一種陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種陶瓷表面精細(xì)結(jié)構(gòu)激光加工方法，將光纖上的涂覆層剝離后鋪設(shè)于陶瓷表面上；通過(guò)皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，皮秒級(jí)脈寬激光通過(guò)陶瓷表面上的光纖引導(dǎo)產(chǎn)生局域光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，在陶瓷表面上加工出溝槽；根據(jù)步驟二中加工溝槽的情況設(shè)置激光器參數(shù)，使用皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上鋪設(shè)的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，在陶瓷表面上加工出與光纖排布相同的精細(xì)凹槽陣列。本發(fā)明通過(guò)采用光纖引導(dǎo)皮秒級(jí)脈寬激光光束，實(shí)現(xiàn)在具有高熔點(diǎn)、高硬脆物理特性的陶瓷表面可以同時(shí)獲得多條精細(xì)刻線，刻線邊緣光滑無(wú)裂紋和熱影響區(qū)，線徑尺寸均勻，刻線尺寸突破聚焦光束最小直徑限制。
【專利說(shuō)明】一種陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陶瓷表面加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法及其系統(tǒng)，適合于陶瓷表面二維精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)的加工。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷材料具有輕質(zhì)，耐高溫，耐腐蝕，高強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性好的特性，正是由于其良好的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在電子，航空，機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。如作為柔版印刷心臟的陶瓷網(wǎng)紋輥是保證傳墨、勻墨質(zhì)量最為關(guān)鍵的部件，需要在陶瓷表面加工出網(wǎng)穴或直線凹槽等精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)。諸如此類的材料表面微結(jié)構(gòu)制造目前在生物醫(yī)學(xué)，微電子，能源和機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在材料表面加工出的微條紋形貌等的仿生改形可以有效起到降噪效果；規(guī)則或隨機(jī)分布的坑、槽等有助于在接觸表面間建立或局部形成潤(rùn)滑薄膜，從而達(dá)到減阻效果。生物陶瓷表面人造微細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)于細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)等具有重要作用。TEIXEIRA等在脊寬70nm，槽深600nm的溝槽微結(jié)構(gòu)表面成功種植了角膜上皮細(xì)胞(Journal of cell science; 2003，116 (10) 1881-1892)。但由于陶瓷材料是共價(jià)鍵,離子鍵或兩者混合化學(xué)鍵結(jié)合的物質(zhì)，晶體間的化學(xué)鍵方向性強(qiáng)，具有高硬度和高脆性的本征特性?；跈C(jī)械磨削的傳統(tǒng)加工方式存在效率低，精度差和刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，限制了其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。激光加工是一種無(wú)接觸式的加工方法，在加工過(guò)程中不存在應(yīng)力損傷，可以在一定程度上改善這些問(wèn)題。Manabu Wakuda等人用準(zhǔn)分子激光在氮化硅陶瓷表面加工微凹坑陣列，使其的摩擦系數(shù)從0.12降低到0.10 (Wear254 (2003) 356-363)。目前材料表面精細(xì)結(jié)構(gòu)的激光加工一般是采用激光束直接輻照加工，結(jié)構(gòu)的線寬精度受光斑尺寸限制，結(jié)構(gòu)質(zhì)量因脈寬的影響往往無(wú)法避免微細(xì)裂紋、重凝層等的存在。王鑫等人使用60ns準(zhǔn)分子激光器在Y-ZTP陶瓷上刻蝕一系列微凹槽，線寬約20 μ m,深度約10 μ m,在凹槽兩側(cè)出現(xiàn)了重凝層(J.Am.Ceram.Soc, 91 [2] 391-397 (2008))。長(zhǎng)脈沖(脈寬≥ns)激光與材料的相互作用機(jī)制是熱燒蝕效應(yīng)，因此熱影響不可避免。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)具有高熔點(diǎn)、高硬脆物理特性的陶瓷表面上的高精微細(xì)加工刻蝕，本發(fā)明提供了一種陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法。采用皮秒脈寬激光作為能量源抑制刻線區(qū)域熱影響區(qū)，消除重凝層，從而顯著提高刻線質(zhì)量和精度。使用光纖引導(dǎo)激光的加工方法突破了光斑尺寸的限制，從而獲得對(duì)具有高熔點(diǎn)、高硬脆性陶瓷材料的高精微細(xì)加工效果。
[0004]所述技術(shù)方案如下:
