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作 者

吳浩翔，黃虎，張志宇，閆紀旺

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機 構

吉林大學，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，慶應義塾大學

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Citation

Wu H X, Huang H, Zhang Z Y, Yan J W. 2025. Micro-amplitude vibration-assisted scratching: a new method for one step and controllable fabrication of the microscale V-groove and nanoscale ripples. Int. J. Extrem. Manuf.7035102.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/adadca

撰稿 | 文章作者

1. 文章導讀

微/納米分層結構可賦予材料表面結構色、超疏水、自清潔、抗菌、減阻等多種功能，在光學、熱學、生物醫學等領域獲得廣泛關注。然而，微/納米分層結構的多層和多尺度特性增加了其高精度可控制造難度，限制了其應用。

近期，吉林大學黃虎教授、吳浩翔博士生聯合中科院長光所張志宇研究員和日本慶應義塾大學閆紀旺教授，提出了一種力控微幅振動輔助刻劃加工新方法，實現了微溝槽和納米波紋分層結構的一步刻劃加工。相關研究工作，以“Micro-amplitude vibration-assisted scratching: a new method for one step and controllable fabrication of the microscale V-groove and nanoscale ripples”為題，發表在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊上。

2. 圖文解析

研究提出了微幅振動輔助刻劃（MAVAS）加工新方法，實現了微溝槽和納米波紋分層結構的單步可控制造。由于MAVAS配備了力反饋控制系統，其具有較高的加工精度和較強的非平面自適應制造能力。MAVAS的加工原理和微/納米分層結構的示意圖如圖1所示。

圖1MAVAS方法的加工原理。（a）利用V形工具刻劃形成微溝槽的示意圖；（b）MAVAS方法實現單步制造微溝槽和納米波紋的示意圖；（c）納米波紋的形成機理示意圖：工具相對于試樣表面的前進過程（i）和回退過程（ii）；（d）平面和（e）曲面上微/納米分層結構的示意圖。

基于有限元仿真分析，探究了MAVAS過程中材料的應力狀態、變形過程和工具的運動軌跡，如圖2所示。結果顯示，微溝槽是由于工具對試樣表面的耕犁作用而形成的，納米波紋則是由于工具對微溝槽表面材料的擠壓作用而形成的。此外，有限元仿真結果還表明MAVAS方法具有z軸方向軌跡自適應的能力，這保證了其加工結構的一致性。

圖2有限元仿真得到MAVAS過程中試樣的應力狀態和工具的運動軌跡。（a）MAVAS過程中試樣在六個關鍵位置的米塞斯應力狀態；（b）MAVAS過程中工具的運動軌跡：（i）x軸運動軌跡，（ii）z軸運動軌跡，（iii）x-o-z平面上的運動軌跡；（c）加工后試樣的殘余應力。

為了驗證MAVAS方法的可行性并證明其不依賴于高端加工裝備，作者在自主研發的微納劃痕測試儀上開展了微/納米分層結構的加工，如圖3所示。此外，通過大量試驗，建立了結構尺寸與工藝參數之間的關聯關系。

圖3MAVAS 工藝中使用的微納劃痕測試儀。（a）儀器照片，（b）x軸電動平臺和振動平臺的運動及其協同運動。

最后，表征了制備的微/納米分層結構的衍射效應，如圖4所示。此外，利用MAVAS方法，成功在曲面上加工了微/納米分層結構，并獲得了衍射圖案，如圖5所示。

圖4制備的微/納米分層結構的衍射效應。（a）表征衍射效應的試驗平臺示意圖。（b）微/納米分層結構的衍射光譜：（i）可見光光譜，（ii）制備的微/納米分層結構的衍射圖案，（iii）制備的無納米級波紋微溝槽的衍射圖案。（c）加工的漢字“求實創新”在不同入射角α下的衍射圖案：（i）30°、（ii）45°和（iii）60°。（d）微/納米分層結構加工前后工具的三維形貌。

圖5使用MAVAS方法在曲面上加工的微/納米分層結構。（a）在曲面上加工的微/納米分層結構的三維形貌。（b）和（c）為圖（a）中標記區域的放大圖。（d）微/納米分層結構在曲面上的衍射圖案。

3. 總結與展望

本研究為微溝槽和納米波紋分層結構的單步可控制備提供了一種新方法。未來將針對該方法的加工效率、曲面自適應性以及制備的微/納米分層結構的功能特性開展進一步探索。

4. 作者簡介

黃虎

吉林大學

黃虎，吉林大學教授，博士生導師，數控裝備可靠性教育部重點實驗室副主任，曾兼任日本慶應義塾大學客座教授。主要從事材料微觀力學性能測試技術與儀器、材料微觀變形損傷機制以及表面改性與功能化等方面的多學科交叉研究。先后入選中國科協“青年人才托舉工程”項目、中組部海外高層次人才引進計劃青年項目和小米青年學者項目。

以第一/通訊作者身份在International Journal of Extreme Manufacturing, Laser & Photonics Reviews, Small, IEEE TIE/TII/TIM, Mechanical Systems and Signal Processing等期刊發表SCI論文144篇(1篇Editor's Pick，2篇Research Highlight，2篇被英國皇家物理學會出版社遴選為IOPselect，3篇ESI高被引，1篇英國皇家物理學會出版社China Top Cited Paper Award 2023，2篇Featured文章)；授權發明專利45項；研制的壓痕、劃痕測試儀器在北京大學、哈爾濱工業大學、大連理工大學、南華大學等單位得到定制采用，1件壓痕發明專利實現轉化。獲教育部和吉林省技術發明一等獎3項（排名3, 3, 4），獲第五屆中國機械工程學會上銀優秀機械博士論文銅獎、日本學術振興會(JSPS)外國人特別研究員獎等獎勵；主持完成的自然科學基金項目獲評“機械工程學科優秀結題項目”；2022-2024連續三年入選美國斯坦福大學和愛思唯爾數據庫聯合發布的《全球前2％頂尖科學家榜單》。目前，擔任IEEE TIE期刊Associate Editor、《中國表面工程》編委、IJEM和《中國機械工程》青年編委。

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

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撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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