本公開文本通常涉及用于在一系列材料的表面誘發(fā)應(yīng)變的表面機(jī)械研磨處理(SMAT)方法。

背景技術(shù)：

近來(lái)，材料科學(xué)學(xué)科在材料表面工程領(lǐng)域已經(jīng)展示出了一系列進(jìn)展。其中一項(xiàng)進(jìn)展涉及被稱為表面機(jī)械研磨處理(SMAT)的機(jī)理。SMAT通過(guò)使多個(gè)球與材料的表面碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致表面缺陷和材料應(yīng)變的產(chǎn)生。雖然現(xiàn)有SMAT方法能夠?qū)崿F(xiàn)材料缺陷，此類缺陷使材料的表面以及較深的次表面材料層的變形。然而，現(xiàn)有SMAT方法不能在精細(xì)(delicate)材料的表面上誘發(fā)應(yīng)變。

遺憾的是，現(xiàn)有SMAT和摻雜方法(諸如高能量SMAT和球磨工藝)通過(guò)以集中和破壞性的方式對(duì)材料沖擊實(shí)現(xiàn)材料摻雜或應(yīng)變，它們對(duì)于在薄膜或其它精細(xì)結(jié)構(gòu)(例如，納米結(jié)構(gòu))的表面上產(chǎn)生應(yīng)變是沒有成效的。相反，現(xiàn)行SMAT方法引起的應(yīng)變貫穿體材料的整體，而不僅是這些材料的表面。諸如利用彎曲工藝實(shí)現(xiàn)材料應(yīng)變的方法等其它摻雜方法也不能實(shí)現(xiàn)精細(xì)材料的摻雜或表面應(yīng)變，并且經(jīng)常導(dǎo)致不理想的后果，諸如使經(jīng)處理的膜彎曲、在材料上產(chǎn)生剪切應(yīng)變或使膜從基板分層。因此，亟需一種技術(shù)和工藝，克服不能夠在諸如薄膜和納米結(jié)構(gòu)等精細(xì)材料上施加表面應(yīng)變的問(wèn)題。此外，需要一種以有效成本大規(guī)模生產(chǎn)的方法，其在脆性材料中產(chǎn)生表面應(yīng)變的方法具有需求。

涉及用于各種材料的SMAT方法的上述背景技術(shù)僅意圖提供對(duì)SMAT方法及其現(xiàn)有限制的背景概述，并不意圖是窮盡的。經(jīng)查看以下詳細(xì)描述，關(guān)于傳統(tǒng)SMAT方法的其它背景可以變得更加顯而易見。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文提供簡(jiǎn)化的發(fā)明內(nèi)容，以幫助能夠?qū)σ韵赂釉敿?xì)地描述和附圖中的示例性、非限制性的實(shí)施例的各個(gè)方面進(jìn)行基本的或一般的理解。然而，該發(fā)明內(nèi)容并不意圖是廣泛的或窮盡的概述。相反，該發(fā)明內(nèi)容的目的是以簡(jiǎn)化的形式呈現(xiàn)與一些示例性的非限制性實(shí)施例相關(guān)的一些概念作為以下本公開文本的各個(gè)實(shí)施例的更加詳細(xì)說(shuō)明的前序。

本文描述了在諸如薄膜或納米結(jié)構(gòu)等的精細(xì)或脆性材料的表面上提供功能性、提供摻雜并誘發(fā)應(yīng)變的系統(tǒng)、方法、制品以及其它實(shí)施例或?qū)嵤┓绞健Ｔ谝粚?shí)施例中，提供了一種系統(tǒng)，包括：陽(yáng)極化組件、加熱組件、腔室組件以及超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件。在一個(gè)方案中，陽(yáng)極化組件使電流通過(guò)材料的表面以使該材料的表面陽(yáng)極化。在另一個(gè)方案中，加熱組件向該材料的表面施加根據(jù)定義溫度的熱量。此外，在一個(gè)方案中，腔室組件包括材料容置部、容器部以及超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件。

在一個(gè)方案中，材料容置部被連接至腔室組件的頂棚并且材料容置部固定該材料，其中該材料的表面面向腔室組件的底板，容器部被連接至腔室組件的底板，其中容器部包括一組球，其中超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件被連接至容器部，其中超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件包括將功率流轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的發(fā)電機(jī)組件、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成振蕩波的轉(zhuǎn)換器(convertor)組件以及發(fā)出與振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振蕩波的變幅桿(horn)組件，振蕩波沖擊該組球，導(dǎo)致該組球分散散布，并且該組球以定義速度與該材料的表面碰撞。

在另一實(shí)施例中，公開了一種方法，包括：將陽(yáng)極化處理應(yīng)用于材料的表面，將熱處理應(yīng)用于該材料的表面；將表面機(jī)械研磨處理(SMAT)應(yīng)用于該材料的表面，其中SMAT包括：在該材料的表面與超聲波變幅桿之間布置球，超聲波變幅桿被連接至超聲波換能器，超聲波換能器被配置為將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成振蕩波，其中超聲波變幅桿被配置為發(fā)出振蕩波；通過(guò)超聲波變幅桿發(fā)出表示頻率水平的振蕩波；基于振蕩波與球之間的接觸誘發(fā)球的移動(dòng)；以及基于誘發(fā)的球的移動(dòng)使球與該材料的表面碰撞，其中該碰撞將該材料的表面更改為包括材料應(yīng)變、表面變形、貫穿該材料的壓縮應(yīng)力或表面的壓痕的至少之一。

