微加工制造领域的利器：电子束毛化微造型技术

图1 Comeld接头截面示意图

宇宙浩渺，生命存奇。科学技术发展存在两个主要研究方向：宏观结构整体化和微观结构精密化。在工程研究领域，同样面临相同的问题，针对产品的不同尺度需求，需要不同的加工技术手段来实现。

随着高性能、低成本、轻量化、功能一体化的产品设计需求，越来越多的微加工技术在实际工程应用中体现了巨大的优势。仿生微纳制造技术已经成为21世纪的最新技术，纳米材料制备、微纳结构表面造型逐渐成为科学界、工程界研究的热点，荷叶效应、鲨鱼皮仿生，生命的奇妙无不推动着科学技术的迅速发展。

近年来，以电子束、激光等为热源的高能束流加工技术的发展为仿生微纳制造的实现提供了一种重要的技术途径。北京航空制造工程研究所（以下简称制造所）高能束流加工技术重点实验室在此领域开展了多年的研究工作，并取得了巨大的进展。其中开发的电子束毛化微造型技术更是目前微加工制造领域的亮点之一。

技术实现过程及特点

电子束毛化微造型（Electron Beam Surfi-sculpt）技术是制造所高能束流加工技术重点实验室近年来开发研究的微加工新技术之一，它是一种先进的电子束表面加工技术，通过控制电子束的束流参数和扫描波形，可以在金属表面快速产生各种不同的毛化形貌（如锯齿形、圆柱形、倒刺形、蜂窝状、圆锥形等）。

该技术由英国焊接研究所（TWI）最先发布，并成为电子束应用研究发展的一个新方向。其基本原理是：在真空状态下，通过快速响应偏转扫描线圈和多功能扫描程序精确控制电子束流，使其按照特定的频率、能量和移动速度轰击材料表面，形成金属熔池，并及时控制电子束流向熔池一侧移动，这样，在熔化金属表面张力和金属蒸汽压力的共同作用下，熔化的金属朝与束流移动相反的方向运动，并在熔池后方逐渐冷却、凝固。随着束流的重复扫描，熔池前端的金属将不断的被转移到熔池后端，并越堆越高，逐渐形成需要的“毛刺”形状。

如果能够同时控制电子束的束流参数(包括加速电压、电流和聚焦)，加上特殊的扫描波形，即可产生各种不同的毛化表面，包括高宽比大的尖峰突起、刀刃、蜂窝、旋涡等。任何纹理的结构都可以通过改变尺寸、形状、入射角和特征分布来定制产品所需的表面。该技术不仅能够加工其他工艺无法实现的表面造型，而且在真空操作下可以避免金属材料的高温氧化等表面污染。

与传统的毛化技术相比，电子束毛化微造型技术的优点主要表现为：通过磁场控制电子束偏转，加工速度快，效率高（30×30mm的区域，电子束毛化到1mm以上高度毛刺仅需10s）；通过软件设计扫描轨迹，可实现造型形貌多样化；通过参数控制优化，可实现高度20μm到10mm的大范围毛刺造型；毛化过程自动化控制，毛刺造型均匀性和可控性好；真空环境制备，避免高温氧化及其他污染。

技术应用

由于电子束毛化微造型技术具有上述优点，国外许多先进国家开展了不同领域的应用研究。

在金属与复合材料连接领域，电子束毛化技术可以用于复合材料结构的整体化制造，实现高性能连接和整体结构减重，如飞机机尾翼接头、壁板口盖口框或法兰件、复合材料机匣金属安装座、复合材料管路、车用刹车板和控制支臂等。该方法先通过电子束毛化在金属表面上形成毛刺，毛刺可加工成需要的形状和分布状态，然后将复合材料置于金属上，通过加温加压实现共同固化，即可得到这种金属和复合材料连接接头（图1），该方法国外称之为Comeld连接。

研究结果表明，这种连接方式的毛刺能够嵌入复合材料内部，与纤维树脂相互作用，提高界面结合强度，使得连接接头比传统连接能承受更高的载荷，而且通过优化毛刺的结构及分布形式可以提高这种接头的韧性。既可以解决胶接强度低、高温胶膜缺乏的问题，也可以减少机械连接（铆接、螺接）因制孔带来的纤维断裂和应力集中的影响，甚至可以用于胶接和机械连接方法无法实现的某些复合材料结构。

在功能结构表面造型领域，该技术可以用于电子、计算机等领域高效冷却构件的表面造型，通过增加表面散热面积，提高散热效率。还可以用于航空航天领域飞行器特殊结构的减阻、除冰、隐身等，以及医疗行业人体植入物表面造型等。

