авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка технологии получения воспроизводимых многоцветных изображений на металлических поверхностях с использованием лазеров

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ларионова Екатерина Владимировна

Разработка технологии получения воспроизводимых многоцветных изображений на металлических поверхностях с использованием лазеров

Специальность: 17.00.06 – Техническая эстетика и дизайн

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2010

Работа выполнена на кафедре материаловедения и технологии материалов и покрытий Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Западный государственный заочный технический университет» (ГОУВПО «СЗТУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Пряхин Евгений Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Жукова Любовь Тимофеевна
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Смирнов Николай Владимирович
Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный Морской технический университет

Защита состоится « 21 » декабря 2010 г. в 18:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.236.04 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна» по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18, Центр инноваций, печати и информации, 1 этаж.

Текст автореферата размещен на сайте http://www.sutd.ru

С диссертационной работой можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке «Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна» по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18.

Автореферат разослан _________________

Ученый секретарь

диссертационного совета С.М. Ванькович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Крупные открытия и научно-технические решения, как правило, находят свое отражение в дизайне, в виде новых художественных форм и новой типологии промышленных изделий, а зачастую и новой философии их формообразования.

О возникновении цветов побежалости оксидных пленок, появляющихся на поверхности металла в результате температурного воздействия в кислородосодержащей среде, известно давно. При термической обработке этого явления стремятся избежать. При изготовлении художественных изделий, это явление в некоторых случаях используется в процессах художественного проектирования для придания изделиям наибольшей выразительности.

Оксидные структуры некоторых металлов представляют собой один из наиболее интересных классов веществ с разнообразными и перспективными для практического применения свойствами. В соединениях с кислородом они образуют сложные системы фаз с переменной валентностью, обладающие широким спектром различных физико-химических свойств и специфическими оптическими свойствами. При формировании на поверхности металла искусственных оксидных слоев можно получить не только прозрачные защитные покрытия, но и широкий диапазон декоративных цветных оттенков. Оттенки могут возникать как за счет эффекта интерференции оксидной пленки (например, на железе и его сплавах), так и за счет цвета самого окисла (оксиды хрома обладают различными цветами: Cr3O4 – красный, Cr2O3 – оранжевый; Cr5O12 – зеленый; CrO3 – черный ).





Появление лазеров, с их уникальной возможностью локального управляемого нагрева металлической поверхности, позволило применить эти возможности для формирования на поверхности металлических изделий растровых изображений с использованием всей цветовой палитры, которую можно получить на конкретном материале.

Проведенные к настоящему времени исследования процессов, проходящих на поверхности металла под воздействием лазерного излучения, показали, что при различных видах облучения возможны сложные динамические процессы в системе оксид-металл. На поверхности металлических изделий, находящейся в контакте с химически активным газом (воздухом), в процессе лазерного облучения могут происходить термохимические превращения, которые не связаны с монохроматичностью излучения, т.е. обусловлены лазерным нагревом.

Таким образом, появилась необходимость выявления механизма формирования цветных оксидных структур на металлической поверхности под воздействием кратковременного воздействия импульсов высокой мощности.

При этом, несмотря на значительное количество полученных другими авторами результатов в области лазерных технологий, практически отсутствуют четко сформулированные и научно-обоснованные представления и технические рекомендации, позволяющие управлять процессом формирования поверхностных структур с требуемыми колориметрическими (цветовыми) характеристиками.

Получаемые отдельными исследователями цветные изображения под воздействием лазерного излучения на металлических поверхностях не подкреплены системным научным обоснованием механизма цветообразования в этих условиях и принципов выбора технологических параметров обработки, а потому являются невоспроизводимыми, а процесс - неуправляемым.

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки технологии получения воспроизводимого многоцветного изображения на металлической поверхности под воздействием лазерного излучения.

Разработка такой технологии позволяет находить новые дизайнерские решения при декорировании металлических изделий, увеличить серийность декоративных изделий, снизить трудозатраты и себестоимость продукции. Улучшение эстетико-художественной выразительности металлических изделий способствует повышению конкурентоспособности товаров.

Объектом изучения являются оксидные структуры, формируемые на металлической поверхности, предметом – механизм формирования цветообразующих оксидных структур под воздействием лазерного излучения.

Степень теоретической разработанности проблемы.

