一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法与流程

本发明涉及木材制品表面修饰技术领域，特别涉及一种表面火花放电分形雕刻的方法。

背景技术：

当被导电液体或雕刻液透入的木材制品表面上被施以高电压时，如果发生类似树枝状蔓延发展的表面火花放电，在木材制品表面将留下具分形特点的炭化轨迹，蔓延方向取决于电势梯度方向，去除疏松炭化物后所得细节随机分布的沟槽和裂缝，呈现为类似树枝或珊瑚的随机分形纹理。交变条件下表面火花放电对获取上述分形纹理具较强潜力，原因是交变电压获取容易，较直流电压条件更易引发和维持表面火花放电，不会因电解释放有毒气体，可开发为木材制品表面的分形雕刻工艺，然而交变电压条件下的限制或缺陷限制了工艺开发。

在原理方面，表面火花放电是点状分布的微电弧，微电弧制造很高的温度梯度和电势梯度，交变电压条件下主要发生被雕刻物的化，和透入被雕刻物导电液体的局部剧烈热分解、挥发、沸腾和升华。如果释放气体产物易被电离而导电性较好，放电将转而发生在被雕刻物表层气氛内，闪络放电开始，继而出现正反馈：电弧直接对导电液体放电—导电液体局部暴沸、飞溅和干结而失去导电性—电弧在被雕刻物上扫动—被雕刻物受强热释放可燃气体—被雕刻物在电弧与火焰作用下成片炭化—炭化物温度升高电阻降低—电流通过炭化物—电弧得以向另一个电极方向移动—电弧直接对导电液体放电。即表面火花放电转变为闪络放电的情况且难以逆转，被雕刻物被局部炭化导致工艺失败。

在过程方面，从被导电液体透入的雕刻物上接入高电压，到发生表面火花放电开始蔓延的一小段时间内为启动阶段，其具体过程为：电极附近导电液体因电流密度较大而在电阻热下逐渐浓缩—浓缩处导电液体电阻逐渐升高而发热加剧—该处导电液体干结而形成窄的绝缘壁垒即干燥带—表面火花放电起始于干燥带上场强集中的数个点。然而这些点的温度梯度可达每毫米数百至上千摄氏度，易导致放电点附近导电液体立即飞溅和干结，干结物覆盖电极与附近被雕刻物，电极与导电液体间的干燥带过于迅速的建立，在高电压下出现电极和较远导电液体之间的弧光放电，闪络放电开始，结合上一段可知工艺失败。

可控性方面。当表面火花放电发生自电极处，人为改变电极位置才能改变被雕刻物表面电势梯度方向，从而控制表面火花放电蔓延方向。结合上一段，如果电极之间的待雕刻位置上形成非预期的干燥带，由启动阶段机理可知表面火花放电将在此干燥带上自行发生。由于炭化轨迹具导电性，被雕刻物表面电势分布即被电极之间的炭化轨迹确定，促使表面火花放电直线连通已有炭化轨迹。假设电极为左右布置，则情况为：“电极—向右蔓延的炭化轨迹—空白区域—向左蔓延的炭化轨迹—向右蔓延的炭化轨迹—空白区域—向左蔓延的炭化轨迹—电极”，即表面火花放电蔓延方向不受控，所得炭化轨迹非连续、方向受控性差。该缺陷还可能引发闪络放电，尤其在被雕刻物表面亲水性不均匀的情况下。

由于目前交变电压条件的同类技术方案多是以通过变压器直接升压获取工频交流高压，而放电行为决定放电结果，放电行为取决于因素的综合，即在视觉上炭化轨迹分布呈现形如树枝或丛林等不同样式，即分形纹理样式。基于以上描述，可见目前交变电压条件的同类技术方案还存在下面的问题：

1.因电极间距不能太近以防被雕刻物烧毁和电路故障，工艺精度和被雕刻物尺寸受限，炭化轨迹易被雕刻物纹理影响，人工操作工频高压很危险。

2.实施受限于少数木材，分形纹理样式不可控。

3.所得分形纹理样式可能发生突变、混乱或难以控制。

4.炭化轨迹具负电阻系数，导电时红热、阻抗急剧降低、产热加大，加速红热炭化轨迹附近被雕刻物炭化，使得被雕刻物表面通过的电流随炭化轨迹的积累而升高。某些作为“总线”的主干炭化轨迹承受几乎所有电流热，主干炭化轨迹随炭化物气化变得不连续而在内部引发弧光放电，导致主干炭化轨迹附近被雕刻物受持续强热、内部物质熔出和分解，和导电液体过快干燥，导致增大控制表面火花放电蔓延方向的难度，易引起被雕刻物的变形和开裂。

5.表面火花放电促进附近导电液体的透入，透入深度可达数毫米，含有毒物质的导电液体不适用于餐具，导电液体含p、s元素时气相产物将包含p2o5和so3等有毒物质。

概括性地指出，交变电压条件下表面火花放电和交变电压条件下同类技术方案的主要限制、缺陷与原因是：1.易形成非预期干燥带，或干燥带建立速度太快，表面火花放电蔓延方向与炭化轨迹纹理不可控、难以控制或发生突变；2.低频交变电压下炭化轨迹不能连续蔓延，闪络放电易被引发导致工艺失败；3.表面火花放电、导电液体直接作用于被雕刻物，炭化轨迹纹理取决于被雕刻物性质，不适用于雕刻目的，不利于保护被雕刻物的原本外形与用途。