在表面改性方面，该技术可以用于涂层制备表面预处理上。通过增加表面粗糙度来增加涂层附着力，避免分层。微造型的形状与尺寸还可以影响涂层的微观组织，形成梯度涂层，甚至可以改变涂层表面上的裂纹生长机理。

国内外研究现状

目前，国外相关电子束毛化设备已经完全商品化，并用于高端领域的产品研制。美国Simens公司申请了基于电子束毛化技术的复合材料叶片制备方法的发明专利，奥地利Teufelberger公司采用了金属件毛化连接的方法获得了高质量的复合材料管路，加拿大Nucap公司采用表面毛化微造型的方法已经批量生产汽车用的刹车板，英国TWI采用电子束毛化在F1赛车复合材料车身上进行金属件的预埋。另外美国航空航天局和海军早已开始了Comeld连接技术在飞行器和船舶结构的产品研制和试验验证的研究工作。

国内在该技术的研发方面起步相对较晚，制造所于2005年底开始跟踪国外相关技术，通过自行研制扫描控制系统，设计制作偏转线圈，开发相关的控制软件，掌握了电子束毛化过程的成形机理和控制规律，并完成了国内首台专用电子束毛化设备的研制（图2）。该设备采用一种利用图像的像素点及灰度等特征进行扫描控制的电子束毛化加工新方法，突破了多束流控制等关键技术，实现了不同金属材料、不同形貌、不同尺度的电子束毛化工艺技术，获得的微造型表面高度可达20μm～5mm。

微造型的高度、形貌、分布密度可以根据产品要求来设计（图3），制造所根据实际加工需求，编制了电子束毛化技术体系和工艺规范及集团标准，开展了电子束毛化技术在金属与复合材料连接、结构表面造型领域的应用研究，获得了电子束毛化金属与复合材料连接接头性能数据库及毛刺参数对接头力学性能的影响规律，从而为相关设计提供了重要的技术支持和数据参考。

结合未来飞行器研制需求和技术发展趋势，电子束毛化微造型作为一种新兴高效微加工技术，将为整体化功能设计制造提供一种重要技术方案，尤其是为复合材料构件整体化制造带来了重大技术突破，随着复合材料在航空航天等领域的广泛应用，这种高效高性能低成本的电子束毛化连接技术必然在未来飞行器结构上有着重要应用。

http://www.cannews.com.cn/2015/0119/117740.shtml

图1 Comeld接头截面示意图

宇宙浩渺，生命存奇。科学技术发展存在两个主要研究方向：宏观结构整体化和微观结构精密化。在工程研究领域，同样面临相同的问题，针对产品的不同尺度需求，需要不同的加工技术手段来实现。

随着高性能、低成本、轻量化、功能一体化的产品设计需求，越来越多的微加工技术在实际工程应用中体现了巨大的优势。仿生微纳制造技术已经成为21世纪的最新技术，纳米材料制备、微纳结构表面造型逐渐成为科学界、工程界研究的热点，荷叶效应、鲨鱼皮仿生，生命的奇妙无不推动着科学技术的迅速发展。

近年来，以电子束、激光等为热源的高能束流加工技术的发展为仿生微纳制造的实现提供了一种重要的技术途径。北京航空制造工程研究所（以下简称制造所）高能束流加工技术重点实验室在此领域开展了多年的研究工作，并取得了巨大的进展。其中开发的电子束毛化微造型技术更是目前微加工制造领域的亮点之一。

技术实现过程及特点

电子束毛化微造型（Electron Beam Surfi-sculpt）技术是制造所高能束流加工技术重点实验室近年来开发研究的微加工新技术之一，它是一种先进的电子束表面加工技术，通过控制电子束的束流参数和扫描波形，可以在金属表面快速产生各种不同的毛化形貌（如锯齿形、圆柱形、倒刺形、蜂窝状、圆锥形等）。

该技术由英国焊接研究所（TWI）最先发布，并成为电子束应用研究发展的一个新方向。其基本原理是：在真空状态下，通过快速响应偏转扫描线圈和多功能扫描程序精确控制电子束流，使其按照特定的频率、能量和移动速度轰击材料表面，形成金属熔池，并及时控制电子束流向熔池一侧移动，这样，在熔化金属表面张力和金属蒸汽压力的共同作用下，熔化的金属朝与束流移动相反的方向运动，并在熔池后方逐渐冷却、凝固。随着束流的重复扫描，熔池前端的金属将不断的被转移到熔池后端，并越堆越高，逐渐形成需要的“毛刺”形状。

