CN109913919B - 一种在工件表面制备微纳二维结构的加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在工件表面制备微纳二维结构的加工方法及装置，属于特种加工领域。该方法在加工过程中采用激光烧蚀与电化学沉积相耦合的方法，激光束聚焦在工件基板表面，通过数控***控制激光烧蚀的区域和路径，在工件基板表面加工出微米级结构；激光烧蚀的同时，工具阳极保持正对烧蚀区域，在工件基板该区域微米结构上沉积出纳米结构。为了将阳极电场最大限度的约束在电极顶端区域，将工具阳极穿入绝缘玻璃管内实现侧壁绝缘。另外，激光的热‑力效应使辐照区域溶液温度升高，同时产生强烈的搅拌作用，加快沉积液的循环流动更新，促进纳米结构的快速高效生长。本发明适用于零部件表面的微纳二维结构的高效加工和制造。

Description

一种在工件表面制备微纳二维结构的加工方法及装置

技术领域

本发明涉及特种加工技术中表面加工领域，尤其涉及一种激光电化学复合加工的方法和装置，适用于功能性表面微结构的加工和制造。

背景技术

近年来，作为一种可以显著提高界面性能的方法，表面织构已成为国内外界面科学领域的一个研究热点，微细加工技术的进步，使得通过精确控制织构的形状和尺度，优化其界面性能成为可能。润湿性是固体表面的重要特征之一，直接影响着表面流体的流动和相变等特性，无论是在自然界还是在人类生活中都发挥着巨大作用，另一方面，作为一种典型的界面现象，表面润湿性在界面化学、物理学、材料学、界面结构设计以及其它交叉学科的基础研究中也有极为重要的研究价值。材料表面的微观结构是决定固体表面润湿性的主要因素之一，因而通过表面微造型调控材料表面润湿性的研究在现阶段备受关注。

一般认为，水接触角θ<5°的材料表面定义为超亲水表面，5°＜θ<90°的材料表面亲水，90°<θ<150°的材料表面疏水，而θ>150°的材料表面定义为超疏水表面。研究表明，材料表面的超疏/亲水特性主要取决于表面自由能及粗糙度，通过表面化学组成与表面微观结构的协同作用，可实现超疏/亲水表面的有效制备。

现阶段，得益于“荷叶效应”相关的特殊润湿性表面研究，表面微纳结构的构建已经成为获得超疏水和超亲水表面的一种常见途径。经过对现有的技术检索发现，公布号为CN107321583A的专利中提出了一种微纳米分级结构超疏水表面的原位构建方法，它首先利用电化学刻蚀的方法，以溶液为电解液，在金属基体上构建出微米级粗糙结构，然后采用水热法，以一定浓度的六水合三氯化铝和三乙醇胺溶液为刻蚀液，在已有微米级结构表面继续刻蚀出具有‘针球’状结构的纳米级结构，随后利用十七氟硅烷进行低能化处理，最终获得具有微纳米分级结构的超疏水表面；公布号为CN108478858A的专利中提出了一种钛种植体纳米级超亲水表面的制备方法,该方法首先使用砂粒对钛种植体进行喷砂抛光处理，然后进行酸蚀抛光处理，再将其置入电解液中进行阳极氧化处理，最后放入热处理装置中进行热处理，得到具有纳米级形貌表面的钛种植体。

传统的以纳米材料制备方法和光刻技术为核心的制备仿生结构表面的方法一般只能获得纳米或者微米一种结构，很难通过一种方法或者一个过程制备出同时具有微米和纳米结构的仿生微纳结构表面。两步法虽能构造出微纳米复合结构，但通常需要更长的加工周期，且制备工艺复杂，加工成本昂贵，尚存在改进的余地；在应用方面，制备的超疏/亲水表面存在一定的局限性，表面微结构与基体的附着力较低，容易导致基体表面的超疏/亲水微结构脱落，进而影响超疏/亲水性能的稳定性及其应用潜能。

发明内容

本发明的目的是针对现有加工技术的不足，提出一种简便易行、成本低廉、机械性能好、可控性强，适用于在工件表面快速制备微纳二维结构表面的激光辅助电化学复合微细电沉积的加工方法和装置。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种在工件表面制备微纳二维结构的加工方法，利用激光束烧蚀和电化学沉积同时在工件表面产生微米-纳米二维结构，获得零部件表面的超疏/亲水功能；激光器发出的激光束经过光路传输***和凸透镜的聚焦，辐照在工件基板表面，在工件基板表面烧蚀出微米级结构；同时，直流电源正极、负极分别接工具阳极和工件基板，接通电源，保持工具阳极正对激光烧蚀区域，采用电化学的方法在微米结构上沉积出纳米级结构。

