(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510303226.3
(22)申请日 2015.06.05
14/632,864 2015.02.26 US
C21D 10/00(2006.01)
C25D 11/02(2006.01)
C23F 17/00(2006.01)
(71)申请人香港城市大学
地址中国香港九龙达之路83号
(72)发明人克里斯托弗·麦克·李 李扬扬
吕坚
(74)专利代理机构隆天知识产权代理有限公司
72003
代理人
张浴月 金鹏
(54)发明名称
法和系统
(57)摘要
其它精细和脆性材料的多种类型的材料的表面进
一个方案中，将材料的表面修改为改性表面并且
从初始状态修改为改性状态，其中改性状态包括
物理改性、化学改性或生物改性。在另一个方案
中，在定义持续时间将表面机械研磨处理(SMAT)
应用于该材料的改性表面，其中与SMAT 相关的条
件基于该材料的结构组分被调节。在又一个方案
中，基于SMAT 将定义应变施加至该材料的结构组
分上。本发明提供的系统和方法能够在精细材料
的表面上产生应变和缺陷并且改善这些材料的功
能。(30)优先权数据(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书3页 说明书9页 附图11页CN 106191421 A 2016.12.07
C N 106191421
A
1.一种方法，包括：
产生具有多孔纳米结构的材料的表面；
将表面机械研磨处理(SMAT)应用于所述材料的所述表面，其中所述SMAT包括：
在所述材料的所述表面与超声波变幅杆之间布置球，所述超声波变幅杆被连接至超声波换能器，所述超声波换能器被配置成将电信号转换成振荡波，其中所述超声波变幅杆被配置成发出所述振荡波；
通过所述超声波变幅杆发出表示频率水平的所述振荡波；
基于所述振荡波与所述球之间的接触诱发所述球的移动；以及
基于诱发的所述球的移动使所述球与所述材料的所述表面碰撞，其中所述碰撞将所述材料的所述表面更改为包括材料应变、所述表面的变形、贯穿所述材料的压缩应力或所述表面的压痕中的至少之一。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
调整与所述碰撞对应的冲击水平，其中所述冲击水平基于与诱发的移动相关的能量水平以及与所述碰撞相关的功率水平。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述超声波变幅杆被连接至超声波转换器，所述超声波转换器被配置为调节所述超声波变幅杆发出的所述振荡波的振幅。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述球基于所述接触以散布形式分散。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
修改所述超声波变幅杆的尺寸和形状。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
调节与所述球的移动相关的速度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述超声波变幅杆是钟形变幅杆、杆形变幅杆、悬链曲面切割变幅杆、复合超声波变幅杆、指数形变幅杆、插入式变幅杆、圆形超声波变幅杆、调整的螺栓型变幅杆。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述超声波变幅杆由钛、铝或钢中的至少之一形成。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述超声波变幅杆被涂布有镀铬、阳极化涂层或碳化物喷涂涂层中的至少之一。
10.根据权利要求1所述的方法，其中具有多孔纳米结构的所述材料的所述表面通过阳极化处理、电化学处理、自组装方法或气相沉积处理中的任何方法产生。
11.一种系统，包括：
阳极化组件，使电流通过材料的表面以使所述材料的所述表面阳极化； 加热组件，向所述材料的所述表面施加根据定义温度的热量；以及
腔室组件，包括材料容置部、容器部以及超声波振动发生器组件，
其中所述材料容置部被连接至所述腔室组件的顶棚并且所述材料容置部固定(hold)所述材料，
其中所述材料的所述表面面向所述腔室组件的底板，
其中所述容器部被连接至所述腔室组件的所述底板，
其中所述容器部包括一组球，
其中所述超声波振动发生器组件被连接至所述容器部，
其中所述超声波振动发生器组件包括将功率流转换成电信号的发电机组件，将所述电信号转换成振荡波的转换器组件以及发出与振动频率对应的所述振荡波的变幅杆组件，其中所述振荡波冲击所述组球，导致所述组球分散散布，并且
其中所述组球以定义速度与所述材料的所述表面碰撞。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述腔室组件是包括圆柱形、立方体形、圆锥体形、球形、金字塔形、长方体形、三棱柱形、六角柱形、半球形、十二面体形、不规则三维形状、平顶三维形状或其它预定的三维形状的腔室形状。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括：
修改组件，调节所述腔室形状的维度以实现所述定义速度。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述维度包括直径、长度、宽度、高度或体积。
15.根据权利要求11所述的系统，还包括：
控制器组件，分别将所述振动频率或所述功率流调整为相应的频率水平或功率水平。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述材料是薄膜。
17.根据权利要求11所述的系统，其中所述材料的所述表面是功能化表面或纳米结构化表面。
