引用論文

Geng, Y., Zhu, W., Zhang, X. et al. Understanding the Machining Process of Hierarchical Micro/Nanograting Structures Used for Optical Variable Device. Chin. J. Mech. Eng. 38, 16 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01177-y

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研究背景及目的

信息化、智能化進程加快的今天，對光學特性進行自由調控是學者們的關注焦點所在，其中可見光波段的顏色歷來被學者們所重視。色彩是人眼的一項生理感受，是光在視覺中一種特殊性質，根據顯示原理可將顏色分為兩類：一類是通過色素產生的化學色，另一類是通過光與微結構相互作用而產生的結構色。與分子對光的選擇性而產生的化學色所不同的是，結構色作為由入射光和微納結構之間的相互作用產生的物理顏色，具有長期穩定性、飽和度高和環境友好的特點，因而倍受青睞。結構色不僅在防偽、裝飾領域應用前景廣泛，而且在太陽能吸收、信息存儲、可調色彩器件、非接觸式人機交互、傳感器及VR顯示等領域也有很大的潛力。結構色在持久性和環保性上具備天然優勢且其色彩具有方向性，顏色會隨著觀測角度的變化而變化。此外，在材料表面引入特定的微納結構形成跨尺度表面從而可以改變表面特性，如反射率、吸收率等。結構色的生成離不開周期性微納結構的加工制備，因此開展具有結構色效應的周期性微納結構高效率高精度加工具有重要的理論意義和實用價值。

02

試驗方法

在本研究中首先建立了數學模型，分析刀具與工件運動的耦合方式及其產生的軌跡以及光柵形成機理。采用有限元模型對基于刀具軌跡的加工過程進行仿真，分析刀具軌跡、刀具方向以及加工參數等對切削力和光柵形貌的影響，從切削力、微納光柵的形成及加工過程中極限應力的變化等方面分析了不同工藝條件下微納米復合光柵的形成機理，為工藝參數的優化提供指導。在實驗研究中，選擇三棱錐金剛石壓頭作為加工刀具，樣品選擇為2A12鋁合金。通過控制帶動刀具旋轉運動的二維壓電陶瓷振動軌跡及方向改變刀具振動軌跡。采用該方法在樣品表面加工光學可變的圖案，并通過平行列單元交叉編碼方法加工復合圖案。

Figure 1 Schematic diagram of the FEM model and its boundary conditions

Figure 2 Schematic diagrams for (a) edge-forward machining, (b) face-forward machining, (c) full spiral trajectory, and (d) half spiral trajectory of the tool

Figure 3 Machining strategy for optical variable device

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結果

全螺旋軌跡加工樣品表面上更早地產生材料堆積，單次循環中全螺旋軌跡的極限應力變化時間早于半螺旋軌跡。此外，半螺旋軌跡的極限應力值高于全螺旋軌跡的極限應力值。與順銑相比逆銑的刀具后方的材料堆積較少，導致光柵的結構特征不明顯。順銑和逆銑的堆積形成機理不同，逆銑時刀具通過振動速度的反向點而不會在刀具后方產生材料堆積。由于刀具的水平位移在成形表面上存在傾斜向下的擠壓，導致刀具后方的輕微材料堆積。對于刃向前和面向前加工主要區別在于是否產生切屑，刃向前加工過程類似于斜角切削，材料主要堆積在微槽的側面；面向前加工過程類似于負前角切削，在刀具前方形成大量材料堆積。關于刀刃半徑對加工的影響，對比0nm，100nm、200nm、300nm的刀刃半徑加工結果可知，刀刃半徑越大刀具等效后刀面上的材料堆積越少。刀刃半徑越小納米光柵的頂部越圓。通過振動速度的反向點后的刃口半徑越大對納米光柵的二次擠壓作用越強，從而使納米光柵的斜率越大且高度越小。

Figure 4 Material pile-up on the microgroove edge machined by (a) edge-forward and (b) face-forward, forming difference of nanogratings between (c) edge-forward machining and (d) face-forward machining, (e) Comparison of cutting force components between edge-forward and face-forward machining, (f) Comparison of the maximum-Mises between edge-forward and face-forward machining