进一步的，包括如下步骤：

绘制运动路径模型，并输入到计算机中；

对工件基板进行表面预处理；

将工件基板固定在工作槽中，工具阳极接直流脉冲电源正极，并由工作手臂夹持放置于工件基板上方，工件基板与直流脉冲电源负极相连，加入沉积液，使工件基板及工具阳极下端浸没于沉积液中，通电时，工件基板与工件阳极在沉积液内构成电化学回路；

将工作槽安装在运动平台上，调节x-y-z三轴运动平台的高度，使激光聚焦于工件基板表面；

开启微型泵进行循环换液，保证工作槽中溶液的浓度均匀；

开启直流脉冲电源，沉积液中的带电金属离子在工件基板表面发生电化学还原反应，同时开启脉冲激光器，激光束与电沉积脉冲电流同步辐照在沉积部位，实现激光与电沉积的同时加工；

根据所设定的运动路径，通过运动控制器控制x-y-z三轴运动平台，对工件基板进行持续加工，实现微米-纳米二维结构的同步快速加工。

一种工件表面制备微纳二维结构的加工装置，包括激光辐照***、加工***和控制***；

所述激光辐照***包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜；激光由脉冲激光器发出，经反射镜改变传输方向，再通过聚焦透镜聚焦，聚焦后的激光束辐照在工件基板上；

所述加工***包括直流脉冲电源、工作槽、工件基板、工具阳极、x-y-z三轴运动平台；所述工作槽设置于x-y-z三轴运动平台上；所述直流脉冲电源的正极与工具阳极相连，负极与工件基板相连；工件基板及工具阳极下端浸没于沉积液中，工件基板与工件阳极在沉积液内构成电化学回路；所述工具阳极由x-y-z三轴运动平台的工作手臂夹持；

所述控制***包括计算机和运动控制器，所述计算机控制脉冲激光器、直流脉冲电源和运动控制器；所述运动控制器控制x-y-z三轴运动平台。

进一步的，对所述工具阳极侧壁绝缘，工具阳极为不溶性金属丝。

进一步的，通过绝缘玻璃管对所述工具阳极进行侧壁绝缘。

进一步的，工具阳极设置于工件基板上方0.5～1.5mm。

进一步的，加工装置还包括工作液循环***，所述工作液循环***包括储液槽、微型泵、过滤器和节流阀；所述微型泵、过滤器、节流阀串联在回路中，储液槽与微型泵输入端相连，工作槽与过滤器相连；所述节流阀一端与工作槽相连，另一端与储液槽相连。

进一步的，所述加工***中还包括示波器；所述直流脉冲电源和示波器相连。

进一步的，所述脉冲激光器为纳秒脉冲激光器或者皮秒脉冲激光器。

进一步的，沉积液液面高于工件基板2～10mm，沉积液温度为30～50℃；直流脉冲电源电压可调为0～20V，频率与激光参数一致，占空比为0～80％。

本发明有益效果如下：

1.微纳米结构同时加工生成，操作流程简单，加工效率高；

2.电沉积过程中，可以通过调整激光束与工件基板之间的夹角改变激光入射的角度，控制微米结构的方向和纳米结构的分布，进而改变工件表面的亲/疏水性能的方向取向，来诱导调控液滴的定向运动和自输送。

3.激光的热-力效应会在电解液中产生强烈的搅拌作用，显著增强电化学反应离子的对流传质，加快沉积液的循环流动更新，促进纳米结构的快速高效生长，有效提高加工效率。

4.采用直径小于500μm的钝性金属丝作为工具阳极，将金属丝***内经大小与之相匹配的绝缘玻璃管，采用热处理的方式固结端头进行侧壁绝缘，仅留前端导电，将阳极电场限制在电极顶端区域，缩小了工件基板上的电场作用范围，仅保留电极中心区域进行电沉积，增强了加工定域性。