如果能够同时控制电子束的束流参数(包括加速电压、电流和聚焦)，加上特殊的扫描波形，即可产生各种不同的毛化表面，包括高宽比大的尖峰突起、刀刃、蜂窝、旋涡等。任何纹理的结构都可以通过改变尺寸、形状、入射角和特征分布来定制产品所需的表面。该技术不仅能够加工其他工艺无法实现的表面造型，而且在真空操作下可以避免金属材料的高温氧化等表面污染。

与传统的毛化技术相比，电子束毛化微造型技术的优点主要表现为：通过磁场控制电子束偏转，加工速度快，效率高（30×30mm的区域，电子束毛化到1mm以上高度毛刺仅需10s）；通过软件设计扫描轨迹，可实现造型形貌多样化；通过参数控制优化，可实现高度20μm到10mm的大范围毛刺造型；毛化过程自动化控制，毛刺造型均匀性和可控性好；真空环境制备，避免高温氧化及其他污染。

技术应用

由于电子束毛化微造型技术具有上述优点，国外许多先进国家开展了不同领域的应用研究。

在金属与复合材料连接领域，电子束毛化技术可以用于复合材料结构的整体化制造，实现高性能连接和整体结构减重，如飞机机尾翼接头、壁板口盖口框或法兰件、复合材料机匣金属安装座、复合材料管路、车用刹车板和控制支臂等。该方法先通过电子束毛化在金属表面上形成毛刺，毛刺可加工成需要的形状和分布状态，然后将复合材料置于金属上，通过加温加压实现共同固化，即可得到这种金属和复合材料连接接头（图1），该方法国外称之为Comeld连接。

研究结果表明，这种连接方式的毛刺能够嵌入复合材料内部，与纤维树脂相互作用，提高界面结合强度，使得连接接头比传统连接能承受更高的载荷，而且通过优化毛刺的结构及分布形式可以提高这种接头的韧性。既可以解决胶接强度低、高温胶膜缺乏的问题，也可以减少机械连接（铆接、螺接）因制孔带来的纤维断裂和应力集中的影响，甚至可以用于胶接和机械连接方法无法实现的某些复合材料结构。

在功能结构表面造型领域，该技术可以用于电子、计算机等领域高效冷却构件的表面造型，通过增加表面散热面积，提高散热效率。还可以用于航空航天领域飞行器特殊结构的减阻、除冰、隐身等，以及医疗行业人体植入物表面造型等。

在表面改性方面，该技术可以用于涂层制备表面预处理上。通过增加表面粗糙度来增加涂层附着力，避免分层。微造型的形状与尺寸还可以影响涂层的微观组织，形成梯度涂层，甚至可以改变涂层表面上的裂纹生长机理。

国内外研究现状

目前，国外相关电子束毛化设备已经完全商品化，并用于高端领域的产品研制。美国Simens公司申请了基于电子束毛化技术的复合材料叶片制备方法的发明专利，奥地利Teufelberger公司采用了金属件毛化连接的方法获得了高质量的复合材料管路，加拿大Nucap公司采用表面毛化微造型的方法已经批量生产汽车用的刹车板，英国TWI采用电子束毛化在F1赛车复合材料车身上进行金属件的预埋。另外美国航空航天局和海军早已开始了Comeld连接技术在飞行器和船舶结构的产品研制和试验验证的研究工作。

国内在该技术的研发方面起步相对较晚，制造所于2005年底开始跟踪国外相关技术，通过自行研制扫描控制系统，设计制作偏转线圈，开发相关的控制软件，掌握了电子束毛化过程的成形机理和控制规律，并完成了国内首台专用电子束毛化设备的研制（图2）。该设备采用一种利用图像的像素点及灰度等特征进行扫描控制的电子束毛化加工新方法，突破了多束流控制等关键技术，实现了不同金属材料、不同形貌、不同尺度的电子束毛化工艺技术，获得的微造型表面高度可达20μm～5mm。

微造型的高度、形貌、分布密度可以根据产品要求来设计（图3），制造所根据实际加工需求，编制了电子束毛化技术体系和工艺规范及集团标准，开展了电子束毛化技术在金属与复合材料连接、结构表面造型领域的应用研究，获得了电子束毛化金属与复合材料连接接头性能数据库及毛刺参数对接头力学性能的影响规律，从而为相关设计提供了重要的技术支持和数据参考。

结合未来飞行器研制需求和技术发展趋势，电子束毛化微造型作为一种新兴高效微加工技术，将为整体化功能设计制造提供一种重要技术方案，尤其是为复合材料构件整体化制造带来了重大技术突破，随着复合材料在航空航天等领域的广泛应用，这种高效高性能低成本的电子束毛化连接技术必然在未来飞行器结构上有着重要应用。

http://www.cannews.com.cn/2015/0119/117740.shtml