随着表面工程技术、新型材料及先进制造技术的快速发展,近几十年来发展起来的表面功能结构制造已成为新兴学科交叉研究的重要领域。表面功能结构制造最重要的发展趋势是按功能需求主动设计结构表面,并根据结构形状进行快速制造。结合数字化设计、先进材料与制造工艺方法的增材制造技术具有高灵活性、小批量低成本、原理简单等优点,已成为先进制造领域的重要研究热点。纳米尺度材料与加工技术相结合,通过特定加工技术、组装方法进行表面微/纳结构制备,可使表面性能进一步得到强化、改性及赋予新效应与新功能,表现出了有别于单一宏观表面功能结构的特殊效应。本文提出了一种空气环境下的激光选区熔化铜纳米颗粒增材制造成形表面功能结构的方法,并根据功能要求主动设计表面结构,利用逐层叠加原理实现“自下而上(Bottom-to-Up)”的表面功能结构一体化制造,为柔性化、高效、高稳定、多尺度及复合表面功能结构制造提供重要技术手段。激光选区熔化(SLM)铜纳米颗粒制造表面功能结构技术研究是利用激光逐层选择性局部扫描单层图形作业区域,在醇类有机溶液和有机聚合物共同作用下,实现空气环境下金属铜材料的增材制造成形。根据醇类和金属氧化物之间的反应关系,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及其热分解衍生物与铜纳米颗粒之间的反应,通过DSC/TG等实验手段分析醇类、铜纳米颗粒和PVP之间的反应原理,提出激光作为热源,铜纳米颗粒、PVP和醇类作为原材料的空气环境下金属铜熔化成形方法。根据提出的激光熔化铜纳米颗粒成形方法的原理,利用流体的能量、动量及质量守恒控制方程,建立激光热作用铜纳米分散液的热-流-固耦合数学模型,通过该模型仿真分析纳米颗粒受激光热作用发生熔化融合的过程。结合激光与铜纳米分散液作用过程中的自然对流、界面张力和马兰戈尼效应(Marangoni effect),分析还原性溶剂沸腾对分散液流动状态的影响和重力及表面张力对颗粒熔化融合过程的作用。利用蒙特卡洛方法,建立激光在铜纳米分散液中的分布及热源模型,在此基础上基于相变过程能量变化规律、质量守恒及质量流等效原理,建立激光熔化铜纳米颗粒成形的连续模型,利用该模型对SLM铜纳米颗粒增材成形轮廓的演变规律进行仿真分析。利用纳米颗粒形态等效模型,分析纳米颗粒在成形轮廓表面的附着现象,并通过试验验证仿真结果的有效性。根据铜纳米分散液的流动特性及其与基底材料的润湿特性,建立涂铺刀涂铺模型,并确定其稳定涂铺条件,在此基础上研制SLM铜纳米颗粒增材制造成形试验装置。利用该装置开展SLM铜纳米颗粒单道工艺试验研究,并明确SLM铜纳米颗粒增材制造单道成形工艺参数窗。利用Plateau–Rayleigh流动失稳准则,分析单道轨迹成球原因,并提出抑制措施。通过不锈钢基底单层平面激光熔化铜纳米颗粒成形工艺试验,研究扫描线间距、扫描填充方式对单层成形平面高度的影响,确定合理单层平面成形工艺参数。在单层平面成形工艺基础上进行双层平面工艺试验研究,得到双层平面成形合理工艺参数。利用SLM铜纳米颗粒增材制造成形方法分别制造具有微/纳二级结构的疏水/超疏水表面功能结构和减摩表面微织构。建立网格表面微/纳结构的静态接触角模型,分析了具有微/纳二级结构网格表面的疏水性能。利用SLM铜纳米颗粒增材制造成形的微/纳二级结构网格表面的最大静态接触角可达约为160°。依据流体准稳态Reynolds方程,分析不同凸型减摩微织构的面积比和几何结构对流体动压增压特性及其减摩特性的影响。通过液体润滑摩擦试验,研究SLM铜纳米颗粒增材制造成形表面微织构的液体润滑状态及其减摩性能。试验表明了SLM铜纳米颗粒增材制造的凸型表面微织构,可实现流体动压润滑减摩。采用SLM铜纳米颗粒增材制造成形的方环形微织构(微织构单元面积比S_p=0.28,内径特征尺寸与微织构单元尺寸比r_i/r_l=0.6),在润滑介质中为航航特航空润滑油4050,相对运动速率0.6m/s和载荷28kPa的工况下,其摩擦系数约为0.062,在相对运动速度890mm/s,接触应力140GPa工况下,表面微织构和减摩铜层共同对减摩产生贡献。