為了實(shí)現(xiàn)上述和有關(guān)目的，公開主題包括下文充分描述的特征。以下說(shuō)明和附圖具體列出多個(gè)特定示例性方案。然而，這些方案表明了可以采用本 公開主題的原理的各種方式中的多個(gè)。通過(guò)以下結(jié)合附圖考慮的詳細(xì)說(shuō)明，其它方案、優(yōu)點(diǎn)和新穎特征將變得顯而易見。

附圖說(shuō)明

參考下列附圖來(lái)描述公開主題的非限制性和非窮盡的實(shí)施例，其中除非另有規(guī)定，否則各附圖中相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件。

圖1A示出示例SMAT系統(tǒng)的非限制性示意框圖，該示例SMAT系統(tǒng)包括陽(yáng)極化組件、加熱組件、腔室組件以及超聲波發(fā)生器組件。

圖1B示出示例SMAT系統(tǒng)的非限制性示意框圖，該示例SMAT系統(tǒng)包括腔室組件、材料容置部、容器部、超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件、變幅桿組件、轉(zhuǎn)換器組件以及發(fā)電機(jī)組件。

圖2示出示例SMAT系統(tǒng)的非限制性示意框圖，該示例SMAT系統(tǒng)包括陽(yáng)極化組件、加熱組件、腔室組件、超聲波發(fā)生器組件以及修改組件。

圖3示出示例SMAT系統(tǒng)的非限制性示意框圖，該示例SMAT系統(tǒng)包括陽(yáng)極化組件、加熱組件、腔室組件、超聲波發(fā)生器組件、修改組件以及控制器組件。

圖4示出示例SMAT系統(tǒng)的非限制性示意框圖，該示例SMAT系統(tǒng)包括陽(yáng)極化組件、加熱組件、腔室組件、超聲波發(fā)生器組件、修改組件以及控制器組件。

圖5示出使用SMAT摻雜材料的表面的非限制性示例方法。

圖6示出使用SMAT摻雜材料的表面的非限制性示例方法。

圖7示出使用SMAT摻雜材料的表面的非限制性示例方法。

圖8示出使用SMAT摻雜材料的表面的非限制性示例方法。

圖9示出使用SMAT摻雜材料的表面的非限制性示例方法。

圖10示出使用SMAT摻雜材料的表面的非限制性示例方法。

具體實(shí)施方式

在以下說(shuō)明中，闡明了眾多的具體細(xì)節(jié)，以對(duì)于各個(gè)實(shí)施例提供透徹的理解。然而，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本文描述的技術(shù)能夠在不使 用一個(gè)或多個(gè)具體細(xì)節(jié)的情況下得以實(shí)施，或者能夠利用其它方法、組件、材料等來(lái)實(shí)施。在其它例子中，并未具體示出或描述熟知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，以避免使特定方案不清晰。

本說(shuō)明書中提及的“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”表示結(jié)合實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，本說(shuō)明書中各地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在一個(gè)方案中”或“在一實(shí)施例中”不一定全部涉及相同的實(shí)施例。而且，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以按照任何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合。

如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“組件”、“系統(tǒng)”、“接口”等，意圖指具有由電路或電子電路所操作的機(jī)械部件提供的特定功能的設(shè)備；該電路或電子電路能夠被一個(gè)或多個(gè)處理器所執(zhí)行的軟件應(yīng)用或固件應(yīng)用操作；該一個(gè)或多個(gè)處理器能夠位于該設(shè)備的內(nèi)部或外部并能夠執(zhí)行軟件應(yīng)用或固件應(yīng)用的至少一部分。作為再一個(gè)示例，組件可以是通過(guò)無(wú)機(jī)械部件的電子組件提供特定功能的設(shè)備；該電子組件中能夠包括一個(gè)或多個(gè)處理器以執(zhí)行至少部分給出電子組件的功能的軟件和/或固件。在一方案中，組件能夠經(jīng)由虛擬機(jī)例如在云計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)仿真電子組件。

本文使用詞語(yǔ)“示例性的”和/或“說(shuō)明性的”意思是作為示例、例子或例證。為免生疑問(wèn)，本文公開的主題不限于這種示例。另外，本文描述為“示例性的”和/或“說(shuō)明性的”的任何方案或設(shè)計(jì)不一定被解釋為其相對(duì)于其它方案或設(shè)計(jì)是優(yōu)選的或有利的，也不意味著將本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的等同的示例性結(jié)構(gòu)和技術(shù)排除。而且，在這個(gè)意義上，在詳細(xì)的描述中或在權(quán)利要求書中使用術(shù)語(yǔ)“包括”、“具有”、“含有”和其它類似的詞語(yǔ)，以與作為開放性承接詞的術(shù)語(yǔ)“包含”類似的方式，這種術(shù)語(yǔ)旨在是包容性的，而不排除任何額外或其它的元件。

