激光诱导空泡空化强化理论与技术 任旭东,袁寿其 科学出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

任旭东，袁寿其 著

图书标签:

• 激光空化
• 空化强化
• 激光技术
• 材料加工
• 表面处理
• 超声空化
• 流体动力学
• 数值模拟
• 工程应用
• 物理学

店铺： 河北省新华书店图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030555458

商品编码：29733143334

包装：平装

出版时间：2018-01-01

基本信息

书名：激光诱导空泡空化强化理论与技术

定价：99.00元

作者：任旭东,袁寿其

出版社：科学出版社

出版日期：2018-01-01

ISBN：9787030555458

字数：

页码：208

版次：01

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

---

内容提要

---

激光空化强化技术是一种新型的材料表面改性处理技术。《激光诱导空泡空化强化理论与技术》详细阐述激光诱导空泡空化强化并抑制空蚀的理论和技术。在总结激光空化强化技术的理论、应用和发展成果的基础上，较系统地阐述激光诱导空泡及空化强化的基本理论，研究激光诱导水下空泡的冲击波力学效应，分析激光空化的机械效应和化学效应，给出各种材料在激光空化强化的表面形貌、残余应力、抗空蚀性能等，充分反映激光诱导空泡空化强化技术的先进性与实用性。《激光诱导空泡空化强化理论与技术》还给出诸多具体的应用实例，具有较好的可读性和借鉴性。