5.电沉积过程中，沉积体上会析出氢气，激光热力效应在电极/溶液界面处形成温度梯度和脉动冲击，产生定域强力搅拌作用，氢气气泡更易于排出，提高了沉积层表面质量。

6.激光从侧面辐照在发生电沉积的区域，避免了激光从工具阳极上方向下方照射时因电极的遮掩而影响加工微细程度的问题。

7.激光烧蚀纹理化工件表面具有精度高、热影响小、可控性好、污染小等优势，该方法简单、高效、成本较低。

附图说明

图1为激光辅助电化学沉积快速制备超疏/亲水表面的加工***示意图；

图2为激光偏置后获得的方向性微纳米结构的示意图；

图3为图2的局部放大示意图。

附图标记如下：

1.计算机；2.直流脉冲电源；3.示波器；4.运动控制器；5.x-y-z三轴运动平台；6.储液槽；7.过滤器；8.微型泵；9.节流阀；10.C轴；11.工具阳极；12.绝缘玻璃管；13.工件基板；14.反射镜；15.聚焦透镜；16.工作槽；17.B轴；18.脉冲激光器；19.激光束；20.电场线；21.纳米结构；22.微米结构。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种在工件表面制备微纳二维结构的加工方法，利用激光束烧蚀和电化学沉积同时在工件表面产生微米-纳米二维结构，获得零部件表面的超疏/亲水功能；激光器发出的激光束经过光路传输***和凸透镜的聚焦，辐照在工件基板13表面，在工件基板13表面烧蚀出微米级结构；同时，直流电源正极、负极分别接工具阳极11和工件基板13，接通电源，保持工具阳极11正对激光烧蚀区域，采用电化学的方法在微米结构上沉积出纳米级结构。

一种在工件表面制备微纳二维结构的加工装置，包括激光辐照***、加工***和控制***；所述激光辐照***包括脉冲激光器18、反射镜14、聚焦透镜15；激光由脉冲激光器18发出，经反射镜14改变传输方向，再通过聚焦透镜15聚焦，聚焦后的激光束19辐照在工件基板13上；所述加工***包括直流脉冲电源2、工作槽16、工件基板13、工具阳极11、x-y-z三轴运动平台5；所述工作槽16设置于x-y-z三轴运动平台5上；所述直流脉冲电源2的正极与工具阳极11相连，负极与工件基板13相连；工件基板13及工具阳极11下端浸没于沉积液中，工件基板13与工件阳极11在沉积液内构成电化学回路；所述工具阳极11由x-y-z三轴运动平台5的工作手臂夹持；

所述控制***包括计算机1和运动控制器4，所述计算机1控制脉冲激光器18、直流脉冲电源2和运动控制器4；所述运动控制器4控制x-y-z三轴运动平台5。

如图1所示，计算机1分别与脉冲激光器18、直流脉冲电源2和运动控制器4相连。计算机1可控制脉冲激光器18的激光参数和直流脉冲电源2的电源参数，同时计算机1能够运行路径执行代码，通过运动控制器4控制x-y-z三轴运动平台5的运动以及C轴10和B轴17的旋转运动。工作槽16安装在x-y-z三轴运动平台5上，工件基板13固定在工作槽16底部，工具阳极11置于工件基板13上方，直流脉冲电源2的正极接工具阳极11，负极接工件基板13，示波器3与直流脉冲电源2相连，实时监测电流参数。直流脉冲电源2正极→工具阳极11→沉积液→工件基板13→直流脉冲电源2负极构成回路，使得电化学反应能够进行。激光束由脉冲激光器18发出，经过反射镜14改变传输方向，再经过聚焦透镜15并穿透沉积液聚焦于工件基板13表面，运动控制器4控制x-y-z三轴运动平台5的运动路径以实现不同图形的沉积。沉积液储存在储液槽6中，由微型泵8提供动力经过滤器7将沉积液从储液槽6输送到工作槽16中，沉积液又经过节流阀9回流到储液槽6中实现循环。电沉积过程中，可以通过调整激光束19与工件基板13之间的夹角改变激光入射的角度，控制微米结构的方向和纳米结构的分布，进而改变工件表面的亲/疏水性能的方向取向，来诱导调控液滴的定向运动和自输送。