作為本文提出的各個(gè)實(shí)施例的概述，為了糾正現(xiàn)有SMAT工藝的上述不足和其它缺點(diǎn)，本文描述各個(gè)實(shí)施例以經(jīng)由所公開的SMAT方法來(lái)促進(jìn)諸如薄膜或納米材料等脆性和精細(xì)材料的表面上的摻雜、功能化或產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)變。所公開的SMAT系統(tǒng)和方法描述功能性的SMAT工藝以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面的定制的結(jié)構(gòu)修改。例如，所公開的SMAT系統(tǒng)和方法促進(jìn)SMAT參數(shù)的更改和微調(diào)以在材料的表面上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，該缺陷的范圍能夠從極度缺 陷(處于毫米至亞毫米范圍的缺陷)到非常小的缺陷(沿以微米至亞微米范圍觀察到的晶格面施加結(jié)構(gòu)應(yīng)變)。

常規(guī)SMAT工藝是機(jī)械技術(shù)，不能為在非常微細(xì)范圍內(nèi)的精細(xì)材料的表面上產(chǎn)生應(yīng)變提供條件或工藝。所公開的SMAT方法能夠在體材料的表面產(chǎn)生應(yīng)變，而不影響體材料較深的層。而且，SMAT對(duì)材料表面引入了增強(qiáng)材料的性能和特性的缺陷、變形以及改性。例如，SMAT方法能夠在目標(biāo)材料的表面層引入缺陷并產(chǎn)生晶格應(yīng)變，從而功能化并增強(qiáng)表面層的電荷捕獲性能。這些改善能夠增強(qiáng)材料執(zhí)行具體功能的能力，諸如光催化，其是一系列應(yīng)用要求的核心功能，這些應(yīng)用包括，但不限于：太陽(yáng)能電池、基于太陽(yáng)能的供水消毒裝置、自身滅菌基于光催化的涂層、各種水分解技術(shù)以及超級(jí)電容器技術(shù)。因此，所公開的主題描述了SMAT工藝以及使用SMAT在精細(xì)材料的表面上產(chǎn)生應(yīng)變和缺陷以及改善這些材料的功能的有利影響。

現(xiàn)在參照?qǐng)D1A，示出了示例SMAT系統(tǒng)100A的示意圖。在一個(gè)方案中，系統(tǒng)100A采用：陽(yáng)極化組件110，使電流通過(guò)材料的表面以使該材料的表面陽(yáng)極化；加熱組件120，向該材料的表面施加根據(jù)定義溫度的熱量；以及腔室組件130，包括材料容置部132、容器部134以及超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140，其中材料容置部132被連接至腔室組件130的頂棚并且材料容置部132固定該材料，其中該材料的表面面向腔室組件130的底板，其中容器部134被連接至腔室組件130的底板，其中容器部134包括一組球，其中超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140被連接至容器部134，其中超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140包括將功率流轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的發(fā)電機(jī)組件146、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成振蕩波的轉(zhuǎn)換器組件144以及發(fā)出與振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振蕩波的變幅桿組件142，其中振蕩波沖擊該組球，導(dǎo)致該組球分散散布，并且其中該組球以定義速度與該材料的表面碰撞。

SMAT系統(tǒng)100A描述了材料表面的SMAT，其中該材料能夠是任何類型的材料。該材料能夠在性能、物理成分、尺寸以及形狀上發(fā)生變化。例如，該材料能夠是薄膜材料、納米材料、電荷捕獲材料、納米結(jié)構(gòu)材料或金屬氧化物材料。該材料能夠是以特定方式處理的材料(諸如陽(yáng)極化材料等)。例如，該材料能夠是經(jīng)由常規(guī)工藝從使金屬基板陽(yáng)極化得到的陽(yáng)極氧化物材料。陽(yáng)極化材料也能夠包括在金屬基板上生長(zhǎng)的氧化物納米管的表面層。同 樣地，在一個(gè)方案中，陽(yáng)極化組件110能夠使用許多陽(yáng)極化工藝使該材料的表面陽(yáng)極化，這些工藝包括，但不限于，硫酸陽(yáng)極化工藝、草酸陽(yáng)極化處理、磷酸陽(yáng)極化處理以及其它此類工藝。在一個(gè)方案中，陽(yáng)極化組件110能夠進(jìn)行其它處理技術(shù)(替代陽(yáng)極化)以使該材料結(jié)構(gòu)化。例如，陽(yáng)極化組件110能夠進(jìn)行材料的物理氣相沉積處理以在該材料上沉積薄膜。在另一個(gè)方案中，陽(yáng)極化組件110能夠使用一系列涂布技術(shù)涂布材料，這些技術(shù)包括，但不限于，蒸發(fā)沉積、脈沖激光沉積、濺射淀積、陰極電弧沉積以及其它此類涂布工藝。

