1 作 者
吴浩翔，黄虎，张志宇，闫纪旺
2 机 构
吉林大学，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，庆应义塾大学
3 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. 7 035102.
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https://doi.org/10.1088/2631-7990/adadca
1. 文章导读
微/纳米分层结构可赋予材料表面结构色、超疏水、自清洁、抗菌、减阻等多种功能，在光学、热学、生物医学等领域获得广泛关注。然而，微/纳米分层结构的多层和多尺度特性增加了其高精度可控制造难度，限制了其应用。
近期，吉林大学黄虎教授、吴浩翔博士生联合中国科学院长光所张志宇研究员和日本庆应义塾大学闫纪旺教授，提出了一种力控微幅振动辅助刻划加工新方法，实现了微沟槽和纳米波纹分层结构的一步刻划加工。相关研究工作，以“Micro-amplitude vibration-assisted scratching: a new method for one step and controllable fabrication of the microscale V-groove and nanoscale ripples”为题，发表在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊上。
2. 图文解析
研究提出了微幅振动辅助刻划（MAVAS）加工新方法，实现了微沟槽和纳米波纹分层结构的单步可控制造。由于MAVAS配备了力反馈控制系统，其具有较高的加工精度和较强的非平面自适应制造能力。MAVAS的加工原理和微/纳米分层结构的示意图如图1所示。
图1 MAVAS方法的加工原理。（a）利用V形工具刻划形成微沟槽的示意图；（b）MAVAS方法实现单步制造微沟槽和纳米波纹的示意图；（c）纳米波纹的形成机理示意图：工具相对于试样表面的前进过程（i）和回退过程（ii）；（d）平面和（e）曲面上微/纳米分层结构的示意图。
基于有限元仿真分析，探究了MAVAS过程中材料的应力状态、变形过程和工具的运动轨迹，如图2所示。结果显示，微沟槽是由于工具对试样表面的耕犁作用而形成的，纳米波纹则是由于工具对微沟槽表面材料的挤压作用而形成的。此外，有限元仿真结果还表明MAVAS方法具有z轴方向轨迹自适应的能力，这保证了其加工结构的一致性。
图2 有限元仿真得到MAVAS过程中试样的应力状态和工具的运动轨迹。（a）MAVAS过程中试样在六个关键位置的米塞斯应力状态；（b）MAVAS过程中工具的运动轨迹：（i）x轴运动轨迹，（ii）z轴运动轨迹，（iii）x-o-z平面上的运动轨迹；（c）加工后试样的残余应力。
为了验证MAVAS方法的可行性并证明其不依赖于高端加工装备，作者在自主研发的微纳划痕测试仪上开展了微/纳米分层结构的加工，如图3所示。此外，通过大量试验，建立了结构尺寸与工艺参数之间的关联关系。
图3 MAVAS 工艺中使用的微纳划痕测试仪。（a）仪器照片，（b）x轴电动平台和振动平台的运动及其协同运动。
最后，表征了制备的微/纳米分层结构的衍射效应，如图4所示。此外，利用MAVAS方法，成功在曲面上加工了微/纳米分层结构，并获得了衍射图案，如图5所示。
图4 制备的微/纳米分层结构的衍射效应。（a）表征衍射效应的试验平台示意图。（b）微/纳米分层结构的衍射光谱：（i）可见光光谱，（ii）制备的微/纳米分层结构的衍射图案，（iii）制备的无纳米级波纹微沟槽的衍射图案。（c）加工的汉字“求实创新”在不同入射角α下的衍射图案：（i）30°、（ii）45°和（iii）60°。（d）微/纳米分层结构加工前后工具的三维形貌。
图5 使用MAVAS方法在曲面上加工的微/纳米分层结构。（a）在曲面上加工的微/纳米分层结构的三维形貌。（b）和（c）为图（a）中标记区域的放大图。（d）微/纳米分层结构在曲面上的衍射图案。
3. 总结与展望
本研究为微沟槽和纳米波纹分层结构的单步可控制备提供了一种新方法。未来将针对该方法的加工效率、曲面自适应性以及制备的微/纳米分层结构的功能特性开展进一步探索。
4. 作者简介
黄虎
吉林大学
黄虎，吉林大学教授，博士生导师，数控装备可靠性教育部重点实验室副主任，曾兼任日本庆应义塾大学客座教授。主要从事材料微观力学性能测试技术与仪器、材料微观变形损伤机制以及表面改性与功能化等方面的多学科交叉研究。
以第一/通讯作者身份在International Journal of Extreme Manufacturing, Laser & Photonics Reviews, Small, IEEE TIE/TII/TIM, Mechanical Systems and Signal Processing等期刊发表SCI论文144篇(1篇Editor's Pick，2篇Research Highlight，2篇被英国皇家物理学会出版社遴选为IOPselect，3篇ESI高被引，1篇英国皇家物理学会出版社China Top Cited Paper Award 2023，2篇Featured文章)；授权发明专利45项；研制的压痕、划痕测试仪器在北京大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、南华大学等单位得到定制采用，1件压痕发明专利实现转化。获教育部和吉林省技术发明一等奖3项（排名3, 3, 4），获第五届中国机械工程学会上银优秀机械博士论文铜奖、日本学术振兴会(JSPS)外国人特别研究员奖等奖励；主持完成的自然科学基金项目获评“机械工程学科优秀结题项目”；2022-2024连续三年入选美国斯坦福大学和爱思唯尔数据库联合发布的《全球前2％顶尖科学家榜单》。目前，担任IEEE TIE期刊Associate Editor、《中国表面工程》编委、IJEM和《中国机械工程》青年编委。
关于期刊
International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。
期刊网址：
https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990
期刊投稿：
https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep
作者福利：
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