[0005]本發(fā)明提供了一種陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法，所述方法包括如下步驟:
[0006]步驟一，將光纖上的涂覆層剝離后鋪設(shè)于陶瓷表面上；
[0007]步驟二，通 過(guò)皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，皮秒級(jí)脈寬激光通過(guò)陶瓷表面上的光纖引導(dǎo)產(chǎn)生局域光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，在陶瓷表面上加工出溝槽；
[0008]步驟三，根據(jù)步驟二中加工溝槽的情況設(shè)置激光器參數(shù)，使用皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上鋪設(shè)的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，在陶瓷表面上加工出與光纖排布相同的精細(xì)凹槽陣列。
[0009]所述步驟一中所用光纖為單模光纖，包括纖芯和包層，所述纖芯的折射率高于所述包層的折射率。
[0010]所述步驟一中光纖在陶瓷表面上的鋪排采用單根或多根密排方式。
[0011]所述步驟三中的皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上鋪設(shè)的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，其具體方法是:所述激光垂直或平行于光纖鋪設(shè)方向掃描。
[0012]陶瓷表面距離皮秒級(jí)脈寬激光的焦點(diǎn)為3mm?12mm ;皮秒級(jí)脈寬激光的掃描速度為100mm/s?1000mm/s，功率為8?12W，重復(fù)頻率為IOOkHz?500kHz。
[0013]所述皮秒級(jí)脈寬激光的焦點(diǎn)距離陶瓷的表面為9mm ;皮秒級(jí)脈寬激光的掃描速度為300mm/s，平均功率為10W，重復(fù)頻率為IOOKHz。
[0014]所述步驟二和步驟三中設(shè)置的皮秒級(jí)脈寬激光光束掃描間隔小于皮秒級(jí)脈寬激光焦點(diǎn)處光斑直徑。
[0015]本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是:
[0016]本發(fā)明通過(guò)皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，利用皮秒級(jí)激光光束在光纖引導(dǎo)作用下所產(chǎn)生的局域光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，在具有高熔點(diǎn)、高硬脆物理特性的陶瓷表面實(shí)現(xiàn)精細(xì)刻線，通過(guò)調(diào)整光纖的鋪設(shè)根數(shù)及方式，獲得不同的二維刻線結(jié)構(gòu)。此方法可以同時(shí)獲得多條精細(xì)刻線，刻線邊緣光滑無(wú)裂紋和熱影響區(qū)，線徑尺寸均勻；線寬尺寸突破聚焦光束最小直徑50 μ m的限制，可達(dá)15.5 μ m ;刻線圖案由排布的光纖數(shù)量及排布方式而定；激光束掃描方向與光纖鋪設(shè)方向垂直或平行與否不影響刻線的加工質(zhì)量；此方法操作簡(jiǎn)單，成本低，不需要復(fù)雜的光路及實(shí)驗(yàn)儀器。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1是本發(fā)明所提供的加工精細(xì)凹槽流程圖；
[0019]圖2是優(yōu)選參數(shù)下激光加工精細(xì)凹槽的共聚焦圖像；
[0020]圖3a是陶瓷表面獲得直線陣列精細(xì)刻線結(jié)果示意圖；
[0021]圖3b陶瓷表面獲得網(wǎng)格陣列精細(xì)刻線結(jié)果示意圖；
[0022]圖4a是第一種激光光束掃描方式；
[0023]圖4b是第二種激光光束掃描方式；
[0024]圖5不同掃描速度加工出溝槽的線寬及深度對(duì)比圖。
[0025]圖中:
[0026]1-激光光束；2_光纖；3_陶瓷?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0028]本發(fā)明提供了一種利用光纖引導(dǎo)皮秒級(jí)脈寬激光在陶瓷表面可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)的方法。如圖1所示:所述方法包括如下步驟:
[0029]【101】將單模光纖上的涂覆層剝離后鋪設(shè)于陶瓷表面上，單根鋪設(shè)或是多根密排的方式；
[0030]【102】通過(guò)皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行激光掃描，皮秒級(jí)脈寬激光在陶瓷表面上的光纖引導(dǎo)下產(chǎn)生局域光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，并加工出溝槽；其中陶瓷表面距離皮秒級(jí)脈寬激光的焦點(diǎn)為3mm~12mm ;皮秒級(jí)脈寬激光的掃描速度為100mm/S~1000mm/s，平均功率為8-12W，重復(fù)頻率為IOOkHz~500kHz。
[0031]【103】根據(jù)步驟二中加工溝槽的情況設(shè)置激光器參數(shù)，使用皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上密排的多根光纖覆蓋區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)激光掃描，由于光纖對(duì)激光的局域光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，在陶瓷表面加工出與光纖排布相同的精細(xì)凹槽陣列。