在另一個(gè)方案中，系統(tǒng)100A能夠采用向該材料或陽(yáng)極化材料施加熱量的加熱組件120。在一個(gè)方案中，向該材料施加熱量能夠更改該材料或陽(yáng)極化材料的物理或化學(xué)性能。在該材料被陽(yáng)極化之前、在該材料被陽(yáng)極化之后或甚至不使該材料陽(yáng)極化的情況下，能夠?qū)崽幚響?yīng)用于該材料。用熱量進(jìn)行處理能夠通過(guò)在材料表面上誘發(fā)晶體結(jié)構(gòu)的形成而影響該材料，從而提高該材料的電化學(xué)性能。在一個(gè)方案中，該材料在陽(yáng)極化之前的熱處理能夠減慢在陽(yáng)極化期間膜厚度的生長(zhǎng)。在另一個(gè)方案中，加熱組件120能夠向該材料或陽(yáng)極化材料應(yīng)用任何類型的熱處理技術(shù)，這些技術(shù)包括退火、表面硬化、沉淀強(qiáng)化、回火或淬火。而且，向該材料的表面施加的熱量能夠被調(diào)節(jié)到定義溫度以帶來(lái)各材料的定制特性。

在又一個(gè)方案中，系統(tǒng)100A能夠采用包括材料容置部132、容器部134以及超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140的腔室組件130。參見圖1B，示出了系統(tǒng)100B的非限制性實(shí)施例，系統(tǒng)100B示出了非限制性實(shí)施例中的腔室組件130和超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140。腔室組件130是包含與SMAT相關(guān)的元件的外殼。該腔室能夠采取一系列形狀，諸如圓柱形、立方體形、圓錐體形、球形、金字塔形、長(zhǎng)方體形、三棱柱形、六角柱形、半球形、十二面體形、不規(guī)則三維形狀、平頂三維形狀或其它預(yù)定的三維形狀。在一實(shí)施例中，該腔室能夠采取包括長(zhǎng)度、寬度、高度以及體積的矩形的形狀。在一個(gè)方案中，腔室組件130能夠是包括底板、頂棚和四個(gè)側(cè)壁的矩形平行六面體。在一個(gè)方案中，材料容置部132被連接至矩形平行六面體的頂棚，其中容置部132將該材料固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，使得該材料的表面面向腔室組件130的底板。

而且，在一個(gè)方案中，該腔室的底板被連接至包括一組球的容器部134。 在一個(gè)方案中，該組球能夠由各種材料組成，諸如金屬(例如，鋼、鉻、鋁等)、不銹鋼、燧石、鎢、橡膠、玻璃、陶瓷或塑料。而且，該組球能夠被涂布有專門的工程材料或由其組成，該材料用在樣品上的沉積中。在另一個(gè)方案中，這些球能夠在尺寸和形狀(例如，球形的球、月食形(eclipse)的球、圓柱形的球、球錐體等)上發(fā)生變化。該組球被用作通過(guò)沖擊材料表面促進(jìn)材料的摻雜的工具。該組球被容納在容器部134中，并且容器部134被連接至超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140。

在一個(gè)方案中，超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140包括將功率流轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的發(fā)電機(jī)組件146、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成振蕩波的轉(zhuǎn)換器組件144以及發(fā)出與振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振蕩波的變幅桿組件142。超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140包括各種元件，諸如電源(例如，發(fā)電機(jī)組件146)、轉(zhuǎn)換器(例如，轉(zhuǎn)換器組件144)、增壓器以及變幅桿(例如，變幅桿組件142)等。在一個(gè)方案中，發(fā)電機(jī)組件146將電能流轉(zhuǎn)換成更高能量的電信號(hào)。例如，電源能夠提供測(cè)量為40-60赫茲(Hz)的電力并且將該電力轉(zhuǎn)換成測(cè)量為10-50千赫(kHz)的電能。在另一個(gè)方案中，發(fā)電機(jī)組件146能夠?qū)⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換成電能。

超聲波發(fā)生器組件140的另一個(gè)元件能夠是轉(zhuǎn)換器組件144，轉(zhuǎn)換器組件144將來(lái)自電源的電能(例如，發(fā)電機(jī)組件146產(chǎn)生的電能)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)。轉(zhuǎn)換器組件144能夠包括響應(yīng)來(lái)自電能(例如，來(lái)源于發(fā)電機(jī)組件146)的刺激以諧振頻率膨脹和收縮的材料(例如，鋯鈦酸鉛材料)。在另一個(gè)方案中，超聲波發(fā)生器組件140包括將機(jī)械振動(dòng)能量從轉(zhuǎn)換器組件144傳遞到外部環(huán)境的變幅桿組件142(例如，超聲波變幅桿)。當(dāng)超聲波變幅桿組件142以諧振頻率發(fā)出振動(dòng)(例如，從變幅桿和機(jī)械振動(dòng)能量的特性得到的頻率)時(shí)，變幅桿的兩端沿相反的方向延長(zhǎng)和縮短。從變幅桿發(fā)出的振動(dòng)波的振幅能夠基于變幅桿的材料成分、變幅桿組裝的類型(例如，形成超聲波發(fā)生器組件140的焊接變幅桿配件或用樁固定的(staked)組件配件)以及變幅桿的形狀而變化。