因此，目前交变电压条件下的同类技术方案仅是现象的呈现，不能作为木材制品表面火花放电分形雕刻方法；所用导电液体仅保证表面火花放电发生，无法看作控制分形纹理样式的特定雕刻液。有必要针对交变电压条件下木材制品表面火花放电分形雕刻工艺进行特定开发。

技术实现要素：

本发明提供一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法，能够令被雕刻物上表面火花放电连续蔓延且方向可控，避免闪络放电对被雕刻物的损坏，保护被雕刻物的原本外形，并解决交变电压条件下用于分形雕刻的表面火花放电的限制或缺陷。通过本发明提供方法所得沟槽是类似树枝或珊瑚的随机分形纹理，所得分形纹理是受控条件下表面火花放电的雕刻结果。本发明提供方法所得分形纹理样式可控，用于木材制品的修饰或木质工艺品的制作。

本发明的目的通过下面的技术措施实现。

一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法，包括以下步骤：

(1)在被雕刻物表面涂覆0.5～1.5g/dm²的间隔剂，经60～110℃干燥；

(2)冷却后涂刷含0.6～2.5mol/l二价金属离子的雕刻液，静置1～40min；

(3)令2个电极被雕刻液浸润后，在2个电极间施加间峰值电压为20～100v的20～60khz交变电压，令2个电极间消耗电功率为0.1～5w，直至表面火花放电启动；

(4)表面火花放电进入蔓延阶段，维持2个电极间20～60khz的交变电压在0.1～1.2kv，令2个电极间消耗电功率为1～150w，控制电极位置以控制表面火花放电蔓延方向进行雕刻，雕刻液液层的量维持在1.0～3.2ml/dm²；

(5)雕刻结束后，清除剩余雕刻液、疏松炭化物和间隔剂；

(6)涂刷沉淀液并在15～55℃下保持10～30min，随后清刷剩余沉淀液后干燥；

雕刻液为以下组分的水溶液并以盐酸酸化至澄清：

①0.6～2.5mol/l二价金属离子ca²⁺、mg²⁺、mn²⁺、co²⁺、ni²⁺、cu²⁺、zn²⁺中的1～2种，二价金属离子来自其氯盐，或氯盐与乙酸盐；当存在ac-时ac-浓度为0.1～0.5mol/l；

②碳酰胺浓度为0.05～0.2mol/l；

③柠檬酸钠浓度为0.01～0.45mol/l；

④edta-4na浓度为0～0.5mol/l；

⑤聚葡萄糖0～5wt.％；

⑥糖醇0.5～5wt.％。

所述间隔剂由分散于水中重量百分比浓度为0.15％～1％wt.淀粉、0.05％～0.8％wt.羧甲基纤维素钠、0.05～1.0％wt.海藻酸钠、0.01％～0.3％wt.普鲁兰多糖组成。

所述糖醇为麦芽糖醇、山梨糖醇、赤藓糖醇和木糖醇中的一种。

所述涂覆间隔剂和涂刷雕刻液，间隔剂涂覆范围大于等于选定雕刻区域或整个被雕刻物表面，雕刻液涂刷于间隔剂涂覆范围内或整个被雕刻物表面。

所述沉淀液中含有0.8～1.5mol/l碳酸钾，以及0.2～0.6mol/l氢氧化钾或硅酸钠。

同时，二价金属选自下面3个分组中的1～2个并受所属分组的浓度制约：

涉及ca²⁺、mn²⁺则雕刻液中ca²⁺、或mn²⁺为0.1～0.7mol/l；

涉及co²⁺、cu²⁺、zn²⁺则雕刻液中co²⁺，或cu²⁺，或zn²⁺为0.1～1.2mol/l；

涉及mg²⁺、ni²⁺则雕刻液中mg²⁺，或ni²⁺为0.5～2mol/l。

下面结合原理说明本发明的具体原理，以及本发明所述表面火花放电分形雕刻的原理和过程，解释技术措施的意义。

本发明所述方法中步骤(1)，、普鲁兰多糖和海藻酸钠起增稠作用以便间隔剂涂覆。间隔剂干燥期间淀粉糊化，降低间隔剂流动性以维持间隔剂的均匀覆盖，间隔剂干燥后在预期雕刻区域表面起到一定的阻隔和填平作用，糊化淀粉、海藻酸钠、普鲁兰多糖保持部分水合状态。

本发明所述方法中步骤(2)涂刷雕刻液后，糊化淀粉、普鲁兰多糖重新得水，一并形成高粘性的间隔层。其中普鲁兰多糖起成膜和屏蔽作用，抑制雕刻液透入被雕刻物表层；羧甲基纤维素钠、海藻酸钠与雕刻液中金属离子交换阳离子后发生不均匀交联而分散能力降低，或成为絮状的不溶物，从而与糊化淀粉一起替代被雕刻区域表面；间隔层的亲水性与阳离子交换过程令雕刻液在间隔层上挂留和维持间隔剂液层的连续性，避免雕刻液受被雕刻物亲水性、密度不均匀的影响，不易在步骤(3)和(4)期间出现非预期的绝缘壁垒。

