CN105271106A - 一种多维连续微细结构的激光植入制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，属于表面微细结构加工、微纳米技术领域；本发明是通过移动三维精细平台的3D打印式扫描进给，配合激光的重复照射，并不断补充含有微细颗粒的悬浊液，在基材上制备出多层次的微细结构的方法；本方法可以在基片上制备出多层次相同材质的微细结构，也可以制备不同材质的多层次微细结构，本方法可以提高植入微细结构层与层之间的结合强度，也可以改善植入结构的结合强度和外观形貌，由于本方法的激光不与靶材直接作用，避免了靶材的熔融与汽化，且能够保证扫描轨迹的重复精度。
Description
技术领域
本发明涉及多维连续微细结构的制备方法，具体涉及一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，表面微细结构加工、微纳米技术领域。
背景技术
表面功能化技术长久以来一直是科学研究的重要方向，在工程领域内的应用也越来越普遍。近年来微纳米技术的发展，为表面功能化研究注入了新的活力，并随之展现出更为广阔的应用前景。通过改变物体表面的微观物理化学构成，或者在表面加工出一定的微细结构，可以改善工作面的机械、腐蚀、光电子、摩擦磨损以及流体力学等特性，从而提高器件的工作性能和效率。
连续微结构，特别是连续金属微结构，在微电路、微细电子元器件、微流控和微机电***等领域具有重要的应用意义，近年来激光诱导向前转移制备金属连续微结构的方法引起了人们越来越多的关注。
激光诱导向前转移，也叫激光直写的制造技术，其基本原理如图2所示，激光聚焦于靶材（或牺牲层）表面，当激光脉冲能量超过一定阈值，聚焦区域内的一小块材料被抛离靶材，射向基片并沉积于其上。激光诱导向前转移无需制作掩膜，加工周期短，工艺柔性好；沉积精度高，可以达到微米级别，比电铸的精度高一个量级；而且适用的材料更广泛，从金属、半导体、到陶瓷、高分子及至生物材料等都能用这种方法进行沉积。
Bohandy首次利用Nd:YAG脉冲激光，在硅基片上沉积出单元尺寸为数十微米的铜和银阵列，其后很多学者对不同金属及金属氧化物，包括铜、银、锌、铁和氧化锌等，对多种基片上的沉积过程进行了研究，成功制备出很多高分辨率的微细结构。通过选择合适的激光参数，精确控制靶材的熔融量，可以达到很高的沉积精度，单元的尺寸甚至可以小于激光焦点尺寸。Kuznetsov等通过精确控制的飞秒脉冲激光，在金、银等薄膜靶材上激发熔融喷射流和微滴喷射，成功制备出纳米级别的微凸、微颗粒和微柱形阵列，如图3所示。通过喷射微熔融滴的堆叠，他们还制备出了亚微米级别的三维微细结构。
现有的技术“激光诱导向前转移”，也叫“激光直写的制造技术”,使用激光器发出的激光，在金、银等薄膜靶材上激发熔融喷射流和微滴喷射，射向基材并且沉积于上，在离散表面微细阵列的制备中取得了很大的成功，不过由于靶材很薄，一次性消耗，一般情况下难以利用同一片靶材进行反复转移，连续表面微细结构的制备比较困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多维连续微细结构的激光植入制备方法；本方法可以在基片上制备出多层次相同材质的微细结构，也可以制备不同材质的多层次微细结构。
一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，通过移动三维精细平台的3D打印式扫描进给，配合激光的重复照射，并不断补充含有微细颗粒的悬浊液，利用激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，在基材上制备出同种材质多层次的微细结构。
可以通过注入不同种类的微细颗粒，制备出不同材质的多层次微细结构。
为提高多层次微细结构层与层之间的结合强度，可以在悬浊液内添加植入胶结颗粒，形成胶结层。
为了改善植入结构的结合强度和外观形貌，可以使用激光直接照射植入结构，进行后续修整。
由于靶材由悬浊液供给，容易添加和排出，以上工艺可在不改变工件装夹的状态下进行，可以保证扫描轨迹的重复精度。
本发明的具体步骤如图1所述：激光(1)经过凸透镜聚焦于含有微细颗粒(2)的悬浊液(3)中，激光能量超过悬浊液(3)的击穿阈值，在焦点处发生光学击穿产生空化泡（4），激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，将悬浊液（3）内的微细颗粒(2)冲击植入基材(5)；在悬浊液内通过注入不同种类的颗粒(6)，利用激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，可以制备出不同材质的多层次微细结构。
本发明的有益效果是：
1、本发明对悬浊液注入不同种类的颗粒，利用激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，将内部的微细颗粒冲击植入基材，能够制备出不同材质的多层次微细结构；
2、在悬浊液添加植入胶结颗粒，利用激光诱导产生的冲击波以及高速微射流将胶结颗粒植入微细结构的层与层之间，能够增强层与层之间的结合强度；
3、激光不与靶材直接作用，避免了靶材的熔融与汽化；
4、采用悬浊液供给靶材，容易添加和排出，整个工艺可在不改变工件装夹的状态下进行，能够保证扫描轨迹的重复精度。
附图说明
图1本发明的工作原理图；图中a是一次植入，b是二次植入；
图2激光诱导向前转移的基本原理图；图中1是脉冲激光、2是透镜组、3是透明约束层、4是靶材、5是基片；
图3激光向前转移熔融微滴图；(a)基本原理，(b)微滴喷射形成的二维与三维结构，图中1是激光脉冲、2是金箔、3是透明约束层、4是基片。
具体实施方式
下面通过实例对本发明做进一步详细说明，这些实例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
实施例1
一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，激光(1)经过凸透镜聚焦于含有微细颗粒(2)的悬浊液(3)中，激光能量超过悬浊液(3)的击穿阈值，在焦点处发生光学击穿产生空化泡（4），激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，将悬浊液（3）内的微细颗粒(2)冲击植入基材(5)；通过移动三维精细平台的3D打印式扫描进给，配合激光的重复照射，并不断补充含有微细颗粒的悬浊液，利用激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，在基材上制备出同种材质多层次的微细结构。
实施例2
一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，在悬浊液内通过注入不同种类的颗粒(6)，利用激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，可以制备出不同材质的多层次微细结构。
Claims (4)
1.一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，其特征在于：该方法通过移动三维精细平台的3D打印式扫描进给，配合激光的重复照射，并不断补充含有微细颗粒的悬浊液，在基材上制备出多层次的微细结构，具体方法是：
激光经过凸透镜聚焦于含有微细颗粒的悬浊液中，激光能量超过悬浊液的击穿阈值，在焦点处发生光学击穿产生空化泡，激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，将悬浊液内的微细颗粒冲击植入基材；在悬浊液内通过注入不同种类的颗粒，利用激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，制备出不同材质的多层次微细结构。
2.根据权利要求1所述一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，其特征在于：该方法通过注入不同种类的微细颗粒，制备出不同材质的多层次微细结构。
3.根据权利要求1所述一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，其特征在于：该方法添加植入胶结层，提高层与层之间的结合强度。
4.根据权利要求1所述一种多维连续微细结构的激光植入制备方法，其特征在于：该方法使用激光直接照射植入结构，进行后续修整，以改善植入结构的结合强度和外观形貌。
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