目录

---

作者介绍

---

文摘

---

序言

---

激光诱导空泡空化：一种新兴的先进加工技术 前言 在现代工业制造领域，对材料进行精准、高效、无损的加工是永恒的追求。传统加工方法，如机械切削、磨削等，虽然成熟，但在处理高硬度、脆性材料，或者实现微纳尺度的精细加工时，往往面临效率低下、损伤严重、加工成本高等瓶颈。近年来，随着激光技术和流体动力学研究的深入，一种名为“激光诱导空泡空化”（Laser-Induced Bubble Cavitation，简称LIBC）的新兴加工技术逐渐崭露头角。它巧妙地结合了激光能量的瞬时释放与流体动力学中的空化效应，为解决上述挑战提供了全新的思路与方法。 第一章：空化现象的物理基础 空化，本质上是一种流体在特定压力条件下发生的相变现象。当流体中的局部压力下降到其饱和蒸气压以下时，溶解的气体和液体本身就会在局部区域形成微小的气泡。这些气泡在周围流体的压力作用下迅速生长，并在压力恢复正常后急剧 implosion（坍塌）。LIBC正是利用了这一物理过程，通过激光在液体中进行吸收，产生瞬时的高温高压区域，从而诱发并控制空泡的形成与溃灭。 1.1 液体中的压力波动与空泡的产生 液体在流动过程中，其压力分布并非均匀。当流速增加时，根据伯努利原理，流体压力会降低。然而，LIBC中的空泡产生机制更为复杂，主要源于激光与液体的相互作用。激光束聚焦于液体内部，其强大的能量被液体吸收，导致吸收区域的温度急剧升高，进而产生高压。这种局部的瞬时高压会向四周传播，并在一定范围内引起压力降低。当局部压力低于液体的饱和蒸气压时，液体分子便会脱离液相，形成气泡。 1.2 激光诱导空泡的形成过程 激光诱导空泡的形成是一个动态过程，通常包括以下几个阶段： 激光吸收与加热： 激光束被液体介质吸收，能量转化为热能，使吸收区域的温度迅速升高。 蒸气泡的生成： 当局部温度超过饱和温度时，液体会迅速汽化，形成微小的蒸气泡。 空泡的生长： 在周围流体压力低于内部蒸气压的驱动下，蒸气泡开始膨胀生长。 空泡的溃灭（Implosion）： 随着激光能量的耗尽或流体压力的变化，空泡内部的蒸气压降低，而周围流体的静水压力则会使其迅速坍塌。这个坍塌过程是LIBC产生加工动力的核心。 1.3 空泡溃灭的动力学特征 空泡溃灭并非简单的消失，而是一个剧烈且复杂的物理过程。当空泡在自身表面张力和外部压力作用下坍塌时，流体会在瞬间向空泡中心聚集，并在中心点形成极高的局部压力和温度。这种极高的瞬时压力和温度可以产生强大的冲击波，同时伴随着微射流（micro-jet）的形成。这些微射流以极高的速度（可达数百米每秒）冲击到附近的固相表面，从而产生巨大的机械应力。LIBC正是利用了这种由空泡溃灭产生的微射流和冲击波来对目标材料进行去除或改性。 1.4 影响空泡形成与溃灭的关键因素 LIBC的效果受到多种因素的影响，主要包括： 激光参数： 激光的波长、脉冲宽度、能量密度、重复频率等。短脉冲激光（如飞秒、皮秒激光）由于其极短的脉冲宽度，可以更有效地将能量注入到材料中，减少热扩散，实现更精细的加工。 液体介质： 液体种类、粘度、密度、表面张力、溶解气体含量等。不同的液体介质对激光的吸收特性和空泡动力学行为有显著影响。 目标材料： 材料的硬度、韧性、熔点、热导率等。 加工环境： 温度、压力等。 第二章：激光诱导空泡空化在材料加工中的机理 LIBC技术的核心在于利用激光诱导产生的空泡在其溃灭过程中释放的能量，对目标材料进行加工。与传统的机械加工不同，LIBC主要通过非接触式的物理作用实现材料的去除或改性。 2.1 微射流冲击作用 空泡溃灭过程中，当空泡靠近固相表面时，空泡的坍塌会变得不对称，迫使流体在空泡的一个方向上加速，形成一道高速的微射流。这道微射流以极高的速度撞击材料表面，产生局部的高压和高剪切应力。这种应力足以使材料表面产生微小的塑性变形、剥离或破碎，从而实现材料的去除。这种剥离通常以纳米或微米级别的颗粒形式进行。 2.2 冲击波作用 空泡的溃灭也会产生强大的冲击波，这些冲击波以超声波的速度向四周传播。当冲击波传播到材料表面时，也会对材料产生一定的压力载荷，对材料表面的微观结构产生影响，可能引起材料的疲劳、断裂或表面改性。 2.3 热效应与化学效应（次要或特定应用） 虽然LIBC主要是一种机械加工手段，但在某些情况下，激光能量的瞬时高温也可能在空泡形成区域附近产生一些局部的热效应，例如材料的熔化或汽化。