附图1～2是假设只有一个电极处发生表面火花放电的发展和蔓延，两个电极处发生表面火花放电和蔓延时同理。

在本发明所述方法中步骤(3)中2个电极间施加交变电压时，2个电极间负载等效为电阻，如附图1a所示，某个电极<1>附近雕刻液液层<2>因电流热逐渐浓缩出现干结物<3>，间隔层和雕刻液缩小，临近电极的干燥带<4>在干结物中缓慢形成，表面火花放电<5>出现，干燥带<4>令2电极间等效负载向容性变化。由于含水合物的间隔层难以被干燥，表面火花放电所产生部分热量被消耗在雕刻液和间隔层相关的浓缩和干结等过程上，表面火花放电得以平缓进行，在启动阶段2电极间较低功率的配合下，电极与雕刻液间的干燥带不会过于迅速建立而引发闪络放电。随炭化物<6>形成，具导电性的炭化物中开始有电流通过，启动阶段结束，如附图1b。

在本发明所述方法中步骤(4)期间。由于已形成的炭化物具负电阻系数，红热时电阻较冷态时电阻低2～3个量级(mω至ω级)，炭化轨迹成为电极的延伸，通常表现为一条红热的主干炭化轨迹<7>和少数红热的次级炭化轨迹<8>自电极<1>延伸至带状分布的表面火花放电，表面火花放电发生在炭化物和雕刻液之间的干燥带上，红热的炭化轨迹逐渐向深处炭化并逐渐变宽，新的炭化轨迹在已有的炭化轨迹上延伸并从表面向深处发展。随着雕刻液的浓缩、干结与炭化轨迹延伸不断重复，表现为表面火花放电和炭化轨迹蔓延，如附图1c。由干燥带的建立，期间2电极间负载向容性偏移。

本发明所述方法中步骤(3)和(4)期间，表面火花放电发生于间隔层外的雕刻液与被炭化的间隔层之间，而非被雕刻物表面与雕刻液之间。期间持有水和离子的间隔层降低电流和热量集中程度，也比雕刻物容易炭化而炭化导电；表面火花放电附近雕刻液被浓缩，雕刻液中有机物提高被浓缩雕刻液的黏性，阻止雕刻液放电时飞溅，海藻酸钠及其离子交换后的产物则有较弱的阻燃作用；糖醇的保湿作用抑制表面火花放电附近的雕刻液干结，从而保证雕刻液的导电性，促进炭化轨迹蔓延时电流分散。因而，在2个电极间电压和功率的外部因素限制下，闪络放电的发生与雕刻物表面起火燃烧的问题得到根本的抑制。

本发明所述方法中步骤(3)和(4)期间，被雕刻物表面在火花放电和红热的炭化轨迹作用下温度逐渐升高，被雕刻物表层的可溶性物质在水热环境中溶入雕刻液，同时雕刻液加速透入被雕刻物表层，这样的物质交换受间隔层抑制。抑制物质交换的意义是，由于雕刻液为水剂，如果没有间隔层的存在以抑制雕刻液与被雕刻物表层的物质交换，在本发明所述方法中步骤(5)洗去炭化物后相当于被雕刻物表层物质流失，容易造成被雕刻区域开裂。即便有间隔层的保护，较深的炭化轨迹如主干炭化轨迹的炭化物也通常在mm级深度，在热作用下仍然会导致被雕刻物表层物质损失，为进一步保护被雕刻物，本发明所属方法中步骤(6)以沉淀剂处理被雕刻物，令透入的金属离子以不溶物的形式存留，有限提高炭化轨迹附近的硬度，降低被雕刻物表层密度与内部密度的差异。

本发明所述方法中步骤(4)期间，由不确定因素导致表面火花放电的规模和强烈程度突然下降时，微电弧数量大幅减少(附图2a)，通过微电弧的电能降低，并引发异常过程：表面火花放电释放热量减少—炭化轨迹收缩发生断裂—2电极间等效电阻急剧升高—2个电极间通过的电功率和有功功率比例降低—表面火花放电释放热量减少，表现为炭化轨迹蔓延显著减缓。如2个电极间交变电压频率较低，则可能进一步发生近阴极效应，即质量较大的离子能够在微电弧中移动一段距离，但微电弧两端在交变电压下不能及时移动至另一端而形成离子层，导致炭化物积累速度接近零、炭化轨迹冷却，雕刻液由雕刻物表面余热干燥，干燥带消失，微电弧仅剩数个，如附图2b。本发明所述表面火花放电的异常过程尤其是近阴极效应集中发生在10khz附近，导致分形纹理样式失控，微电弧减少引起的场强集中还可能继而引发闪络放电。异常过程发生后表面火花放电连续不会自行恢复蔓延，只能重新实施本发明所述方法中步骤(3)和(4)。

进一步，在采用较低频率的交变电压且无间隔层存在的情况下，表面火花放电即微电弧的行为取决于雕刻物热分解释放气体，表面火花放电容易受被雕刻物纹理影响。同时频率较低的交变电压也不容易击穿气体，也即电流趋于通过已经形成的微电弧而非形成新的炭化轨迹，与本发明相比，所得炭化轨迹复杂程度较低且耗电量大，也即10khz附近和更低的电压频率存在较多潜在问题。

进一步，在采用较低频率的交变电压且无间隔层存在的情况下，表面火花放电即微电弧的行为取决于雕刻物热分解释放气体，表面火花放电容易受被雕刻物纹理影响。同时频率较低的交变电压也不容易击穿气体，也即电流趋于通过已经形成的微电弧而非形成新的炭化轨迹，与本发明相比，所得炭化轨迹复杂程度较低且耗电量大，也即10khz附近和更低的电压频率存在较多潜在问题。

