CN113414498A - 一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***及方法，方法包括S1、将基板安装于三维微位移平台上表面，将聚合物安装于基板上表面，将基板与超生振动装置连接；S2、将保护罩安装于基板上表面以包围聚合物，闭合保护罩顶部，抽出罩内气体，真空后持续输入惰性气体至罩内；S3、打开超声振动装置以使基板产生超声振动，并将超声振动传递至聚合物；S4、打开保护罩顶部，控制激光发生装置发出相应角度激光以对聚合物进行烧蚀；S5、控制三维微位移平台位移，以间接控制激光烧蚀的扫描速率、方向，以在聚合物上制备相应的烧蚀结构。本发明优点为利用超声波效应释放聚合物残余内应力，使聚合物不同区域成分更加均匀，表面微结构成形更稳定。
Description
技术领域
本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***及方法。
背景技术
聚合物合成透明材料广泛应用于生产生活各个领域。随着科技与时代的发展，对聚合物材料表面性能要求越来越高，对聚合物表面改性领域的研究越来越受到关注和重视。研究人员采用不同的微纳加工方法在聚合物材料的表面制备出具有特殊润湿性的微纳结构器件，例如模压法、阳极氧化、光刻法、化学腐蚀法、水热法、旋涂喷涂法和激光加工等。
近年来，由于激光束具有易于聚焦的特性，使得激光加工技术具有高精度和高稳定的性能，从而在制备各种材料微纳结构的研究中得到广泛应用。但由于激光加热具有能量密度高，速度快的特点，在聚合物表面激光快速成型过程中仍然会存在内部熔合不充分、夹杂等缺陷，以及变形开裂、零件组织不均匀、成型件强度低、力学性能不一致性等问题。
如申请号为CN202110270751.5的中国专利，其提供一种激光直写光刻机制作的三维微纳形貌结构及其制备方法。所述制备方法包括：提供三维模型图；将所述三维模型图在高度方向上进行划分，获得至少一个高度区间；将三维模型图在平面上进行投影得到映射关系，映射关系包括三维模型图上每个点对应在平面上的坐标，三维模型图上每个点的高度对应高度区间里的高度值，根据所述映射关系，将映射关系与曝光剂量进行对应，基于所述曝光剂量进行光刻。这样，可以得到任意三维微纳形貌结构。但是其仍然未提高激光加工成型技术的稳定性。
因此，如何提高激光加工成型技术的稳定性是亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***及方法，可提高激光加工成型技术的稳定性，保障聚合物表面微结构的稳定成形。
本发明采用以下技术方案：一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***，包括抽放气装置、超声振动装置、激光发生装置、三维微位移平台、保护罩；
三维微位移平台上表面固定安装有基板，聚合物固定安装于基板上表面，保护罩固定安装于基板上表面且将聚合物包围，保护罩顶部为可开闭式，保护罩表面设有气孔，抽放气装置与气孔连接，抽放气装置用于抽出保护罩内气体以及将惰性气体持续输入至保护罩内，激光发生装置设置于保护罩顶部外侧，激光发生装置用于发出相应角度激光以对聚合物进行烧蚀，超声振动装置与基板连接，通过超声振动装置以使基板产生超声振动，并将超声振动传递至聚合物底部。
作为优选方案，超声振动装置包括超声发生器、超声振动转换器，超声发生器与超声振动转换器一端连接，超声振动转换器另一端与基板连接。
作为优选方案，激光发生装置包括多组激光发生器，通过多组激光发生器以在聚合物上阵列形成相应激光照射角度的多个烧蚀点。
相应地，还提供一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，包括步骤：
S1、将基板固定安装于三维微位移平台上表面，将聚合物固定安装于基板上表面，并将基板与超生振动装置连接；
S2、将保护罩固定安装于基板上表面以将聚合物包围，闭合保护罩顶部，抽出保护罩内气体以使保护罩内真空，真空后持续输入惰性气体至保护罩内；
S3、打开超声振动装置，以使基板产生超声振动，并将超声振动传递至聚合物底部；
S4、打开保护罩顶部，并控制激光发生装置发出相应角度激光以对聚合物进行烧蚀；
S5、控制三维微位移平台位移，以间接控制激光烧蚀的扫描速率、方向，以在聚合物上制备相应的烧蚀结构。