В ходе изучения оптических свойств металлов и их оксидов, особенностей высокотемпературного окисления металлов и специфики лазерной обработки металлических изделий были рассмотрены работы:

– по цветоведению и эстетике восприятия цветов: В.В. Бычкова, Е.А. Кириллова, Л.Н.Мироновой, В.А. Зернова, Т.И. Наливиной;

– по окислению и оптическим свойствам металлов и окислов:
А.В. Соколова, Ю.Р. Эванса, В.К. Афонина, Б.С. Ермакова, Е.Л. Лебедева, Е.И. Пряхина, Н.С. Самойлова, Ю.П. Солнцева, В.Г. Шипшы;

– по исследованию окисленного слоя на различных металлических материалах: А.И. Файнштейна, Н.А. Литовченко, А. Г. Тюрина, Б. Н. Берга,
Э. А. Животовского, В. Д. Поволоцкого, Г.Д. Пигровой;

– по взаимосвязи кинетических и термодинамических характеристик при окислении металла: А.Г. Рябухина, Ю.Н. Теплякова, С.В. Гусевой,
Р.А. Лидина;

– по высокотемпературному окислению металлов и сплавов:
Р. Ф. Войтовича, Э. И. Головко, И. Н. Францевича, С.И.Анисимова;

– по теории и методам нестационарной теплопроводности: Н.М.Беляева, А.А.Рядно, А.В. Лыкова, Г. Карслоу, Д. Егер;

– по истории и применению лазерных технологий: В.П. Вейко, С.М. Метева;

– по математическим методам описания лазерных технологий:
М.Н. Либенсона, Е.А. Шахно, Е.Б. Яковлева, Г.Д. Шандыбиной;

– по изучению влияния лазерного излучения на материал:

А.Г. Григорянца, А.А. Соколова, У. Дьюли, Н.В. Карлова,
Н.А. Кириченко, Б.С. Лукьянчук, С.П. Мурзина, Дж. Ф. Рэди;

– по способам лазерной модификации металлической поверхности:

С.Г. Горного, А.Г. Валиулина, И.Р. Емельченкова, А.М. Прохорова, В.И. Конова, И. Урсу.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является выявление механизма формирования многоцветного изображения на металлической поверхности под воздействием лазерного излучения; научное обоснование выбора параметров технологического процесса лазерной обработки; разработка технологии получения воспроизводимых многоцветных изображений на металлической поверхности.

Достижение цели предполагает решение следующих взаимосвязанных
задач:

1. Проведение сравнительного анализа современных методик и способов получения цветообразующих структур, в том числе, оксидных, на металлической поверхности.

2. Установление взаимосвязи технологических параметров лазерной установки, тепло-физических свойств материала, параметров изображения и цветовых характеристик формируемой структуры;

3. Разработка технологии формирования многоцветного изображения на металлической поверхности под воздействием лазерного излучения с заданными цветовыми свойствами.

4. Разработка рекомендаций по применению технологии формирования многоцветного изображения и формирование базы данных технологических режимов обработки для декорирования металлических изделий.

Методы исследования

В качестве методологической базы использовался системный подход, предполагающий комплексность исследований во взаимосвязи друг с другом. Экспериментальные исследования проводились с использованием физико-химических и физико-механических методов (рентгеноструктурного качественного анализа, рентгеноспектрального микроанализа, цифрового оптического микроанализа и др.). Обработка результатов проводилась с применением методов математической статистики на ЭВМ и с использованием стандартных программ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Впервые разработан способ формирования многоцветных изображений под воздействием лазерного излучения с учетом тепло-физических характеристик обрабатываемого материала.
  2. Впервые проведен теоретический анализ условий формирования цветных оксидных структур на поверхности металла в результате воздействия импульсного лазерного излучения.
  3. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать технологические режимы для формирования возможной цветовой палитры для данного металлического материала и получать изображения.
  4. Установлено, что температурный диапазон формирования цветообразующей оксидной структуры под воздействием лазерного излучения определяется из условий обеспечения фазовых превращений в основном металле и формируемых оксидах.
  5. Разработаны рекомендации по расчету режимов формирования оксидных структур с заданными цветовыми характеристиками для лазерных установок с длиной волны 1,064 мкм, с различной длительностью импульса.

Достоверность результатов и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается тщательной обработкой и обобщением большого объема экспериментальных данных по изучаемой проблеме.

Реализация работы

Диссертационное исследование выполнялось в рамках прикладных госбюджетных НИР кафедры Материаловедения и технологии материалов и покрытий ГОУВПО «СЗТУ» в рамках инновационного проекта «Решение проблемы получения полноцветного изображения термоимпульсным воздействием на поверхности металлических изделий»: Проект № 2.1.2/4150 «Исследование влияния лазерного излучения различной генерации на формирование в поверхностных слоях металла кластерных нано- и микроструктур оксидов металлов с различными цветовыми характеристиками» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект: «Формирование микро- и нанокластерных оксидных систем с заданными цветовыми характеристиками с целью получения полицветного изображения полиграфического качества на металлической поверхности под воздействием импульсного лазерного излучения» государственного контракта № П583 от 05.08. 2009 г. федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» и договоре о выполнении НИР на 2009-2011г.г. с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках Государственного контракта от 15.06.2009г. № 02.740.11.0140.