本发明所述的较高频率条件提供了两个有利因素。首先雕刻液放电后留下固态的绝缘性干结物，干结物被击穿或受附近微电弧加热而部分电离成为干燥带间气体，雕刻液中金属离子进入微电弧，在频率足够高的情况下，质量较大的金属离子驻留在微电弧或干燥带气体内，干燥带间气体也易被击穿，从而无法发生近阴极效应。其次，放电带中微电弧的密度有所提高，提高放电轨迹的密度复杂程度，微电弧产生的热量不集中而抑制闪络放电。在上述基础上，表面火花放电下的间隔层形成炭化轨迹时，由于间隔层下被雕刻物尚未被炭化，新的炭化轨迹在已有的炭化轨迹上延伸并从表面向深处发展，间隔层又遮盖被雕刻物纹理，也即雕刻液和间隔层决定微电弧行为，间隔层上已有炭化轨迹将决定电流流经方向，从而令表面火花放电分形雕刻不受被雕刻物限制。

本发明所述方法中步骤(2)～(4)期间，交联的不溶物可能因受人为操作剥落，剩余间隔层内羧甲基纤维素钠、海藻酸钠接触雕刻液，不均匀交联再次发生，也即间隔层具有自愈性。

综上所述，与交变电压条件下同类技术方案，即放电直接发生在被雕刻物表面的方案相比，本发明所述表面火花放电环境、炭化轨迹形成机理显著不同，即表面火花放电发生于被雕刻物表面外的间隔层上，所得分形纹理与被雕刻物无关。同时，本发明所述高频交变电压条件易引发微电弧，表面火花放电不易受被雕刻物纹理、密度和亲水性分布的影响，所得分形纹理受雕刻液和间隔层定量控制；根本上区别于交变电压条件下同类技术即采用非定量导电液体、工频交流高压的方案中，分形纹理受被雕刻物纹理和热分解气体的被动控制。另外，与交变电压条件下同类技术方案相比，本发明对2个电极供电方案的电压和功率要求低，易实现功率控制。

因而在本发明所述间隔剂、雕刻液与20～60khz高频交变电压共同作用下，近阴极效应、闪络放电，和被雕刻物的纹理影响均被抑制或避免，以确保连续且稳定蔓延的表面火花放电，保护被雕刻物的原本外形，通过控制间隔剂和雕刻液来控制分形纹理样式，形成细节可控的雕刻工艺而非表面火花放电现象的呈现。

附图说明

图1中分图a和b是表面火花放电启动阶段示意图，分图c是表面火花放电蔓延阶段示意图。

图2中分图a是表面火花放电蔓延阶段异常过程示意图，分布b是发生近阴极效应时放电状态示意图。

图3是实施例1～6和实施例7技术方法③中2个电极供电方案的原理图。

图4是实施例1～3所得灰度图像，分图4a～4d对应子实施例1.1～1.4，分图4e～4h对应子实施例2.1～2.4，分图4i～4o对应子实施例3.1～3.7。

图5是实施例4～6所得灰度图像，分图5a～5d对应子实施例4.1～4.4，分图5e～5h对应子实施例5.1～5.4，分图5i～5l对应子实施例6.1～6.7。

图6a～6c依次是实施例7验证例1暂停2电极间供电后同一位置碳化轨迹边缘正视、45°斜视和约80°斜视的增强处理图像。

图7是实施例7对比和验证例1灰度图。其中分图7a～7c是无间隔剂时本发明技术方法、10khz附近交变电压条件下、交变电压条件下同类技术方案的实施结果，箭头所指为被雕刻物纹理方向；分图7d～7e是有间隔剂时本发明技术方法、交变电压条件下同类技术方案的实施结果。

图8是实施例7验证例2同类技术方案的缺陷。其中分图8a～8b是2个电极间施加电压后13s和16s时非预期干燥带缺陷的增强图像，2条虚线内白色高光是非预期干燥带，箭头方向是单个炭化轨迹发展方向；图8c为炭化轨迹突变和启动阶段闪络缺陷，图8d1～8d6是闪络放电缺陷。

具体实施方式

实施例1～6中2个电极供电方案的原理如附图3。该方案分为驱动部分和控制部分。其中220vac电源一路经共模电感l1、整流桥db1，串联的电容c1～c2变为直流。电容c1一端连接整流桥db1正极和场效应管q1的漏极，c2一端连接整流桥db1负极、场效应管q2源极、电阻r2和信号变压器x2同名端。升压变压器x3的初级绕组一端连接c1和c2中点，另一端连接场效应管q1源极和q2漏极、电阻r1、信号变压器x2异名端。场效应管q1栅极连接电阻r1另一端和信号变压器x2同名端另一抽头，场效应管q2栅极连接电阻r2另一端和信号变压器x2异名端另一抽头。以上为驱动部分。

220vac电源另一路经降压变压器x1、整流桥db2变为脉动直流，再经电容c3、线性稳压器u1和电容c4整理为低压直流，其中线性稳压器u1的gnd作为信号地并连接整流桥db2负极，线性稳压器u1输入端连接电容c3和整流桥db2正极，线性稳压器u1输出端连接电容c4和控制芯片u2的vcc、vc，电容c3～c4另一端接信号地。控制芯片u2的sd(关闭)和gnd脚连至信号地，两个输出端outa和outb对信号变压器x2初级绕组输送控制信号，输出的基准电压vref通过可调电阻r3接信号地并由可调电阻r3提供分压至控制芯片u2反相输入端以供调整2个输出端outa和outb输出信号脉宽。控制芯片u2的正相输入端通过r4连接comp(补偿)脚再通过电容c7接信号地，内部振荡器的ct和放电(disc.)引脚一并通过电容c5接信号地，软启动脚ss通过电容c6接信号地，内部振荡器的rt通过可调电阻r5接信号地来实现2个输出端outa和outb输出信号频率的调整。以上为控制部分，控制部分通过信号变压器x2来控制驱动部分。