當(dāng)變幅桿142發(fā)出與振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)或振蕩波時(shí)，振蕩波沖擊該組球，導(dǎo)致該組球散布在腔室組件130內(nèi)。在一個(gè)方案中，材料容置部132被連接至腔室組件130的頂棚并且材料容置部132將該材料固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫沟迷摬牧系谋砻婷嫦蚯皇医M件130的底板。而且，散布的該組球以定 義速度與該材料的表面碰撞，并且這種碰撞沖擊該材料的靜止(例如，被材料容置部132固定住的)表面，從而在該材料的表面上摻雜并產(chǎn)生缺陷。該組球與該材料的表面的沖擊產(chǎn)生改善該材料的功能的應(yīng)變(諸如晶格應(yīng)變等)。而且，在一個(gè)方案中，該材料的表面的摻雜能夠基于系統(tǒng)100A條件或特征的調(diào)節(jié)而被調(diào)整和定制。

例如，腔室的形狀或腔室的尺寸能夠被調(diào)節(jié)以產(chǎn)生容置系統(tǒng)100A組件的較小的、較大的或變化的物理環(huán)境。在一個(gè)方案中，如果腔室組件130是球形，與在長(zhǎng)方體形腔室組件130中產(chǎn)生的沖擊的角度和速度相比，該組球沖擊材料表面的角度和速度能夠變化。在另一個(gè)方案中，該組球的材料成分結(jié)合振蕩波的振動(dòng)頻率能夠影響系統(tǒng)100A條件，諸如該組球的質(zhì)量、該組球與該材料的表面碰撞的速率、該組球移動(dòng)的速度等。在一個(gè)方案中，系統(tǒng)100A能夠以較低的功率應(yīng)用SMAT，其能夠按比例縮小以在薄膜和其它脆性材料的表面處轉(zhuǎn)變晶格形成和晶體取向。

而且，在一個(gè)方案中，該組球能夠被涂布使得該組球用作功能結(jié)構(gòu)的載體以使該材料的表面功能化。例如，該組球能夠被涂布有用于摻雜該材料的表面的活性金屬(諸如Fe、W、V或Cr)。這些活性金屬能夠經(jīng)由SMAT工藝將光催化性能灌輸至該材料的表面。在另一個(gè)例子中，光催化非金屬能夠被涂布在該組球上，用于摻雜該材料的表面，此類非金屬包括N、P或S。而且，在一個(gè)方案中，加熱組件120能夠向材料表面應(yīng)用熱處理(以較低的溫度，這是由于SMAT處理利用了涂布)，其能夠?qū)⒊练e的材料(例如，金屬、非金屬等)吸收貫穿該材料的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)方案中，所公開的SMAT摻雜工藝能夠在納米材料的表面上產(chǎn)生功能材料表面。在一實(shí)施例中，SMAT工藝能夠在材料表面中產(chǎn)生增加的應(yīng)變以及摻雜劑(例如，如鐵)的包含。

該工藝的好處包括通過(guò)實(shí)現(xiàn)諸如球速度(例如，能夠?qū)崿F(xiàn)使該組球散布的低速度)、沖擊力(例如，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)100A的條件來(lái)調(diào)整這些球沖擊該材料的表面的力)等工藝參數(shù)而在脆性和精細(xì)材料的表面上施加應(yīng)變以及控制該組球的分散速度的能力。作為實(shí)際好處，與超凈間和十分復(fù)雜的控制系統(tǒng)以及真空裝置的需求截然相反，實(shí)施處理脆性材料和薄膜材料的SMAT方法僅要求周圍條件。而且，該工藝能夠以較大的規(guī)模實(shí)施從而以高均勻性來(lái)制造薄膜材料(具有表面摻雜劑)，其進(jìn)一步有益于材料供應(yīng)商力 圖開發(fā)與具有摻雜表面的精細(xì)材料(例如，展現(xiàn)了光催化特性)的大量生產(chǎn)相關(guān)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。在另一個(gè)方案中，系統(tǒng)100A能夠提供從二維或三維模型(諸如絲管式(wire and tube)技術(shù)模型)得到的定制材料結(jié)構(gòu)。因此，系統(tǒng)100A能夠被應(yīng)用于大范圍的基板膜材料，因此是多用途的工藝。

為了強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)100A對(duì)于材料表面的好處，系統(tǒng)100A被實(shí)施以有效地從陽(yáng)極化的Ti基板產(chǎn)生功能性的TiO₂。實(shí)施系統(tǒng)100A的結(jié)果是已經(jīng)顯示出功能TiO₂展示出了以下性能：與一般產(chǎn)生的光敏陽(yáng)極TiO₂相比光催化活性增大；已經(jīng)被成功摻雜鐵的TiO₂；與由陽(yáng)極產(chǎn)生的TiO₂的一般光敏樣品所實(shí)現(xiàn)的帶隙相比，帶隙減小(例如，在該材料的表面誘發(fā)應(yīng)變的系統(tǒng)100A的工藝中展示出，還在該材料的表面誘發(fā)應(yīng)變和功能化的系統(tǒng)100A的工藝中展示出)；以及與一般產(chǎn)生的光敏陽(yáng)極TiO₂相比，使用系統(tǒng)100A產(chǎn)生的TiO₂分解水分子的的能力得到改善。在另一個(gè)方案中，系統(tǒng)100A在材料表面產(chǎn)生提供有效的抗菌性能的TiO₂時(shí)是有效的。而且，在一個(gè)方案中，系統(tǒng)100A在產(chǎn)生TiO₂時(shí)是有效的，其能夠改善超級(jí)電容器電極的功能。系統(tǒng)100A產(chǎn)生的TiO₂的另一個(gè)有益用途是產(chǎn)生能夠減少工業(yè)染料的功能性TiO₂。

