颜色作为视觉载体在我们的日常生活中扮演着重要的角色。按产生原理，颜色可以分为生物荧光色、颜料色和结构色等多种。其中，结构色是利用材料表面上与波长相近的微纳米结构，通过对光的散射、干涉或衍射等作用而产生的颜色。 在自然界中，很多生物都具有结构色，例如，孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀等。与颜料色相比，结构色具有彩虹效应、饱和度高、不褪色等特点，在高清显示、防伪、传感器等领域具有广阔的应用前景。 表面微结构的高效可控低成本制造是实现仿生结构色规模化工业应用的基本条件。目前，仿生结构色的制造还是以电子束光刻、飞秒激光直写和双光束激光干涉等方法为主。其中，电子束光刻具有高分辨率的独特优势，但是它的制造成本很高、材料去除率低、加工面积有限，因此多被应用于实验室中新概念的原理验证。 飞秒激光直写和双光束激光干涉加工技术利用激光与物质的相互作用，可以在各种金属和非金属表面上加工光栅结构用于制造仿生结构色，但是激光加工具有表面质量差的缺点，限制了结构色视觉效果的提升。 近年来，使用金刚石刀具的振动辅助超精密切削成为仿生结构色制造的一种新兴方法。作为一种机械加工方法，这种方法与激光加工相比，具有材料去除率高和几何精度高的独特优势。一方面，可以实现自由曲面和表面微结构的同步加工；另一方面，可以精确控制光栅结构的槽型，实现高质量仿生结构色的可控制造。 然而，目前超精密切削加工仿生结构色都是在金属材料上实现的，对于硅等非金属材料上的结构色切削加工仍然具有很大的挑战性。这主要是因为非金属材料很多是脆性材料，它们与金属材料切削加工的材料去除机理不同。对于硅的切削加工而言，想像金属的延性切削一样产生无裂纹的光洁表面是极其困难的，更不用说切削加工出表面微纳米结构了。 为解决上述问题，近日，清华大学 王健健 助理教授与美国西北大学 郭平 助理教授等人合作在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了题为“Structural coloration of non-metallic surfaces using ductile-regime vibration-assisted ultraprecision texturing（非金属材料表面仿生结构色的延性域超精密切削加工技术）”的研究论文，成功地实现了典型脆性非金属材料表面近波长光栅结构的延性域切削加工制造。
图 1：硅和亚克力表面结构色的延性域切削加工原理和结果 在这项研究中，研究团队主要考虑了两种广泛使用的非金属工程材料：硅（Silicon,具有高脆性）和亚克力（PMMA,透明聚合物）。研究团队利用自主研发的超快二维振动发生装置在金刚石刀具上施加了一个高频率（>2 kHz）、微米尺度、椭圆形状的机械振动。利用刀具振动轨迹的叠加，每个振动周期可以加工出一个光栅结构，每秒钟加工 2000 个，因此具有很高的效率。 研究团队在揭示脆性材料表面微结构的延性域切削加工机理的基础上，对金刚石刀具的振动轨迹形状进行了精心优化，对材料延性域去除与微结构几何形状创成之间的矛盾进行了平衡，实现了脆性材料表面光栅结构（范围从 0.75 微米到 4 微米）的无裂纹高质量加工。这种方法还具有很强的图案化能力，可以通过高精度地改变刀具振动频率或者切削速度，对光栅间距进行动态调制以实现高分辨率结构色图案的加工。 论文信息 Wang et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:33 https://doi.org/10.37188/lam.2021.033 |
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