升压变压器x3磁芯型号是uy20，控制芯片u2为sg3525a，场效应管q1～q2为irfp460pbf，升压变压器x3的次级绕组p1～p2连接至2个电极。应用时升压变压器次级绕组输出为近似正弦电压，即本发明所述交变电压。在控制信号脉宽不变的情况下，升压变压器工作频率升高有损耗降低、效率增大，也即升压变压器能够提供给2个电极间通过的功率随工作频率升高增大。

在本发明实施例中通过调整r3和r5即调整控制信号脉宽和频率，来调整2个电极间电压的频率和功率，从而可为2个电极间提供交变电压频率在8khz至70khz，2个电极间通过电功率为0.1w至200w，2个电极间开路电压为3kv，即该方案可覆盖本发明所述方法中的范围要求。由于升压变压器工作在较高频率下，由于感抗与设置功率的限制，2个电极间短路时通过驱动电路的电流存在上限而不会引起故障，也即2个电极距离不受限制。

本发明实施例枚举本发明所述方法中二价金属离子的全部27个组合，并按选择金属盐时的全部6个组合分组，即实施例1～6，每个组合在相应实施例中以子实施例呈现。其中实施例1为1种二价金属离子的氯盐，实施例2为1种二价金属离子的氯盐和乙酸盐，实施例3为2种二价金属离子的氯盐，实施例4为1种二价金属离子的氯盐和另1种二价金属离子的乙酸盐，实施例5为1种二价金属离子的氯盐和乙酸盐以及另1种二价金属离子的乙酸盐，实施例6为2种二价金属离子的氯盐和乙酸盐。

下表在二价金属离子组合情况的角度辅助说明本发明所述方法的可行性，表中是实施例1～6中二价金属离子在各实施例中的排布和盐种类。表中“1|1c”意为在实施例1中涉及1种二价金属离子的氯盐，“2|1c1a”意为在实施例2中涉及1种二价金属离子的氯盐和乙酸盐，“5|2c1a”意为在实施例5中涉及2种二价金属离子的2种氯盐和1个乙酸盐，其他同理，二价金属离子为表头行列交叉处的组合。

表17种二价金属离子在实施例1～6中的组合情况

下表在单种二价金属离子的角度辅助说明本发明所述方法的可行性。表中是实施例1～6中7种二价金属离子在各实施例中的浓度，数据覆盖全组实施例。

表2七种二价金属离子在实施例1～6中的浓度分布

下表在二价金属离子总浓度角度辅助说明本发明所述方法的可行性。表中是实施例中二价金属离子总浓度。

表3实施例1～6中二价金属离子浓度

为简化实施例描述，表4～9列出实施例1～6所用雕刻液的设置。

表4实施例1所用雕刻液设置

表5实施例2所用雕刻液设置

表6实施例3所用雕刻液设置

表7实施例4所用雕刻液设置

表8实施例5所用雕刻液设置

表9实施例6所用雕刻液设置

为简化实施例描述，下表列出实施例1～6所用间隔剂的设置。

表10实施例1～6所用间隔剂设置

*cmc为羧甲基纤维素钠

实施例7分为3个部分。验证“表面火花放电发生于被雕刻物表面外的间隔层上，所得分形纹理与被雕刻物纹理无关”。说明本发明所述20～60khz交变电压条件下“提高放电轨迹的密度复杂程度”并与10khz附近交变电压条件下、交变电压条件下同类技术方案的实施结果对比。列举交变电压条件下同类技术方案的缺陷，即非预期干燥带、启动阶段闪络放电与闪络放电的结果。

被雕刻物与选定雕刻区域：实施例1～7中被雕刻物为同一批生产的约4.8mm厚普通多层人造椴木板，以不重复6cm×9cm范围作为实施例的选定雕刻区域。该种多层板以0.5mm椴木为表层，以杨木为芯材，每层纹理方向垂直，由于表层和内层密度不等且有空隙，不适当的工艺容易发生垂直方向的失控，表现为火花放电发生在内部的粘接面上，且含水量低、亲水性不强、雕刻液不易透入而容易发生闪络放电，适合作为检验表面火花放电分形雕刻方法的材料。

获取本发明所述方法步骤(3)和(4)参数：由于本发明包括炭化轨迹从1个和2个电极发生和蔓延的情况，实施例1～6中27个组合实施两次，期间记录2个电极间平均电压和功率。第一次采用针电极-杆电极，杆电极长为的5cm金属棒，在本发明所述方法步骤(3)中平行固定于选定雕刻区域的短边上，与针电极相比杆电极浸润面积大、电流被分散，火花放电需长时间启动，从而获取从针电极发生和蔓延的单个放电轨迹，第二次用2个针电极来获取2个电极同时发生和蔓延的放电轨迹。实施过程中2个电极间负载因雕刻液变化与表面火花放电不稳定，启动阶段2个电极间电压在几十伏特内波动，表面火花放电蔓延时2个电极间电压到一两百伏特内波动，实施例中电压和功率为平均值。

量化分形纹理获取实施结果：在拍摄环境一致、摄像头和被雕刻物距离一致的前提下，等长宽比截取约2.9cm×4cm分形纹理灰度图像，再处理为二进制图像，计算分形纹理在图像中所占面积比例即覆盖率，和分形纹理的分形维数。分形维数表征微电弧行为的差异和炭化轨迹的复杂程度，覆盖率表征微电弧的密度，从而在不同的分形纹理之间建立可比性。