現(xiàn)在參見圖2，示出了示例非限制性系統(tǒng)200的示意圖，系統(tǒng)200還包括調(diào)節(jié)腔室形狀的維度以實(shí)現(xiàn)定義速度的修改組件210。在一個(gè)方案中，腔室組件130能夠采取如上所述的各種類型形狀的形式。各種腔室形狀能夠影響該組球與該材料的表面碰撞的速度。在一個(gè)方案中，該組球能夠基于腔室組件130的形狀和維度以不同角度和不同速度彈離壁。而且，該組球與該材料的表面之間的沖擊力和沖擊速度也能夠受到此類腔室形狀的修改(例如，使用修改組件210)的影響。而且，影響這些球的速度以及所導(dǎo)致的與該材料的表面的碰撞的能力導(dǎo)致表面功能化的定制、誘發(fā)的表面應(yīng)變、受影響的晶格結(jié)構(gòu)以及理想的表面摻雜。

現(xiàn)在參見圖3，示出了示例非限制性系統(tǒng)300的示意圖，系統(tǒng)300還包括分別將振動(dòng)頻率或功率流調(diào)整為相應(yīng)頻率水平或功率水平的控制器組件310。在一個(gè)方案中，超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140包括將功率流轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的發(fā)電機(jī)組件146、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成振蕩波的轉(zhuǎn)換器組件144以及發(fā)出與振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振蕩波的變幅桿組件142。從而，該振動(dòng)頻率誘發(fā)該組球以定義速度的移動(dòng)、散布的形成以及分散的水平(以及分散的速度)。在一個(gè) 方案中，控制器組件310允許通過(guò)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器組件140的元件來(lái)調(diào)整振動(dòng)頻率。

例如，控制器組件310能夠向發(fā)電機(jī)組件146輸出信號(hào)以控制向轉(zhuǎn)換器組件144發(fā)送的功率的頻率水平。而且，在一個(gè)方案中，控制器組件310能夠控制轉(zhuǎn)換器組件144將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成振蕩波所利用的轉(zhuǎn)換規(guī)模。而且，控制器組件310能夠?qū)⑿盘?hào)發(fā)送到發(fā)電機(jī)組件146以觸發(fā)警報(bào)、中斷電信號(hào)的發(fā)送或調(diào)節(jié)輸出到轉(zhuǎn)換器組件144的功率。在另一個(gè)方案中，控制器組件310能夠基于超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140的實(shí)施例對(duì)由超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140發(fā)出或轉(zhuǎn)換的振動(dòng)頻率或功率水平分別具有變化的影響。

在一個(gè)方案中，超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140的變幅桿組件142能夠是任何類型的超聲波變幅桿，諸如鐘形變幅桿、桿形變幅桿、懸鏈曲面切割變幅桿(catenoidal cutting horn)、復(fù)合超聲波變幅桿、指數(shù)形變幅桿、插入式變幅桿、圓形超聲波變幅桿、調(diào)整的螺栓型(bolt-style)變幅桿、真空變幅桿、十字形變幅桿、波形變幅桿、焊接變幅桿、elbert變幅桿、增壓器變幅桿、全波變幅桿、旋轉(zhuǎn)變幅桿、換衡器(balun)變幅桿、側(cè)傾斜變幅桿、端部?jī)A斜變幅桿或環(huán)形槽變幅桿。每一個(gè)變幅桿能夠影響以不同方式發(fā)出的振動(dòng)頻率。例如，通過(guò)改變變幅桿的質(zhì)量比或通過(guò)更改變幅桿接收的信號(hào)的輸入振幅，變幅桿發(fā)出的振動(dòng)波的振幅能夠被增大或減小。而且，變幅桿振幅也能夠基于變幅桿幾何形狀、變幅桿設(shè)計(jì)以及變幅桿的材料成分而變化。因此，控制器組件310能夠基于包括超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140的多個(gè)組件(例如，變幅桿組件142)影響超聲波振動(dòng)發(fā)生器組件140發(fā)出的振動(dòng)頻率。