同时，在特定的液体环境中，高温高压的空泡溃灭也可能引发一些化学反应，例如产生自由基，促进表面化学改性。然而，在大多数强调精密和无损加工的应用中，会尽量减弱这些非机械效应。 2.4 材料去除的特点 LIBC引起的材料去除具有以下特点： 高精度： 激光束的聚焦精度决定了空泡的产生位置，微射流的作用范围极小，因此可以实现纳米级别的加工精度。 低损伤： 相较于机械切削，LIBC避免了刀具与材料的直接接触，大大降低了加工过程中的机械应力和热损伤，尤其适用于脆性材料和精密器件的加工。 无接触加工： 整个加工过程在液体介质中进行，避免了粉尘和切屑的产生，有利于环境和操作者的健康。 加工范围广： LIBC可用于加工多种材料，包括金属、陶瓷、半导体、玻璃、聚合物等。 第三章：激光诱导空泡空化在不同领域的应用潜力 LIBC技术以其独特的优势，在多个领域展现出巨大的应用潜力，为传统加工方法提供了重要的补充乃至替代方案。 3.1 微电子制造 在半导体芯片制造过程中，微纳尺度的图形化、刻蚀、清洗等是关键步骤。LIBC技术可以实现高精度、低损伤的图形转移和材料去除，例如用于光刻胶的去除、微槽的加工、晶圆的精细清洗等。其无接触、低损伤的特点对于脆弱的微电子器件尤为重要。 3.2 生物医学工程 在生物医学领域，LIBC的应用则更加引人注目。例如： 药物递送： 利用LIBC在细胞膜上诱导瞬时微孔，从而实现药物分子的有效导入，克服细胞膜屏障。 组织工程： 精确控制LIBC的参数，可以用于构建具有特定微结构的细胞支架，促进细胞生长和组织再生。 微创手术： 在超声或激光的引导下，LIBC技术有望用于微创手术中的组织切割、血栓清除等。 牙科治疗： LIBC可用于牙齿表面的精细修复和清洁，去除牙菌斑和牙结石。 3.3 精密机械加工 对于高硬度、难加工材料（如航空航天领域的特种合金、超硬材料）的精密加工，LIBC提供了新的解决方案。例如，用于加工精密模具、光学元件、微型传感器等。LIBC能够实现传统方法难以达到的表面光洁度和尺寸精度。 3.4 材料表面改性 除了材料去除，LIBC还可以用于材料表面的改性。通过控制空泡溃灭产生的冲击波和微射流，可以改变材料表面的微观形貌，提高其耐磨性、抗腐蚀性、附着力等。例如，在金属表面形成纳米纹理，以改变其摩擦特性。 3.5 环保与清洁技术 LIBC在液体清洗方面也具有潜力。其产生的空泡溃灭可以产生局部的高温高压和冲击力，有效去除附着在物体表面的污染物，如油污、颗粒物等，实现高效、环保的清洗。 第四章：LIBC技术面临的挑战与发展前景 尽管LIBC技术展现出巨大的潜力，但其发展仍面临一些挑战。 4.1 加工效率的提升 目前，LIBC的加工效率相较于一些传统方法仍有待提高，尤其是在大批量生产场景下。未来的研究需要集中于优化激光参数、液体介质以及加工策略，以提高单位时间内的材料去除率。 4.2 加工过程的精确控制 LIBC的加工效果高度依赖于空泡的形成与溃灭过程，而这一过程又受到多种因素的耦合影响。如何实现对空泡动力学过程的精确、实时监测与控制，是实现稳定、可重复加工的关键。 4.3 理论模型的完善 目前，关于激光诱导空泡动力学的理论模型仍在不断完善中。更准确、全面的理论模型有助于指导实验设计和工艺优化，预测加工结果。 4.4 设备成本与集成 高功率、高稳定性的激光器以及配套的精密光学系统、流体控制系统等，是LIBC设备的关键组成部分。降低设备成本，实现设备的紧凑化和集成化，是推动LIBC技术广泛应用的重要因素。 4.5 拓展更多应用场景 随着对LIBC机理的深入理解和技术的不断成熟，未来将有更多新兴的应用领域被发掘，例如在能源、信息技术、食品加工等领域。 结论 激光诱导空泡空化（LIBC）作为一种集激光物理、流体动力学和材料科学于一体的先进加工技术，正以前所未有的方式改变着材料加工的面貌。通过巧妙地利用激光能量诱导并控制液体中的空泡溃灭，LIBC能够实现高精度、低损伤、无接触的材料去除与改性。尽管当前仍面临一些技术挑战，但随着科学研究的不断深入和工程技术的持续进步，LIBC技术必将在微电子、生物医学、精密制造等众多领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展贡献新的力量。