本发明提供实施例仅是依照本发明提供技术方案的有限的实施方式，用于帮助理解本发明的技术方案，在不脱离本发明创造的前提下，所有类似的替换、变更、组合与改进对本领域技术人员显然包含于本发明所提供的技术方案。

实施例1

一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法，包括以下步骤：

(1)在被雕刻物表面涂覆间隔剂，经80℃干燥；

(2)冷却后涂刷雕刻液，子实施例1.1～1.4依次静置18min、40min、6min和20min，雕刻液中二价金属离子浓度见表3；

(3)令2个电极被雕刻液浸润后，在2个电极间施加交变电压直至表面火花放电启动，期间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值列于表11步骤(3)；

(4)表面火花放电进入蔓延阶段，维持2个电极间交变电压，控制电极位置以控制表面火花放电蔓延方向进行雕刻，子实施例1.1～1.4雕刻液液层的量依次维持在2.78ml/dm²、2.31ml/dm²、2.31ml/dm²和1.00ml/dm²，期间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值列于表11步骤(4)；

(5)雕刻结束后，清除剩余雕刻液、疏松炭化物和间隔剂；

(6)涂刷足量沉淀剂并在40℃条件下保持20min，随后清刷剩余沉淀液再干燥。

子实施例1.1～1.4雕刻液按表4配置为水溶液并以盐酸酸化至澄清。

表11实施例1子实施例步骤(3)和(4)2个电极间交变电压参数

子实施例1.1～1.4间隔剂涂覆量与组分对应表10中间隔剂4、间隔剂3、间隔剂3和间隔剂3。

间隔剂涂覆范围等于选定雕刻区域即整个被雕刻物表面，雕刻液涂刷于间隔剂涂覆范围内即整个被雕刻物表面。

步骤(6)沉淀液含有0.9mol/l碳酸钾和0.6mol/l硅酸钠。

实施例1结果以覆盖率和分形维数在表中列出，在实施例1的子实施例1.1～1.4上所得灰度图像如附图4a～4d。

表12实施例1结果

实施例2

一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法，包括以下步骤：

(1)在被雕刻物表面涂覆间隔剂，经90℃干燥；

(2)冷却后在被雕刻物表面涂刷雕刻液，子实施例2.1～2.4依次静置3min、10min、11min和1min，雕刻液中二价金属离子浓度见表3；

(3)和(4)方法同实施例1，期间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值分别列于表13步骤(3)和步骤(4)，蔓延阶持子实施例2.1～2.4雕刻液液层的量依次段维在2.22ml/dm²、2.13ml/dm²、2.15ml/dm²和1.85ml/dm²；

(5)雕刻结束后，清除剩余雕刻液、疏松炭化物和间隔剂；

(6)涂刷足量沉淀剂并在55℃条件下保持10min，随后清刷剩余沉淀液再干燥。

表13实施例2子实施例步骤(3)和(4)2个电极间交变电压参数

子实施例2.1～2.4的雕刻液按表5配置为水溶液并以盐酸酸化至澄清。

子实施例2.1～2.4的间隔剂涂覆用量与组分对应表10中间隔剂1、间隔剂4、间隔剂4和间隔剂6。

间隔剂涂覆范围等于选定雕刻区域即整个被雕刻物表面，雕刻液涂刷于间隔剂涂覆范围内即整个被雕刻物表面。

步骤(6)沉淀液含有0.8mol/l碳酸钾和0.6mol/l氢氧化钾。

实施例2结果以覆盖率和分形维数在表14中列出，在实施例2的子实施例2.1～2.4上所得灰度图像如附图4e～4h。

表14实施例2结果

实施例3

表15实施例3子实施例步骤(3)和(4)2个电极间交变电压参数

一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法，包括以下步骤：

(1)在被雕刻物表面涂覆间隔剂，经70℃干燥；

(2)冷却后涂刷雕刻液，子实施例3.1～3.7依次静置2min、8min、23min、6min、5min、21min和17min，雕刻液中二价金属离子浓度见表3；

(3)和(4)方法同实施例1，期间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值分别列于表15步骤(3)和步骤(4)，蔓延阶段维持子实施例3.1～3.7雕刻液液层的量依次在1.15ml/dm²、2.78ml/dm²、2.31ml/dm²、1.85ml/dm²、2.41ml/dm²、2.31ml/dm²和1.67ml/dm²；

(5)雕刻结束后，清除剩余雕刻液、疏松炭化物和间隔剂；

(6)涂刷足量沉淀剂并在30℃条件下保持25min，随后清刷剩余沉淀液再干燥。

子实施例3.1～3.7的雕刻液按表6配置为水溶液并以盐酸酸化至澄清。

子实施例3.1～3.7的间隔剂涂覆用量与组分对应表10中间隔剂6、间隔剂5、间隔剂3、间隔剂1、间隔剂6、间隔剂3和间隔剂2。

间隔剂涂覆范围等于选定雕刻区域即整个被雕刻物表面，雕刻液涂刷于间隔剂涂覆范围内即整个被雕刻物表面。

步骤(6)沉淀液含有1.2mol/l碳酸钾和0.4mol/l硅酸钠。

实施例3结果以覆盖率和分形维数在表16中列出，在实施例3的子实施例3.1～3.7上所得灰度图像如附图4i～4o。

表16实施例3结果

实施例4

一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法，包括以下步骤：

(1)在被雕刻物表面涂覆间隔剂，经60℃干燥；

(2)冷却后涂刷雕刻液，子实施例4.1～4.4依次静置8min、20min、2min和24min，雕刻液中二价金属离子浓度见表3；

(3)和(4)方法同实施例1，期间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值分别列于表17步骤(3)和步骤(4)，蔓延阶段子实施例4.1～4.4雕刻液液层的量依次维持在2.78ml/dm²、2.04ml/dm²、1.85ml/dm²和2.04ml/dm²；