現(xiàn)在參見圖4，示出了示例非限制性系統(tǒng)400的示意圖，系統(tǒng)400還包括調(diào)節(jié)腔室組件130內(nèi)的大氣條件的大氣組件410，其中大氣條件包括溫度、壓力、氣候或大氣化學(xué)成分的至少之一。在一個(gè)方案中，腔室組件130內(nèi)的條件能夠被調(diào)節(jié)(例如，使用大氣組件410)以影響材料表面的SMAT。在一例子中，大氣組件410能夠調(diào)節(jié)腔室組件130內(nèi)的溫度、濕度、壓力水平、氣流、大氣成分以及光發(fā)射。通過(guò)調(diào)節(jié)腔室組件130內(nèi)的大氣和環(huán)境條件，大氣組件410能夠影響腔室組件130內(nèi)的SMAT工藝。例如，材料表面的功能化或摻雜可以基于進(jìn)入腔室組件130的光的多少被增強(qiáng)或減弱。此外，在一個(gè)方案中，對(duì)于腔室組件130內(nèi)的壓力水平的調(diào)節(jié)能夠影響特定例子中該 組球與材料表面之間的沖擊力。額外地，取決于材料的類型和成分，通過(guò)調(diào)節(jié)腔室組件130內(nèi)的溫度條件，化學(xué)或物理性能可能發(fā)生改變。因此，大氣組件410進(jìn)一步促進(jìn)SMAT工藝的定制以及其對(duì)各種材料的功能化或摻雜的影響。

現(xiàn)在參見圖5-圖10，示出了根據(jù)本公開文本的某些方案的方法或流程圖。盡管為了解釋起來(lái)簡(jiǎn)便，所公開的方法被示出并描述為一系列的動(dòng)作，然而所公開的主題不限于動(dòng)作的順序，因?yàn)橐恍﹦?dòng)作可以以不同順序出現(xiàn)和/或與本文示出并描述的其它動(dòng)作同時(shí)出現(xiàn)。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解并認(rèn)識(shí)到方法能夠被可選擇地表示為一系列相關(guān)狀態(tài)或多個(gè)事件，諸如在狀態(tài)圖中。而且，根據(jù)公開主題，并不是所有示出的動(dòng)作對(duì)于實(shí)施方法都是必需的。

現(xiàn)在參見圖5，展示了根據(jù)實(shí)施例的本說(shuō)明書中公開的各種材料的表面上的SMAT的方法500的非限制性示例的流程圖。在框502，在材料的表面上產(chǎn)生多孔納米結(jié)構(gòu)。在框504，將表面機(jī)械研磨處理(SMAT)應(yīng)用于該材料的表面。在框506，SMAT包括在該材料的表面與超聲波變幅桿之間布置球，超聲波變幅桿被連接至超聲波換能器，超聲波換能器配置成將電信號(hào)轉(zhuǎn)換(例如，使用轉(zhuǎn)換器組件144)成振蕩波，其中超聲波變幅桿被配置為發(fā)出(例如，使用變幅桿組件142)振蕩波。在框508，SMAT還包括通過(guò)超聲波變幅桿發(fā)出(例如，使用變幅桿組件142)表示頻率水平的振蕩波。在框510，SMAT還包括基于振蕩波與球之間的接觸誘發(fā)球的移動(dòng)。在框512，SMAT還包括基于誘發(fā)的球的移動(dòng)使球與該材料的表面碰撞，其中該碰撞將該材料的表面更改為包括材料應(yīng)變、表面變形、貫穿該材料的壓縮應(yīng)力或表面的壓痕中的至少之一。

現(xiàn)在參照?qǐng)D6，展示了根據(jù)實(shí)施例的本說(shuō)明書中公開的各種材料的表面上的SMAT的方法600的非限制性示例的流程圖。在框602，在材料的表面上產(chǎn)生多孔納米結(jié)構(gòu)。在框604，將表面機(jī)械研磨處理(SMAT)應(yīng)用于該材料的表面。在框606，SMAT包括在該材料的表面與超聲波變幅桿之間布置球，超聲波變幅桿被連接至超聲波換能器，超聲波換能器配置成將電信號(hào)轉(zhuǎn)換(例如，使用轉(zhuǎn)換器組件144)成振蕩波，其中超聲波變幅桿被配置成發(fā)出(例如，使用變幅桿組件142)振蕩波。在框608，SMAT還包括通過(guò) 超聲波變幅桿發(fā)出(例如，使用變幅桿組件142)表示頻率水平的振蕩波。在框610，SMAT還包括基于振蕩波與球之間的接觸誘發(fā)球的移動(dòng)。在框612，SMAT還包括基于誘發(fā)的球的移動(dòng)使球與該材料的表面碰撞，其中該碰撞將該材料的表面更改為包括材料應(yīng)變、表面變形、貫穿該材料的壓縮應(yīng)力或表面的壓痕中的至少之一。在框614，SMAT還包括調(diào)整與碰撞對(duì)應(yīng)的沖擊水平(例如，控制器組件310)，其中該沖擊水平基于與誘發(fā)的移動(dòng)相關(guān)的能量水平以及與碰撞相關(guān)的功率水平。

現(xiàn)在參照?qǐng)D7，展示了根據(jù)實(shí)施例的本說(shuō)明書中公開的各種材料的表面上的SMAT的方法700的非限制性示例的流程圖。在框702，將材料的表面修改為改性表面并且從初始狀態(tài)修改為改性狀態(tài)，其中該改性狀態(tài)包括物理改性、化學(xué)改性或生物改性。在框704，在定義持續(xù)時(shí)間將表面機(jī)械研磨處理應(yīng)用于該材料的改性表面，其中與SMAT相關(guān)的條件基于該材料的結(jié)構(gòu)組成被調(diào)節(jié)。在框706，基于SMAT將定義應(yīng)變施加在該材料的結(jié)構(gòu)組成上。