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結論

（1）兩種螺旋軌跡在振動速度反轉點之前都存在犁耕下壓作用。但不同的是半螺旋軌跡在刀具通過振動速度反向點后不會擠壓形成的納米光柵，從而形成高納米光柵。

（2）順銑加工在切削力、納米光柵高度、應力變化等方面均優于逆銑加工。

（3）刃向前與面向前加工的主要區別在于產生的切屑，刃向前時材料主要積聚在微槽的邊緣處，面向前在刀具前方形成大量堆積并形成切屑。此外面向前應力極值波動大于刃向前加工。

（4）刀具的切削刃半徑越大使光柵斜度越大且高度更小，刀后材料堆積隨刃口半徑增大而減小，但刃口半徑改變不影響加工過程中應力極值的變化。

05

前景與應用

該項工作為光學可變器件的加工提供了一種簡單、低成本的機械加工方法，預期在防偽、可調色彩器件和傳感器等領域具有較好的應用潛力。

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關于作者

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作者團隊介紹

閆永達（團隊帶頭人），教授、博士生導師，超精密加工技術領域專家，主要從事微納米加工及檢測技術等方向研究。哈爾濱工業大學微系統與微結構制造教育部重點實驗室副主任，主持國家自然科學優秀青年基金、重點項目、重大儀器專項、國家重點研發計劃子課題等項目10余項。入選國家高層次人才計劃、“科技部中青年創新領軍人才（創新人才推進計劃）”、教育部新世紀人才支持計劃、全國百篇優秀博士學位論文。發表論文100余篇，申請國家發明專利16項，獲省部級獎勵5項。

耿延泉（第一作者），工學博士，哈爾濱工業大學機電工程學院長聘教授、博士生導師、國家自然科學基金優秀青年科學基金獲得者、入選中國科協“青年人才托舉工程”、哈爾濱工業大學青年科學家實驗室負責人。主要從事微納米加工及檢測、智能微納傳感器制備方面的應用基礎研究工作。主持國家自然科學基金、黑龍江省頭雁自主課題等科研項目20余項。發表SCI論文100余篇，授權國家發明專利10余項，榮獲教育部自然科學二等獎。

王繼強（通訊作者），哈爾濱工業大學副研究員，研究方向為基于探針的納米銑削加工技術及應用，主持國家自然科學基金青年基金、國家資助博士后研究人員計劃B類、中國博士后科學基金面上項目等，以第一作者發表SCI論文20余篇，授權國家發明專利2項。

薛勃（共同通訊作者），東北林業大學機電工程學院副教授、博士生導師，研究方向微納米加工及檢測，主要為基于壓電驅動納米刀具軌跡運動加工微納結構的工藝研究，以及表面微納結構的衍射特性研究。主持國家自然科學基金青年基金項目、中國博士后科學基金面上項目，發表論文20余篇，授權發明專利6項。

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團隊研究方向

(1) 基于原子力顯微鏡（AFM）的納米機械加工技術

主要開展基于AFM探針在多種材料表面上進行納米機械刻劃技術研究，包含一維、二維以及準三維納米結構的加工，通過理論建模及工藝優化可以實現100nm以下納米結構尺寸的精確控制。

(2) 采用AFM納米機械加工技術制備納米傳感器件

采用AFM納米機械加工技術制備納米通道及準三維納米結構，實現納流控芯片及拉曼增強基底的制備，實現蛋白質分子的特異性檢測。

(3) 采用納米切片技術制備毫米級長度納米線

利用金剛石切片刀（直線刃刀具）對樹脂材料包裹的納米薄膜材料進行納米薄片切削，制備毫米長度的納米線，有望應用在化學、生物傳感器的制備。

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近年團隊代表性文章

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[5] CHANG S, YAN Y, GENG Y. Local Nanostrain Engineering of Monolayer MoS2 Using Atomic Force Microscopy-Based Thermomechanical Nanoindentation. Nano Letters, 2023, 23(20): 9219-9226.

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作 者：耿延泉

責任編輯：謝雅潔

責任校對： 向映姣

審 核：張 強

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