(5)雕刻结束后，清除剩余雕刻液、疏松炭化物和间隔剂；

(6)涂刷足量沉淀剂并在15℃条件下保持30min，随后清刷剩余沉淀液再干燥。

表17实施例4子实施例步骤(3)和(4)2个电极间交变电压参数

子实施例4.1～4.4的雕刻液按表7配置为水溶液并以盐酸酸化至澄清。

子实施例4.1～4.4的间隔剂涂覆用量与组分对应表10中间隔剂5、间隔剂2、间隔剂3和间隔剂2。

间隔剂涂覆范围等于选定雕刻区域即整个被雕刻物表面，雕刻液涂刷于间隔剂涂覆范围内即整个被雕刻物表面。

步骤(6)沉淀液含有1.4mol/l碳酸钾和0.2mol/l氢氧化钾。

实施例4结果以覆盖率和分形维数在表18中列出，在实施例4的子实施例4.1～4.4上所得灰度图像如附图5a～5d。

表18实施例4结果

实施例5

一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法，包括以下步骤：

(1)在被雕刻物表面涂覆间隔剂，经100℃干燥；

(2)冷却后涂刷雕刻液，子实施例5.1～5.4依次静置20min、10min、5min和7min，雕刻液中二价金属离子浓度见表3；

(3)和(4)方法同实施例1，期间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值分别列于表19步骤(3)和步骤(4)，蔓延阶段子实施例5.1～5.4雕刻液液层的量依次维持在1.48ml/dm²、2.41ml/dm²、2.78ml/dm²和1.25ml/dm²；

(5)雕刻结束后，清除剩余雕刻液、疏松炭化物和间隔剂；

(6)涂刷足量沉淀剂并在30℃条件下保持15min，随后清刷剩余沉淀液再干燥。

表19实施例5子实施例步骤(3)和(4)2个电极间交变电压参数

子实施例5.1～5.4的雕刻液按表8配置为水溶液并以盐酸酸化至澄清。

子实施例5.1～5.4的间隔剂涂覆用量与组分对应表10中间隔剂1、间隔剂6、间隔剂4和间隔剂6。

表20实施例5结果

间隔剂涂覆范围等于选定雕刻区域即整个被雕刻物表面，雕刻液涂刷于间隔剂涂覆范围内即整个被雕刻物表面。

步骤(6)沉淀液含有1.5mol/l碳酸钾和0.2mol/l硅酸钠。

实施例5结果以覆盖率和分形维数在表20中列出，在实施例5的子实施例5.1～5.4上所得灰度图像如附图5e～5h。

实施例6

一种木材制品表面火花放电分形雕刻方法，包括以下步骤：

(1)在被雕刻物表面涂覆间隔剂，经85℃干燥；

(2)冷却后涂刷雕刻液，子实施例6.1～6.4依次静置15min、4min、25min和5min，雕刻液中二价金属离子浓度见表3；

(3)和(4)方法同实施例1，期间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值分别列于表21步骤(3)和步骤(4)，蔓延阶段子实施例6.1～6.4雕刻液液层的量依次维持在2.31ml/dm²、3.20ml/dm²、1.67ml/dm²和2.13ml/dm²；

(5)雕刻结束后，清除剩余雕刻液、疏松炭化物和间隔剂；

(6)涂刷足量沉淀剂并在20℃条件下保持25min，随后清刷剩余沉淀液再干燥。

表21实施例6子实施例步骤(3)和(4)2个电极间交变电压参数

子实施例6.1～6.4的间隔剂涂覆用量与组分对应表10中间隔剂3、间隔剂5、间隔剂2和间隔剂4。

子实施例6.1～6.4的雕刻液按表9配置为水溶液并以盐酸酸化至澄清。

间隔剂涂覆范围等于选定雕刻区域即整个被雕刻物表面，雕刻液涂刷于间隔剂涂覆范围内即整个被雕刻物表面。

步骤(6)沉淀液含有1mol/l碳酸钾和0.4mol/l氢氧化钾。

实施例6结果以覆盖率和分形维数在表22中列出，在实施例6的子实施例6.1～6.4上所得灰度图像如附图5i～5l。

表22实施例6结果

实施例7

实施例7验证例1

这里验证本发明所述表面火花放电发生于被雕刻物表面外的间隔层上且所得分形纹理与被雕刻物纹理无关。由于实施例3.2所得炭化轨迹较粗，蔓延中的炭化轨迹在末端突起于被实施表面的现象相对明显，这里采用实施例3.2中单个放电轨迹发生和蔓延的条件，实施过程中暂停2个电极间供电并采集碳化轨迹边缘的增强图像至附图6。可见炭化轨迹末端均有白色隆起结构，是干燥的带有雕刻液的间隔层，如附图6a，放电发生于隆起结构内；同时炭化轨迹随间隔层和下方被雕刻物逐渐炭化而下陷，如附图6b～6c，即表面火花放电发生于间隔层上。由于新的炭化轨迹在已有的炭化轨迹上延伸并从表面向深处发展，碳化轨迹所呈现分形纹理与被雕刻物纹理无关。