現(xiàn)在參照?qǐng)D8，展示了根據(jù)實(shí)施例的本說(shuō)明書中公開的各種材料的表面上的SMAT的方法800的非限制性示例的流程圖。在框802，將材料的表面修改為改性表面并且從初始狀態(tài)修改為改性狀態(tài)，其中該改性狀態(tài)包括物理改性、化學(xué)改性或生物改性。在框804，在定義持續(xù)時(shí)間將表面機(jī)械研磨處理(SMAT)應(yīng)用于該材料的改性表面，其中與SMAT相關(guān)的條件基于該材料的結(jié)構(gòu)組成被調(diào)節(jié)。在框806，基于SMAT將定義應(yīng)變施加在該材料的結(jié)構(gòu)組成上。在框808，與定義持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的時(shí)間段產(chǎn)生該材料的表面的相應(yīng)水平的摻雜。

現(xiàn)在參照?qǐng)D9，展示了根據(jù)實(shí)施例的本說(shuō)明書中公開的各種材料的表面上的SMAT的方法900的非限制性示例的流程圖。在框902，將材料的表面層功能化，其中該材料包括表面層和基板層。在框904，將該材料固定(affixed)在包括容器的腔室中，該容器包括一組球和超聲波振動(dòng)力。在框906，將超聲波振動(dòng)力施加至該組球。在框908，使該組球與該材料的表面層碰撞。在框910，基于該碰撞在該材料的表面層上產(chǎn)生缺陷并且產(chǎn)生基本上貫穿該材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)變。

現(xiàn)在參照?qǐng)D10，展示了根據(jù)實(shí)施例的本說(shuō)明書中公開的各種材料的表面上的SMAT的方法1000的非限制性示例的流程圖。在框1002，將材料的表 面層功能化，其中該材料包括表面層和基板層。在框1004，將該材料固定在包括容器的腔室中，該容器包括一組球和超聲波振動(dòng)力。在框1006，將超聲波振動(dòng)力施加至該組球。在框1008，該組球涂布有能夠基于該組球與該材料的表面層之間的碰撞將該材料的表面層功能化的第一材料。在框1010，該組球與該材料的表面層碰撞。

鑒于上述示例性系統(tǒng)和方法，可以根據(jù)描述的主題實(shí)施的方法將參考各附圖的流程圖被更好地理解。盡管為了解釋起來(lái)簡(jiǎn)便，方法被示出并描述為一系列的方框，將理解并認(rèn)識(shí)到要求保護(hù)的主題不限于這些方框的順序，例如，一些方框可以以不同順序出現(xiàn)和/或與本公開文本示描寫并描述的其它方框同時(shí)出現(xiàn)。非時(shí)序或分支的流程經(jīng)由流程圖被示出，能夠認(rèn)識(shí)到這些方框的各種其它分支、流程路徑以及順序可以被實(shí)施，其實(shí)現(xiàn)相同或類似的結(jié)果。而且，并不是所有示出的方框?qū)τ趯?shí)施下文描述的方法都是必需的。

除了本公開文本中描述的各個(gè)實(shí)施例，應(yīng)理解其它類似的實(shí)施例能夠被使用，或能夠?qū)τ诿枋龅膶?shí)施例作出用于執(zhí)行相應(yīng)實(shí)施例的相同或等效功能的修改和添加，而不從其偏離。因此，該發(fā)明不限于任何單個(gè)實(shí)施例，而是能夠根據(jù)所附權(quán)利要求在廣度、精神和范圍中被理解。

另外，術(shù)語(yǔ)“或”意圖表示包容性的“或”而不是排它性的“或”。即，除非另有規(guī)定或從上下文清楚看出，否則“X采用A或B”意圖表示自然包容性排列的任何一種。即，如果X采用A，X采用B或X采用A和B，則在前述例子的任何一種條件下滿足“X采用A或B”。而且，主題說(shuō)明書和附圖中使用的冠詞“一”和“一個(gè)”通常應(yīng)當(dāng)被理解為表示“一個(gè)或多個(gè)”，除非另有規(guī)定或從上下文清楚看出其是指單數(shù)形成。

上文所描述的包括提供創(chuàng)新主題的優(yōu)點(diǎn)的系統(tǒng)和方法的示例。當(dāng)然，為了描述要求保護(hù)的主題，對(duì)多個(gè)組件或多個(gè)方法的每種可能的組合的描述是不可能的，然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到本文描述的各個(gè)實(shí)施例的另外的組合和排列是可能的。而且，在這個(gè)意義上，在詳細(xì)的描述、權(quán)利要求書、附件和附圖中使用術(shù)語(yǔ)“包括”、“具有”、“含有”等，當(dāng)在權(quán)利要求中用作承接詞來(lái)解釋“包含”時(shí)，以與“包含”類似的方式，這些術(shù)語(yǔ)旨在是包容性的。