如图2所示，激光从侧面照射在发生电沉积的微区域内，在工件基板13上进行纹理化，加工出微米级表面结构，保持工具阳极11正对激光烧蚀区域，电化学电流与激光同步，在工件基板13该区域微米级结构22上沉积出纳米结构21，制备出微纳米复合结构。结合附图3，可以看到工具阳极11与工件基板13之间的电场线20，不溶性的工具阳极11穿入绝缘玻璃管12内实现侧壁绝缘，只有顶端导电，将阳极电场最大限度的约束在电极顶端区域，增强了沉积的定域性；激光的热-力效应会在电解液中产生强烈的搅拌作用，显著增强电化学反应离子的对流传质，促进纳米结构的高效快速成长，实现微纳二维微织构的高效加工和制造。

本发明具体实施例采用直径小于500μm的钝性金属丝作为工具阳极，将金属丝***内经大小与之相匹配的绝缘玻璃管，采用热处理的方式固结端头进行侧壁绝缘，仅留前端导电，将阳极电场限制在电极顶端区域，缩小了工件基板上的电场作用范围，仅保留电极中心区域进行电沉积，增强了加工定域性。

工件基板13为导电材料，工具阳极11与工件基板13可以垂直设置，且工具阳极11正对激光聚焦区域，使得微米结构22和纳米结构21同时产生，且微米结构22的大小和密度由烧蚀路径和激光参数决定，纳米结构21的大小和密度由电化学参数、激光束能量密度及工件基板13运动速度决定；所述工具阳极11为不溶性金属丝，外用与内经大小相匹配的绝缘玻璃管12进行侧壁绝缘，仅留端部导电，并对金属丝端面进行打磨抛光，置于工件基板13上方0.5～1.5mm处，将阳极区域的电场约束在电极顶端。所述工具阳极11由x-y-z三轴运动平台5的工作手臂夹持，可以通过运动控制器4实现三维空间运动和旋转运动。

脉冲激光器18发出的激光束19与工件基板13成一定夹角，从侧面辐照在工件基板13表面，避免了激光照射时因电极的遮掩而影响加工，所述激光束19与工件基板13之间的角度可调，通过调节x-y-z三轴运动平台的倾斜角度调整激光束与工件基板之间的角度。所述激光入射方向影响微米结构22的方向和纳米结构21的分布，使得表面亲/疏水性能具有一定的方向取向，可用于实现液滴的定向运动和自输送。所述沉积液液面高于工件基板132～10mm，沉积液温度保持在30～50℃。直流脉冲电源2电压为0～20V可调，频率与激光参数一致，占空比为0～80％。所述微型泵8工作压力小于2bar，流速小于0.5L/min，溶液流动对于沉积液液液面扰动极小。

本发明具体实施方法如下：

S1：利用软件编写控制代码，以保证得到想要的图形，编写代码时应注意采用较小的运动加速度，防止溶液晃动影响加工效果；

S2：配制相应的沉积液，沉积液的成分、浓度应根据所需要的沉积层材质合理选择，加入少量添加剂改善镀层性能和沉积速度，以及少量能提高沉积层表面质量的光亮剂、整平剂等；

S3：将工件基板13进行表面预处理，然后固定在工作槽16中，与直流脉冲电源2负极相连。将工具阳极11接直流脉冲电源2正极，固定在工件基板13上方0.5～1.5mm处，由于工具阳极11侧壁绝缘，仅有前端导电，缩小了工件基板13的电场作用区域，减小或消除杂散沉积现象，有益于提高沉积的定域性；

S4：加入沉积液，使液面高度高于工件基板13表面2～10mm，如果溶液层太薄，激光辐照产生的等离子体会溅起水花，如果溶液层太厚，激光经过溶液时能量损失严重，效率较低；

S5：将工作槽16置于x-y-z三轴运动平台5上，调节x-y-z三轴运动平台5，使激光聚焦于工件基板13上方0.2～1.5mm，利用激光热力效应形成脉动冲击，产生强力的流场搅拌作用，带动溶液中的金属离子向加工区移动，抑制浓差极化，促进纳米微结构的高效快速生长，显著提高电沉积反应效率；

S6：开启微型泵8进行循环换液，保证工作槽16中溶液的浓度、成分均匀；

S7：通过计算机1调节激光参数和直流脉冲电源参数，直流脉冲电源2的电压大小为0～20V可调，占空比为0～80％，频率与激光参数一致，示波器3与直流脉冲电源2相连，实时监测电源参数，确保加工过程中电源的稳定性；