实施例7对比和验证例1

首先进行技术方法比较，即将本发明技术方法与10khz附近交变电压条件下、交变电压条件下同类技术方案的实施结果对比。

设置同类技术方法：可调升压变压器输入端连接220vac工频供电，其输出端连接2个电极，电极为与实施例1～6相同的针电极-杆电极，同时测量通过2个电极间的电压与电功率。同类技术方案装置能够在2个电极间提供足功率的0～5kv工频交流电压，通过逐渐升高可调变压器的输出电压来模仿本发明所述步骤(3)和(4)的方法，作为技术方法②。为2个电极提供10khz附近交变电压条件的方案同实施例1，为技术方法③。本发明为技术方法①。

本对比例采用以下兼容性方法，三者实施于不同的选定雕刻区域：

(a)涂刷雕刻液，静置1min。

(b)令2个电极被雕刻液浸润后，①按本发明步骤(3)进行直至表面火花放电启动，期间保持2个电极固定在雕刻区域两个短边上，记录从2个电极间施加电压到表面火花放电启动的时间tb；②在2个电极间施加较低电压，和③在2个电极间施加10khz附近的交变电压，期间保持2个电极固定在雕刻区域两个短边上，令2个电极间施加电压到表面火花放电启动的时间与tb相等，即取得同样表观效果。

(c)在表面火花放电启动后，①按本发明所述方法步骤(4)进行，期间保持2个电极固定在雕刻区域两个短边上，维持2个电极间同步骤b①范围的交变电压，限制2个电极间消耗电功率为1～150w，记录炭化轨迹蔓延的速度vc；②调整可调变压器的输出电压，和③调整控制信号脉宽，令炭化轨迹蔓延的速度与vc相等，即取得同样表观效果。

(g)清水下清除剩余雕刻液、疏松炭化物和间隔剂，干燥。

雕刻液采用交变电压条件下同类技术方案最常用的0.8mol/l碳酸氢钠水溶液，表面火花放电期间保持雕刻液液层的量维持在2.41ml/dm²，无间隔剂沉淀剂的相关内容，其他条件与实施例1～6相同，实施结果的表征方法同实施例1～6，分形纹理图像处理同实施例1～6。实施结果，步骤(b)和(c)2个电极间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值列于表23中“技术方法比较”，所得灰度图像如附图7a～7c。

表23实施例7对比和验证例1步骤(b)和(c)2个电极间交变电压参数

从实施结果可知，虽然本发明技术方法在表面火花放电启动和蔓延时消耗电功率最低，但所得炭化轨迹的覆盖率和分形维数有最大值，即微电弧密度和炭化轨迹复杂程度在三个技术方法里最高，技术方案②即交变电压条件下同类技术方案则相反。由附图11可知技术方案②和③受被雕刻物影响较①明显，分别体现在整体蔓延方向与细节上，12khz交变电压条件下所得炭化痕迹细节出现紊乱。

在上述基础上针对技术方法①和②验证间隔剂的作用，也即屏蔽被雕刻物的作用。涂覆表10中间隔剂5并于85℃下干燥，提高技术方法①启动和蔓延阶段功率即缩短tb和vc，其他方法步骤、条件与上述技术方法比较中相同。实施结果，步骤(b)和(c)2个电极间交变电压频率、峰值电压均值，以及2个电极间消耗电功率均值列于表22中“间隔剂作用验证”，所得灰度图像如附图7d～7e。

参考附图7d～7e与附图7a～7b的纹理差异，可见炭化轨迹密度与复杂程度在间隔剂使用前后有显著不同。并且在使用间隔剂后，技术方法①和②中表面火花放电蔓延阶段峰值电压均值接近，也即两个技术方法中表面火花放电行为在间隔层的存在下发生趋同，且在tb和vc缩短的情况下，技术方法②启动与蔓延阶段消耗电功率反而较应用间隔剂前显著降低，说明间隔层隔离了被雕刻物与表面火花放电。如果技术方法②采用的电压较高，缺陷将暴露。

实施例7验证例2

采用交变电压条件下同类技术方案的典型应用以例举缺陷，即实施步骤：

(a)在选定雕刻区域涂刷不定浓度的碳酸氢钠水溶液；(b)将2个针电极固定在雕刻区域两个短边中点，将可调升压变压器输出设为3kv并输送给2个电极；(c)清刷并干燥。以溶液约0.8mol/l、约0.5mol/l、约0.3mol/l实施三次。

第一次出现非预期干燥带缺陷，如附图8a～8b。其原因是启动阶段雕刻液层通过电流太大，被浸润的电极处放电还未开始，被雕刻物表面某处就已经出现干燥带并开始放电，形成多个不受电极位置控制、自行蔓延的炭化轨迹，也即表面火花放电蔓延方向不可控，在本例中呈“右左右左”分布的炭化轨迹。

第二次出现炭化轨迹纹理不受控的缺陷，如附图8c，其中左侧虚线圈是炭化轨迹突变，右侧虚线圈为启动阶段闪络放电留下的灼烧点。

第三次出现闪络放电的缺陷，如附图8d1～8d6。附图8d1～8d4中箭头所指白斑为闪络放电的电弧，附图8d5白色是被雕刻物表面击穿前混有电弧的火焰，白色细线为通有电流的炭化物，附图8d6表示被雕刻物表面经15s被烧毁。