18.根据权利要求11所述的系统，其中所述组球包括金属、陶瓷、半导体或塑料中的至少一种材料。
19.根据权利要求11所述的系统，还包括：
大气组件，调节所述腔室组件的腔室内的大气条件，其中所述大气条件包括温度、压力、气候或大气化学成分中的至少之一。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述组球被涂布有不同于所述材料的涂布材料。
21.一种方法，包括：
将材料的表面修改为改性表面并且从初始状态修改为改性状态，其中所述改性状态包括物理改性、化学改性或生物改性；
在定义持续时间将表面机械研磨处理(SMAT)应用于所述材料的所述改性表面，其中与所述SMAT相关的条件基于所述材料的结构组成被调节；以及
基于所述SMAT将定义应变施加在所述材料的所述结构组成上。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述材料是包括配线、管材、编织物或球体中的至少之一的体材料。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述材料是催化材料、过滤材料、光伏材料、并入超级电容器的超级电容器材料、包括抗菌性质的抗菌材料或在水分解装置中采用的水分解材料。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括：
调节与所述定义持续时间对应的时间段产生所述材料的所述表面的相应水平的掺杂。
25.一种方法，包括：
使材料的表面层功能化，其中所述材料包括所述表面层和基板层；
将所述材料固定在包括容器的腔室中，所述容器包括一组球和能够发出超声波振动力
的超声波振动发生器；
将所述超声波振动力施加至所述组球；
将所述组球与所述材料的所述表面层碰撞；以及
基于所述碰撞在所述材料的所述表面层上产生缺陷以及基本上贯穿所述材料的结构应变。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述基板层包括Ti、TiO
2或Ti和TiO
2
的组合。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述结构应变包括晶格面，并且其中所述晶格面的尺寸范围是从亚微米水平至微米水平。
28.根据权利要求25所述的方法，还包括：
用第一材料涂布所述组球，其中所述组球基于所述组球与所述材料的所述表面层之间的碰撞将所述材料的所述表面层功能化。
29.一种设备，包括：
基板；
功能化表面层，通过阳极化所述基板上的表面层得到；以及
掺杂的功能化表面层，通过所述功能化表面层上的表面机械研磨处理(SMAT)得到，其中所述SMAT被配置为在所述功能化表面层上产生预定的应变缺陷。
30.根据权利要求29所述的设备，其中所述预定应变缺陷是修改与所述SMAT相关的参数得到的纳米级晶格应变。
31.根据权利要求30所述的设备，其中所述参数是球与所述功能化表面层冲击的速度、超声波变幅杆设计、施加至超声波变幅杆的功率水平、腔室尺寸或腔室内部的大气条件。
修改纳米结构的表面机械研磨处理(SMAT)方法和系统
技术领域
[0001] 本公开文本通常涉及用于在一系列材料的表面诱发应变的表面机械研磨处理(SMAT)方法。
背景技术
[0002] 近来，材料科学学科在材料表面工程领域已经展示出了一系列进展。其中一项进展涉及被称为表面机械研磨处理(SMAT)的机理。SMAT通过使多个球与材料的表面碰撞来实现，导致表面缺陷和材料应变的产生。虽然现有SMAT方法能够实现材料缺陷，此类缺陷使材料的表面以及较深的次表面材料层的变形。然而，现有SMAT方法不能在精细(delicate)材料的表面上诱发应变。
[0003] 遗憾的是，现有SMAT和掺杂方法(诸如高能量SMAT和球磨工艺)通过以集中和破坏性的方式对材料冲击实现材料掺杂或应变，它们对于在薄膜或其它精细结构(例如，纳米结构)的表面上产生应变是没有成效的。相反，现行SMAT方法引起的应变贯穿体材料的整体，而不仅是这些材料的表面。诸如利用弯曲工艺实现材料应变的方法等其它掺杂方法也不能实现精细材料的掺杂或表面应变，并且经常导致不理想的后果，诸如使经处理的膜弯曲、在材料上产生剪切应变或使膜从基板分层。因此，亟需一种技术和工艺，克服不能够在诸如薄膜和纳米结构等精细材料上施加表面应变的问题。此外，需要一种以有效成本大规模生产的方法，其在脆性材料中产生表面应变的方法具有需求。
[0004] 涉及用于各种材料的SMAT方法的上述背景技术仅意图提供对SMAT方法及其现有限制的背景概述，并不意图是穷尽的。经查看以下详细描述，关于传统SMAT方法的其它背景可以变得更加显而易见。
发明内容
[0005] 本文提供简化的发明内容，以帮助能够对以下更加详细地描述和附图中的示例性、非限制性的实施例的各个方面进行基本的或一般的理解。然而，该发明内容并不意图是广泛的或穷尽的概述。相反，该发明内容的目的是以简化的形式呈现与一些示例性的非限制性实施例相关的一些概念作为以下本公开文本的各个实施例的更加详细说明的前序。[0006] 本文描述了在诸如薄膜或纳米结构等的精细或脆性材料的表面上提供功能性、提供掺杂并诱发应变的系统、方法、制品以及其它实施例或实施方式。在一实施例中，提供了一种系统，包括：阳极化组件、加热组件、腔室组件以及超声波振动发生器组件。在一个方案中，阳极化组件使电流通过材料的表面以使该材料的表面阳极化。在另一个方案中，加热组件向该材料的表面施加根据定义温度的热量。此外，在一个方案中，腔室组件包括材料容置部、容器部以及超声波振动发生器组件。
[0007] 在一个方案中，材料容置部被连接至腔室组件的顶棚并且材料容置部固定该材料，其中该材料的表面面向腔室组件的底板，容器部被连接至腔室组件的底板，其中容器部包括一组球，其中超声波振动发生器组件被连接至容器部，其中超声波振动发生器组件包
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