CN101254574A - 强激光冲击微塑性成形的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
强激光冲击微塑性成形的方法及其装置，属于微机电***(MEMS)加工技术和激光微加工领域，其特征是先将实验所用的靶材双面电解抛光，在压板上压附微米尺度厚的一块透明光学介质作为约束层，金属飞片紧压在光学介质上，通过压板将光学介质，金属飞片，靶材和模板固紧在专用靶材装夹器上，再开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经透镜聚焦到靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次发射操作，从而实现靶材的单脉冲激光冲击。本发明在样品中产生极高的压力和应变率。而且产生的冲击波压力加载具有较高的平面性，完整性和可重复性，能提高微金属零件表面硬度，提高微传感的灵敏度，使微驱动装置提供更高的动力，扭矩和能量。
Description
技术领域
本发明属于微机电***(MEMS)加工技术和激光微加工领域，特指强激光冲击微塑性成形的方法及其装置，采用纳秒脉冲激光辐射金属飞片材料表面，使其表面层气化后形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀***驱动飞片，飞片高速飞行撞击，金属靶材产生冲击波使其发生微纳尺度的塑性变形。
背景技术
随着现代科学技术的发展，产品微型化的趋势日趋加快，对微、小型零件的需求量也越来越大，特别是微机电***(MEMS)领域的飞速发展，使微成形技术和微型模具制造成为工业界重点研究的对象。尽管应用微细加工方法可以直接成形用于MEMS的微小构件，但通过微型模具成形微小制件更易于保证质量，且成形工艺容易控制，便于自动化生产，是大批量成形微型制件的重要工艺发展方向。
由于各种微细加工方法的适用范围不同，用传统的微机械切削加工方法加工三维微小模具，虽然工艺简便实用，但其能加工的模具型腔尺寸较大、精度较低；电化学等微细特种虽在难切削材料、复杂型面和低刚度材料的模具型腔加工中，具有不可替代的优势；但加工工艺相对复杂。
LIGA技术可加工出具有高深宽比和高精度的微结构零件，且加工温度较低，它不仅可成形纳米级尺度的微小结构，而且还能制造大到毫米级尺寸的微型结构，因此非常适用于微型模具制造。LIGA技术虽然具有突出的成形优点，但它的工艺过程比较复杂，为了获得X光源，需要昂贵的同步加速器。
但是微型化产业所要求的大批量、高效率、高精度、高密集、短周期、低成本、无污染、净成形等固有特点制约了上述微细加工技术的广泛应用。因此面向微细制造的微成形技术在短短十年内得到了迅速发展。面向微细制造的微成形技术研究势在必行，且已成为研究领域和业界的新热点。尤其是大面积的微纳尺度三维成形，一直存在许多技术上的难点。比如要求制造的快速性，制造的可重复性，对周围环境的无污染等方面的要求。而本发明激光驱动飞片加载成形三维微纳结构技术比较好地克服了以上的一些难题。
发明内容
本发明的目的提供了一种强激光冲击微塑性成形的方法及其装置。其采用激光热力耦合原理，利用激光驱动飞片模式，可在靶材表面复制出微纳米尺度三维结构。
当激光辐照在箔膜物质上时，沉积的激光能量将使箔膜的表面部分被汽化和电离，产生的等离子体快速向外膨胀喷溅，其反冲作用力可形成强冲击波以驱动剩余部分箔膜即飞片的高速运动。
脉冲激光经透镜聚焦后，穿过透明约束层到达飞片。激光辐射到飞片表面极短时间内，飞片表面即到达汽化温度，并且一段时间汽化温度保持不变。随着对持续激光能量的吸收，部分吸收层形成高温高压等离子体，新形成的等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀***从而对飞片施加高压冲击波。高压冲击波使得中间介质层在短时间内获得了冲击动量。微观上飞片和铝箔存在空间，高压等离子体驱动未被气化的中间介质层高速撞击铝箔。飞片在铝箔表面形成的应力可近似认为一维平面应力。当激光诱导形成的平面应力冲击波峰压大于材料的动态屈服强度时，材料即发生塑性形变。由于微模板的存在，样品的弹性和塑性变形的方向受到一定的约束，从而使样品准确复制模板的三维结构，达到成形的目的。
本发明按照如下的步骤实现：
先将实验所用的靶材双面电解抛光。在压板上压附微米尺度厚的一块透明光学介质作为约束层，金属飞片紧压在光学介质上。通过压板将光学介质，金属飞片，靶材和模板固紧在专用靶材装夹器上。开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经透镜聚焦到靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次发射操作，从而实现靶材的单脉冲激光冲击，由于等离子体***瞬时产生的冲量驱动飞片高速撞击靶材，靶材屈服与模版贴合。其中激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm输出单脉冲，飞片的材料与厚度为Al片10～20μm厚度，飞片与靶材的间隙距离为10～150μm，靶材的物理参数包括金属靶材的性能、有机聚合物薄膜，以及模版的结构参数指尺寸范围为微米、亚微米、纳米尺度，这些参数的共同影响，将决定靶材表面复形模版的表面微纳米结构的匹配程度。