作为优选方案，步骤S4中，激光发生装置包括多组激光发生器，通过控制多组激光发生器，以在聚合物上阵列形成相应激光照射角度的多个烧蚀点。
作为优选方案，所述步骤S2中，输入的惰性气体为氩气，所述氩气纯度为99.99％，输入氩气的流量为5L/min。
作为优选方案，步骤S3中，超声振动装置包括超声发生器、超声振动转换器，超声发生器发出相应功率的超声波，并通过超声振动转换器以将超声波转换成超声振动；且超声波的功率区间为0W-500W，超声振动频率为3KHZ，超声振动振幅为0μm-10μm。
作为优选方案，步骤S4中，激光的脉冲重复频率为1kHz、输出功率为4W、波长为800nm、脉冲宽度为400fs。
作为优选方案，步骤S5中，三维微位移平台在X、Y、Z轴的位移范围分别为30mm、15mm、15mm，三维微位移平台在X、Y、Z轴的单位定向移动精度均为1μm、移动速度均为0.1mm/s–2.0mm/s。
作为优选方案，步骤S1之前还包括步骤：将聚合物放入超声波清洗机中进行清洗，清洗完毕后对聚合物进行干燥。
本发明的有益效果是：
1、通过引入超声振动，利用超声波效应释放聚合物残余内应力，调节聚合物表面熔池温度梯度分布使不同区域的成分更加均匀，来保障聚合物表面微结构的稳定成形。
2、所提出的超声振动辅助激光烧蚀聚合物表面微结构作用机理可使用在大部分聚合物材料的制备上，为高品质聚合物材料的加工制造提供新的方案。
3、制造规则排列的聚合物表面阵列结构的方法简易，实现了相应聚合物表面阵列结构的稳定成型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***的结构示意图；
图2是一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法的流程图；
图3是激光烧蚀聚合物原理示意图；
图4是超声辅助激光烧蚀聚合物原理示意图；
图中：1、激光发生器，21、超声发生器，22、超声振动转换器，3、抽放气装置，4、聚合物，5、三维微位移平台，6、保护罩，7、基板，8、等离子体，9、气孔，10、熔融状聚合物，11、残余内应力，12、空化泡，13、超声波，14、激光。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
参照图1，本实施例提供了一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***，包括抽放气装置3、超声振动装置、激光发生装置、三维微位移平台5、保护罩6；
三维微位移平台5上表面固定安装有基板7，聚合物4固定安装于基板7上表面，保护罩6固定安装于基板7上表面且将聚合物4包围，保护罩6顶部为可开闭式，保护罩6表面设有气孔，抽放气装置3与气孔连接，抽放气装置3用于抽出保护罩6内气体以及将惰性气体持续输入至保护罩6内，激光发生装置设置于保护罩6顶部外侧，激光发生装置用于发出相应角度激光以对聚合物4进行烧蚀，超声振动装置与基板7连接，通过超声振动装置以使基板7产生超声振动，并将超声振动传递至聚合物4底部。
具体地：
超声振动装置包括超声发生器21、超声振动转换器22，超声发生器21与超声振动转换器22一端连接，超声振动转换器22另一端与基板7连接。
激光发生装置包括多组激光发生器1，通过多组激光发生器1以在聚合物4上阵列形成相应激光14照射角度的多个烧蚀点。
即，超声发生器21发出超声波，超声振动转换器22将超声波转换为超声振动并传递至基板7，进一步传递至聚合物4底部。因此当激光14对聚合物4进行刻蚀时，可利用超声波效应释放聚合物4残余内应力11，调节聚合物4表面熔池温度梯度分布使不同区域的成分更加均匀，来保障聚合物4表面微结构的稳定成形。可开闭式的保护罩6不仅对刻蚀环境起到保护作用，还通过与抽放气装置3的配合，为刻蚀提供了充满惰性气体的良好环境，避免了聚合物4氧化。另外，多组激光发生器1，可于聚合物4上阵列形成多个烧蚀点，且通过控制多组激光发生器1，可在聚合物4上阵列形成相应激光14照射角度的多个烧蚀点，进一步控制三维微位移平台5的位移，即可控制激光14烧蚀的扫描速率、方向，最终即可在聚合物4上制备相应的烧蚀结构。
实施例二：
参照图1、2，本实施例提供一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，基于实施例一所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***。
