材料的热物理参数随温度变化;(3)考虑热蒸发诱导导致的即时材料去除;(4)脉冲激光具有高斯空间和时间能量分布。该模型为采用有限元研究纳秒脉冲激光加工机理奠定了技术基础。面向调控摩擦性能的微结构,开展不锈钢纳秒脉冲激光微加工的二维和三维仿真研究。在单脉冲激光加工二维仿真中,研究孔的烧蚀区域与热影响区域在一个脉冲周期内不同时刻的变化情况;研究不同能量密度条件下孔的烧蚀形貌、温度场分布和冷却速率。在多脉冲激光加工三维仿真中,研究多脉冲激光加工微沟槽形成机理,并与在相同激光参数条件下进行的纳秒脉冲激光微加工实验结果进行对比,验证有限元模型的正确性。采用纳秒脉冲激光对抛光的SUS420J2不锈钢试样进行表面微结构加工,制备出平行周期排列的微沟槽表面结构,并进行直线往复摩擦磨损实验来研究不锈钢表面织构在润滑油润滑条件下的摩擦学性能,得到具有减摩擦功能的不锈钢表面微结构。面向具有陷光功能的微结构,开展单晶硅纳秒脉冲激光微加工的二维与三维仿真研究。在单脉冲激光加工的二维仿真研究中,研究激光能量密度对孔烧蚀形貌的影响。在多脉冲激光加工的三维仿真研究中,研究激光能量密度和扫描速度对微沟槽烧蚀形貌的影响,并与在相同激光参数条件下进行的纳秒脉冲激光加工实验结果进行对比,验证有限元模型的正确性。采用纳秒脉冲激光加工平台对抛光的单晶硅试样进行表面微结构加工,制备出平行周期排列的高精度微沟槽表面结构,并利用分光分度计进行半球反射率测试实验,获得了单晶硅表面微结构在不同光波波长下的反射率,得到具有减反射功能的黑硅,并与前人通过皮秒与飞秒脉冲激光加工得到的单晶硅表面微结构的反射率进行对比。因此,本论文研究了不锈钢和单晶硅的纳秒脉冲激光微加工机理,并据此优化加工工艺参数来降低热影响区域、提高加工表面质量,从而制备出符合功能要求的不锈钢减摩擦表面微结构与单晶硅减反射表面微结构。本论文的研究成果对于提升功能表面微结构的纳秒脉冲激光加工技术水平具有重要的理论意义和实用价值。