S8：启脉冲激光器18、直流脉冲电源2以及运动控制器4，根据所设定的运动路径，通过运动控制器4控制x-y-z三轴运动平台5进而控制激光烧蚀的区域和路径，对工件基板13进行持续加工，实现微纳复合结构的高效同步制造和加工。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在工件表面制备微纳二维结构的加工方法，利用激光束烧蚀和电化学沉积同时在工件表面产生微米-纳米二维结构，获得零部件表面的超疏/亲水功能；其特征在于，激光器发出的激光束经过光路传输***和凸透镜的聚焦，辐照在工件基板(13)表面，在工件基板(13)表面烧蚀出微米级结构；同时，直流电源正极、负极分别接工具阳极(11)和工件基板(13)，接通电源，保持工具阳极(11)正对激光烧蚀区域，采用电化学的方法在微米结构上沉积出纳米级结构。

2.根据权利要求1所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

绘制运动路径模型，并输入到计算机(1)中；

对工件基板(13)进行表面预处理；

将工件基板(13)固定在工作槽(16)中，工具阳极(11)接直流脉冲电源(2)正极，并由工作手臂夹持放置于工件基板(13)上方，工件基板(13)与直流脉冲电源(2)负极相连，使工件基板(13)及工具阳极(11)下端浸没于沉积液中，通电时，工件基板(13)与工件阳极(11)在沉积液内构成电化学回路；

将工作槽(16)安装在运动平台上，调节x-y-z三轴运动平台(5)的高度，使激光聚焦于工件基板(13)表面；

开启微型泵(8)进行循环换液，保证工作槽(16)中溶液的浓度均匀；

开启直流脉冲电源(2)，沉积液中的带电金属离子在工件基板(13)表面发生电化学还原反应，同时开启脉冲激光器(18)，激光束(19)与电沉积脉冲电流同步辐照在沉积部位，实现激光与电沉积的同时加工；

根据所设定的运动路径，通过运动控制器(4)控制x-y-z三轴运动平台(5)，对工件基板(13)进行持续加工，实现微米-纳米二维结构的同步快速加工。

3.根据权利要求1所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，包括激光辐照***、加工***和控制***；

所述激光辐照***包括脉冲激光器(18)、反射镜(14)、聚焦透镜(15)；激光由脉冲激光器(18)发出，经反射镜(14)改变传输方向，再通过聚焦透镜(15)聚焦，聚焦后的激光束(19)辐照在工件基板(13)上；

所述加工***包括直流脉冲电源(2)、工作槽(16)、工件基板(13)、工具阳极(11)、x-y-z三轴运动平台(5)；所述工作槽(16)设置于x-y-z三轴运动平台(5)上；所述直流脉冲电源(2)的正极与工具阳极(11)相连，负极与工件基板(13)相连；工件基板(13)及工具阳极(11)的下端浸没于沉积液中，工件基板(13)与工件阳极(11)在沉积液内构成电化学回路；所述工具阳极(11)由x-y-z三轴运动平台(5)的工作手臂夹持；

所述控制***包括计算机(1)和运动控制器(4)，所述计算机(1)控制脉冲激光器(18)、直流脉冲电源(2)和运动控制器(4)；所述运动控制器(4)控制x-y-z三轴运动平台(5)。

4.根据权利要求3所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，对所述工具阳极(11)侧壁绝缘，工具阳极(11)为不溶性金属丝。

5.根据权利要求4所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，通过绝缘玻璃管(12)对所述工具阳极(11)进行侧壁绝缘。

6.根据权利要求3至5任一项所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，工具阳极(11)设置于工件基板(13)上方0.5～1.5mm处。

7.根据权利要求3所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，加工装置还包括工作液循环***，所述工作液循环***包括储液槽(6)、微型泵(8)、过滤器(7)和节流阀(9)；所述微型泵(8)、过滤器(7)、节流阀(9)串联在回路中，储液槽(6)与微型泵(8)输入端相连，工作槽(16)与过滤器(7)相连；所述节流阀(9)一端与工作槽(16)相连，另一端与储液槽(6)相连。

8.根据权利要求3所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，所述加工***中还包括示波器(3)；所述直流脉冲电源(2)和示波器(3)相连。

9.根据权利要求3所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，所述脉冲激光器(18)为纳秒脉冲激光器或者皮秒脉冲激光器。

10.根据权利要求3所述的在工件表面制备微纳二维结构的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，沉积液液面高于工件基板(13)2～10mm，沉积液温度为30～50℃；直流脉冲电源(2)电压可调为0～20V，频率与激光参数一致，占空比为0～80％。

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