包括步骤：
S1、将基板7固定安装于三维微位移平台5上表面，将聚合物4固定安装于基板7上表面，并将基板7与超生振动装置连接；
S2、将保护罩6固定安装于基板7上表面以将聚合物4包围，闭合保护罩6顶部，抽出保护罩6内气体以使保护罩6内真空，真空后持续输入惰性气体至保护罩6内；
S3、打开超声振动装置，以使基板7产生超声振动，并将超声振动传递至聚合物4底部；
S4、打开保护罩6顶部，并控制激光发生装置发出相应角度激光14以对聚合物4进行烧蚀；
S5、控制三维微位移平台5位移，以间接控制激光14烧蚀的扫描速率、方向，以在聚合物4上制备相应的烧蚀结构。
具体地：
所述步骤S2中，输入的惰性气体为氩气。聚合物4在空气中，高温条件下会发生氧化，在惰性气体和真空环境下，可防止抑制氧化现象。因此将聚合物4试件放置在保护罩6中，将保护罩6中的空气抽出达到真空状态后，持续通入氩气(即在整个制备过程中持续通入)。且氩气纯度为99.99％，输入氩气的流量为5L/min。
步骤S3中，超声振动装置包括超声发生器21、超声振动转换器22，超声发生器21发出相应功率的超声波，并通过超声振动转换器22以将超声波转换成超声振动；且超声波的功率区间为0W-500W，超声振动频率为3KHZ，超声振动振幅为0μm-10μm。
步骤S4中，激光14的脉冲重复频率为1kHz、输出功率为4W、波长为800nm、脉冲宽度为400fs。
且，步骤S4中，激光发生装置包括多组激光发生器1，通过控制多组激光发生器1，以在聚合物4上阵列形成相应激光14照射角度的多个烧蚀点。即为制造规则排列的聚合物4表面阵列结构奠定基础。这里需要说明的是，通过控制激光发生器1的位置以及照射角度，即可调整烧蚀点位于聚合物4上的位置，以及烧蚀点处的激光14照射角度。
步骤S5中，三维微位移平台5在X、Y、Z轴的位移范围分别为30mm、15mm、15mm，三维微位移平台5在X、Y、Z轴的单位定向移动精度均为1μm、移动速度均为0.1mm/s–2.0mm/s。因此在烧蚀过程中，通过控制三维微位移平台5的位移，即可间接控制激光14烧蚀的扫描速率、方向。
在步骤S1之前，还可将聚合物4试件放入超声波清洗机中，加入无水乙醇以及自制去离子水对聚合物4试件进行清洗；清洗完毕后，选用电热恒温鼓风干燥箱对试件进行干燥处理，洗涤剂为无水乙醇与等离子水混合液。
以下对超声振动辅助激光14烧蚀聚合物4表面微结构成形的过程进行具体的原理解释：
打开超声振动装置，对基体7施加超声振动，通过超声在基体7中的传播，间接把超声振动引入聚合物4表面加工的熔池。待振动传递稳定后，打开激光发生装置，控制多组激光发生器1，以在聚合物4上阵列形成相应激光14照射角度的多个烧蚀点，如图3所示。
激光14接触材料后，表面部分迅速熔化，部分产生气化，气化物一部分会在聚合表面聚集发生电离形成等离子体8，一部分来不及电离与空气反应生成氧化物，形成体积较小的气孔9。同时，瞬间的温度场使烧蚀结构周围出现晶格缺陷，生成残余内应力11，影响表面结构形状，如图3所示。
由于熔池(激光14作用区域)的尺寸很小且熔池的位置随激光14的移动在不断的变化，直接把超声振动作用于熔池很难实现，因此可将超声作用于基板7，通过超声在基板7中的传播，间接把超声振动引入熔池。我们采用的超声振幅都小于或等于10μm，所以不考虑超声振动引起激光光斑直径的变化。
参照图4，施加超声振动后，超声振动的动应力与晶格应力共同作用下，会打开位错塞积，晶体内发生微观塑性变形，内部残余内应力11释放出来，起到减小残余内应力11的作用。在超声波14的空化效应下，聚合物4熔体分子在其平衡位置发生弹性振动，在超声负压相产生的拉应力作用下脱离其平衡位置而形成空穴，空穴继续长大成为空化泡12。空化泡12在超声波14的作用下不断膨胀、压缩体积进一步增加，更易上浮逸出熔池。
最后，控制三维微位移平台5进行预设轨迹的位移，间接控制激光14烧蚀扫描速率、方向。保证精度的同时可制备不同的烧蚀结构。
本发明的有益效果是：
1、通过引入超声振动，利用超声波效应释放聚合物残余内应力，调节聚合物表面熔池温度梯度分布使不同区域的成分更加均匀，来保障聚合物表面微结构的稳定成形。
2、所提出的超声振动辅助激光烧蚀聚合物表面微结构作用机理可使用在大部分聚合物材料的制备上，为高品质聚合物材料的加工制造提供新的方案。