激光的工作状态由光斑直径、激光脉宽以及激光单脉冲能量决定，这些参数可通过对纳秒脉冲激光器进行调节来确定，具体要求是为了使撞击的飞片能够在靶材内部产生平面且稳定的冲击波，飞片撞击靶材时的状态特性满足平面性和完整性的要求。
实现本发明的装置由激光加载***和靶材装夹***连接组成。激光加载***由纳秒脉冲激光器和聚焦透镜组成，由纳秒脉冲激光器发出的激光光束经过透镜聚焦后直接进入靶材装夹***，其中激光光束采用纳秒脉冲激光器的二倍频输出(波长532nm)或者基波输出(波长1064nm)。靶材装夹***由压板、光学介质、飞片、靶材、模板、靶材装夹器组成，压板带有螺旋机构，可旋入靶材装夹器的凹腔。光学介质和飞片通过压板压力紧压，而且尽量减少光学介质和吸收层的间隙。如有必要，使用真空润滑油脂进行密封。
本发明具有如下优势：
激光驱动飞片本身具有独特的优越性，不但可以驱动金属飞片，而且还可大大提高飞片的速度，产生极高的压力。激光驱动飞片作为成形加载技术，可以将厚度为微米量级，直径为毫米量级的金属飞片在几十纳秒内驱动到5～10km/s的高速，在样品中产生极高的压力和应变率。而且产生的冲击波压力加载具有较高的平面性，完整性和可重复性。
飞片高速撞击产生的平面应力冲击波，复制出三维微米尺度的高空间分辨率结构。复制的过程不仅能够大面积得到微米高分辨率，而且复制的微结构的成本基本上与具体结构的复杂程度无关。因此本发明是一种低成本批量生产微器件和其他具有微米特征尺寸元件的关键技术。
相较于传统的微加工技术，本发明的另一个明显的优势就是激光强化作用带来的材料使金属结构表面改性，极大地扩展了该技术的研究与应用。激光强化作用能提高微金属零件表面硬度，提高微传感的灵敏度，使微驱动装置提供更高的动力，扭矩和能量。
因此脉冲激光直接大面积制作或复制三维微机械、微模具金属结构，线宽可从几百微米到数十纳米的微塑性成形，将是一种低成本，高效率，少污染的新型激光微加工技术，具有广阔的工业应用前景。
附图说明
图1激光驱动飞片加载实现微纳尺度三维成形的装置示意图
图2激光驱动飞片成形加载示意图
图3激光驱动飞片加载后微米和纳米尺度三维结构成形表面形貌
1纳秒脉冲激光器，2激光光束，3聚焦透镜，4压板，5光学介质，6飞片，7靶材，8模版，9靶材装夹器
具体实施方式
图1所示为激光驱动飞片加载实现微纳尺度成形三维结构的装置示意图，对其细节和实施情况说明如下：
激光驱动飞片加载实现微纳尺度成形三维结构的装置由激光驱动***和靶材装夹***组成。激光驱动***由纳秒脉冲激光器1和聚焦透镜3组成，由纳秒脉冲激光器1发出的激光光束2经过透镜聚焦后直接进入靶材装夹***。靶材装夹***由压板4、光学玻璃5、飞片6、靶材7、模版8、靶材装夹器9组成，压板4带有螺旋机构，可旋入靶材装夹器9的凹腔，从而可以并压附光学玻璃5、靶材9固紧于靶材装夹器5的凹腔内。
图3是激光驱动飞片加载后微米和纳米尺度金属三维结构成形表面形貌。其中图3(a)是原始DVD-R模板的SEM表面形貌图，线宽约为200nm～250nm；图3(b)脉冲激光驱动飞片加载三维成形后，靶材SEM表面形貌图。图3(c)脉冲激光驱动飞片加载三维成形后，金属靶材表面台阶阵列SEM形貌图。图3(d)脉冲激光驱动飞片加载三维成形后，金属靶材表面中心的SEM形貌图。
Claims (3)
1.强激光冲击微塑性成形的方法，其特征是先将实验所用的靶材双面电解抛光，在压板上压附微米尺度厚的一块透明光学介质作为约束层，金属飞片紧压在光学介质上，通过压板将光学介质，金属飞片，靶材和模板固紧在专用靶材装夹器上，再开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经透镜聚焦到靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次发射操作，从而实现靶材的单脉冲激光冲击，其中激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm输出单脉冲，飞片的材料与厚度为Al片10～20μm厚度，飞片与靶材的间隙距离为10～150μm，靶材的物理参数包括金属靶材的性能、有机聚合物薄膜，以及模版的结构参数指尺寸范围为微米、亚微米、纳米尺度。
2.根据权利要求1所述的实现强激光冲击微塑性成形的方法的装置，其特征是由激光加载***和靶材装夹***连接组成，激光加载***由纳秒脉冲激光器和聚焦透镜组成，由纳秒脉冲激光器发出的激光光束经过透镜聚焦后直接进入靶材装夹***，靶材装夹***由压板、光学介质、飞片、靶材、模板、靶材装夹器组成，压板带有螺旋机构，旋入靶材装夹器的凹腔。光学介质和飞片通过压板压力紧压。
3.根据权利要求1所述的实现强激光冲击微塑性成形的方法的装置，其特征使用真空润滑油脂对光学介质和吸收层的间隙进行密封。
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