Результаты работы используются в учебном процессе ГОУВПО СЗТУ:

– по специальности 261001.65 – Технология художественной обработки материалов при проведении лабораторных работ по дисциплине «Технология декоративных покрытий». Подготовлено пособие к лабораторным работам к опубликованию в составе учебно-методического комплекса (УМК).

– по специальности 150501.65 – Материаловедение в машиностроении при проведении практических занятий по дисциплине «Основы научных исследований». В учебный план 4-го курса введена новая дисциплина по выбору «Обработка материалов лазерным излучением».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами», СПб, 2007г.; Третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2009г.; Международной выставке-конгрессе Высокие технологии. Инновации. Инвестиции (Санкт-Петербург, 11-14 марта 2008 г., 22-25 сентября 2008 г.10-13 марта 2009 г.,10-12 марта, 2010 г.); Всемирной универсальной выставке IV Цивилизационного форума «Перспективы развития и стратегии партнерства цивилизаций», международном конкурсе инновационных проектов (Шанхай, 12-14 ноября 2010).

Работа была поддержана грантом Федерального агентства по образованию в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы».

Личное участие автора.

Все результаты исследований, изложенные в настоящей диссертации, получены самим автором при его непосредственном участии или под его руководством. Автор участвовал в постановке задач, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов, разработке методологических подходов и формулировке основных выводов.

Публикации. По материалам диссертации имеется 7 публикаций и 1 Патент на изобретение. 4 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 129 наименований, одного приложения. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 117 рисунков и 36 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении описано состояние проблемы, обоснована ее актуальность, определены цели и задачи работы, изложена научная новизна полученных результатов, их практическая и научная значимость, даны сведения об апробации работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, указан объем и структура диссертации.

В первой главе диссертации представлен анализ современного состояния вопроса, касающийся изучаемого вопроса.

Показано, что оксидные структуры, образующиеся на поверхности металла, обладают различными специфическими свойствами, находящими широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти свойства определяются химическим составом и толщиной, которые в свою очередь зависят от условий протекания процесса образования оксидной пленки. Температурный режим образования оксидных структур находится ниже температуры плавления материала. Толщина оксидных образований не превышает 100 нм, что позволяет отнести образуемые структуры к нанопокрытиям. В многочисленных работах отмечается, что существует соответствие колориметрических характеристик толщине получаемых оксидных пленок. Поэтому эта взаимосвязь может быть использована для косвенной оценки толщины оксидных структур.

Результаты проведенных к настоящему времени исследований далеко не всегда применимы к лазерно–термическому способу получения оксидных пленок, имеющему свои закономерности и особенности. Зона воздействия лазерного излучения чрезвычайно мала по сравнению с площадью поверхности образца, поэтому оксидная структура возникает только в пределах зоны действия лазерного луча.

В результате анализа литературных источников выявлено, что к настоящему времени отсутствует теоретическая модель, позволяющая определять технологические параметры лазерной установки для формирования оксидной пленки с заданными колориметрическими характеристиками.

Во второй главе представлено оборудование, материалы и методика исследований. Показаны особенности лазерного излучения прецизионного лазерного маркировочного комплекса (ПЛМК) ДМарк-06 на основе импульсного Nd:YAG-лазера с длиной волны 1,064 мкм и результат воздействия импульсов различной мощности на металлические материалы. Проведена общая оценка термодинамической возможности самопроизвольного протекания окислительных реакций компонентов сплавов, на основе которой выбраны следующие материалы: нержавеющая сталь марок 08Х13, 12Х17 и 08Х18Н10Т, (лист толщиной 1,5 мм), технический титан ВТ10 (лист толщиной 1,5 мм), медь М1 (лист толщиной 1,8 мм). Материалы использовались в состоянии поставки после проката.

В таблице 1 приведен химический состав сталей, а в таблице 2 – физические свойства исследуемых материалов.

Таблица 1. Химический состав исследуемых материалов

Материал Массовое содержание, %
С Cr Ti Ni Si Cu Mn P S
08Х13 до 0,08 12,0-14,0 - 0,60 0,80 - 0,80 0,030 0,025
12Х17 до 0,12 16,0-18,0 0,20 0,60 0,80 0,30 0,80 0,035 0,025
08Х18Н10Т до 0,08 17,0-19,0 0,4-0,7 9,0-11,0 0,80 0,30 2,00 0,035 0,020
ВТ1-0 до 0,07 - 98,61-99,7 до 0,04 - - - - -
М1 - - - - - 99,9 - - -


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.