3、制造规则排列的聚合物表面阵列结构的方法简易，实现了相应聚合物表面阵列结构的稳定成型。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***，其特征在于，包括抽放气装置、超声振动装置、激光发生装置、三维微位移平台、保护罩；
三维微位移平台上表面固定安装有基板，聚合物固定安装于基板上表面，保护罩固定安装于基板上表面且将聚合物包围，保护罩顶部为可开闭式，保护罩表面设有气孔，抽放气装置与气孔连接，抽放气装置用于抽出保护罩内气体以及将惰性气体持续输入至保护罩内，激光发生装置设置于保护罩顶部外侧，激光发生装置用于发出相应角度激光以对聚合物进行烧蚀，超声振动装置与基板连接，通过超声振动装置以使基板产生超声振动，并将超声振动传递至聚合物底部。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***，其特征在于，超声振动装置包括超声发生器、超声振动转换器，超声发生器与超声振动转换器一端连接，超声振动转换器另一端与基板连接。
3.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备***，其特征在于，激光发生装置包括多组激光发生器，通过多组激光发生器以在聚合物上阵列形成相应激光照射角度的多个烧蚀点。
4.一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将基板固定安装于三维微位移平台上表面，将聚合物固定安装于基板上表面，并将基板与超生振动装置连接；
S2、将保护罩固定安装于基板上表面以将聚合物包围，闭合保护罩顶部，抽出保护罩内气体以使保护罩内真空，真空后持续输入惰性气体至保护罩内；
S3、打开超声振动装置，以使基板产生超声振动，并将超声振动传递至聚合物底部；
S4、打开保护罩顶部，并控制激光发生装置发出相应角度激光以对聚合物进行烧蚀；
S5、控制三维微位移平台位移，以间接控制激光烧蚀的扫描速率、方向，以在聚合物上制备相应的烧蚀结构。
5.根据权利要求4所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，其特征在于，步骤S4中，激光发生装置包括多组激光发生器，通过控制多组激光发生器，以在聚合物上阵列形成相应激光照射角度的多个烧蚀点。
6.根据权利要求4所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，输入的惰性气体为氩气，所述氩气纯度为99.99％，输入氩气的流量为5L/min。
7.根据权利要求4所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，其特征在于，步骤S3中，超声振动装置包括超声发生器、超声振动转换器，超声发生器发出相应功率的超声波，并通过超声振动转换器以将超声波转换成超声振动；且超声波的功率区间为0W-500W，超声振动频率为3KHZ，超声振动振幅为0μm-10μm。
8.根据权利要求4所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，其特征在于，步骤S4中，激光的脉冲重复频率为1kHz、输出功率为4W、波长为800nm、脉冲宽度为400fs。
9.根据权利要求4所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，其特征在于，步骤S5中，三维微位移平台在X、Y、Z轴的位移范围分别为30mm、15mm、15mm，三维微位移平台在X、Y、Z轴的单位定向移动精度均为1μm、移动速度均为0.1mm/s–2.0mm/s。
10.根据权利要求4所述的一种超声辅助激光烧蚀聚合物表面成形的制备方法，其特征在于，步骤S1之前还包括步骤：将聚合物放入超声波清洗机中进行清洗，清洗完毕后对聚合物进行干燥。
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2021
- 2021-06-10 CN CN202110649216.0A patent/CN113414498A/zh active Pending
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