[0032]其中的皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)激光掃描，其具體方法是:所述激光平行或垂直于光纖鋪設(shè)方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。
[0033]其中優(yōu)選的陶瓷表面距離皮秒級(jí)脈寬激光的焦點(diǎn)為9mm。
[0034]本發(fā)明中優(yōu)選采用的皮秒級(jí)脈寬激光的掃描速度為300mm/s，平均功率為10W。
[0035]圖2是在本發(fā)明所提供優(yōu)選參數(shù)下加工的精細(xì)凹槽共聚焦示意圖。
`[0036]具體描述如下:
[0037]將標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖剝了涂覆層的光纖擦拭干凈后直接鋪在陶瓷表面，光纖包括纖芯和包層，直徑為125 μ m，通過(guò)控制激光器的激光頭移動(dòng)，掃描陶瓷表面的光纖覆蓋區(qū)，激光光束在光纖引導(dǎo)作用下產(chǎn)生局域光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，加工出精細(xì)溝槽，通過(guò)這種光纖引導(dǎo)激光并行加工方法，在具有高熔點(diǎn)、高硬脆物理特性的陶瓷表面可以同時(shí)獲得多條精細(xì)刻線，線徑尺寸均勻，尺寸突破聚焦光束最小直徑限制，可達(dá)15.5μπι，刻線圖案可由排布的光纖數(shù)量及排布方式而定，如圖3a是陶瓷表面獲得直線陣列精細(xì)刻線結(jié)果示意圖，而圖3b是陶瓷表面獲得網(wǎng)格陣列精細(xì)刻線結(jié)果示意圖。
[0038]本發(fā)明中激光掃描方式分為兩種，激光光束垂直于陶瓷表面，可以沿著光纖鋪設(shè)的方向移動(dòng)，如圖4a所不,也可以垂直于光纖鋪設(shè)的方向移動(dòng),如圖4b所不,激光掃描方向的不同對(duì)刻線結(jié)果是不存在影響的。
[0039]光纖引導(dǎo)皮秒激光加工的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可一次實(shí)現(xiàn)數(shù)條均勻刻線和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；線槽邊緣整齊，沒(méi)有熱影響區(qū)和陶瓷的重凝層。取線槽15個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行線寬及深度測(cè)量，共15個(gè)值，如表1所列。計(jì)算出線寬平均值為17.923 μ m，深度平均值為7.753 μ m。
[0040]表1:15個(gè)不同位置的凹槽線寬、深度(μπι)[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟一，將光纖上的涂覆層剝離后鋪設(shè)于陶瓷表面上； 步驟二，通過(guò)皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，皮秒級(jí)脈寬激光通過(guò)陶瓷表面上的光纖引導(dǎo)產(chǎn)生局域光場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，在陶瓷表面上加工出溝槽； 步驟三，根據(jù)步驟二中加工溝槽的情況設(shè)置激光器參數(shù)，使用皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上鋪設(shè)的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，在陶瓷表面上加工出與光纖排布相同的精細(xì)凹槽陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法，其特征在于，所述步驟一中所用光纖為單模光纖，包括纖芯和包層，所述纖芯的折射率高于所述包層的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法，其特征在于，所述步驟一中光纖在陶瓷表面上的鋪排采用單根或多根密排方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法，其特征在于，所述步驟三中的皮秒級(jí)脈寬激光對(duì)陶瓷表面上鋪設(shè)的光纖覆蓋區(qū)進(jìn)行掃描輻照，其具體方法是:所述激光垂直或平行于光纖鋪設(shè)方向掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法，其特征在于，陶瓷表面距離皮秒級(jí)脈寬激光的焦點(diǎn)為3mm?12mm ;皮秒級(jí)脈寬激光的掃描速度為lOOmm/s?1000mm/s，功率為8?12W，重復(fù)頻率為IOOkHz?500kHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法，其特征在于，所述皮秒級(jí)脈寬激光的焦點(diǎn)距離陶瓷的表面為9mm ;皮秒級(jí)脈寬激光的掃描速度為300mm/s，平均功率為10W，重復(fù)頻率為IOOKHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的陶瓷表面精細(xì)刻線結(jié)構(gòu)激光加工方法，其特征在于，所述步驟二和步驟三中設(shè)置的皮秒級(jí)脈寬激光光束掃描間隔小于皮秒級(jí)脈寬激光焦點(diǎn)處光斑直徑。
【文檔編號(hào)】B23K26/402GK103862179SQ201410090887
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】季凌飛, 李健, 胡炎, 吳燕, 鮑勇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)