评分☆☆☆☆☆

从写作风格上看，这本书展现出一种非常严谨且克制的学术笔调，用词精准，逻辑链条环环相扣，几乎没有多余的修饰或夸张的断言。这对于需要依赖一手文献进行严肃研究的学者来说，是极大的优势。它呈现出一种高度的客观性，所有结论的得出都有清晰的理论或实验佐证。不过，也正因为这种极致的严谨性，对于初次接触该领域的读者来说，门槛可能会略高一些。我感觉作者们在构建知识体系时，是以一个领域专家的视角来组织的，他们相信读者已经具备了一定的背景知识，可以直接切入核心问题。阅读过程中，我常常需要对照参考文本当中的引文，去追溯其理论的根源，这种深挖的过程虽然费力，但也让我对整个研究领域的历史脉络有了更宏观的认识，体会到作者在前沿探索中所站立的学术高度。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计确实挺下功夫的，封面那种深邃的蓝色调，配上那种略带金属质感的字体，一眼看上去就给人一种前沿、硬核的科学气息。我记得我是在一个专门的学术书店里发现它的，当时我正在寻找关于流体力学与材料相互作用的最新研究进展。这本书的排版清晰明了，大量的图表和公式都处理得非常规范，不像有些教材那样把复杂的概念堆砌在一起让人望而却步。作者们似乎非常注重读者的阅读体验，即使是面对“激光诱导空泡”这样高度专业化的主题，他们也努力用尽可能直观的方式去呈现理论模型和实验设置。特别是那些剖面图和动态模拟的示意图，极大地帮助我理解空泡的形成、演化以及与周围介质的能量交换过程。拿到手里沉甸甸的感觉，也让人觉得这是一本经过严谨打磨的学术专著，而不是仓促出版的论文合集。我对科学出版社一贯的出版质量还是比较信赖的，而这本书的整体质感，确实配得上这个出版社的声誉。它的视觉传达成功地为后续的深入阅读建立了一个专业且引人入胜的基调。

评分☆☆☆☆☆

这本书在“技术”层面的讨论也极其详实，这一点对于工程应用导向的读者来说尤为重要。我注意到作者没有仅仅停留在“理论可行性”的讨论，而是花费了大量篇幅来探讨实际应用中遇到的工程挑战，比如激光脉冲的参数优化、介质选择对空化效率的影响，以及如何将实验室成果转化为工业级的设备。例如，书中关于聚焦透镜设计和能量耦合效率的讨论，简直像是一份高级工艺手册。我尤其关注了其中关于特定材料表面处理的案例分析，那些具体的参数范围和对应的效果数据，对我正在进行的一个关于高分子材料表面改性的项目提供了直接的参考价值。这不仅仅是知识的罗列，更像是作者多年工程实践经验的结晶，很多是教科书上无法轻易获取的“Know-how”。这种理论与实践的紧密结合，是这本书最让我感到兴奋的地方。

评分☆☆☆☆☆

真正开始啃这本书的内容后，我立刻感受到作者在理论深度上的追求。他们对于“强化”这一概念的阐释，绝非停留在表面的现象描述，而是深入到了微观尺度的物理机制。尤其是在处理空化过程中的热力学和动力学耦合问题时，那种层层递进的推导过程，体现了扎实的物理学功底。我特别欣赏书中对边界条件处理的严谨性，这在许多相关研究中往往是简化或模糊处理的部分。作者似乎在力求建立一个能够更精确预测宏观工程效果的微观模型，这对于需要进行高精度数值模拟的研究人员来说，简直是宝藏。我在阅读相关章节时，不得不频繁地回顾一些高等数学和偏微分方程的知识点，这说明这本书的知识密度非常高，绝对不是泛泛而谈的科普读物，它要求读者具备坚实的理论基础才能完全吸收。每一次成功理解书中一个关键的数学推导，都有一种拨云见雾的成就感。

评分☆☆☆☆☆

这本书在探讨未来发展趋势的部分，展现了作者的洞察力和前瞻性。他们并未将“强化理论与技术”视为一个已完成的课题，而是清晰地指出了当前模型存在的局限性，比如在处理非牛顿流体环境下的空化问题，或者在超高频率激光作用下的瞬态物理过程等方面仍有待深入。这种对研究空白点的坦诚揭示，极大地激发了我的进一步研究兴趣。它不仅仅是一本总结现有成果的著作，更像是一份指向未来十年该领域可能突破方向的路线图。尤其是关于如何利用先进计算方法（如更精细的分子动力学模拟）来辅助实验验证的部分，我认为是极具启发性的，它提示我们将跨学科的工具更好地整合进来。总而言之，这是一本能让你在合上书本后，依然能感受到智力被充分挑战和激发的高质量学术专著。