[發明專利]一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法

無效

• 申請號: 201410090887.8
• 申請日: 2014-03-12
• 公開（公告）號: CN103862179A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 季凌飛;李健;胡炎;吳燕;鮑勇
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K26/364
• 分類號: B23K26/364;B23K26/402
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 戴鳳儀

技術領域

本發明涉及一種陶瓷表面加工技術領域，特別涉及一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法及其系統，適合于陶瓷表面二維精細刻線結構的加工。

背景技術

陶瓷材料具有輕質，耐高溫，耐腐蝕，高強度和化學穩定性好的特性，正是由于其良好的物理性質和化學性質，被廣泛應用在電子，航空，機械和生物醫學等領域。如作為柔版印刷心臟的陶瓷網紋輥是保證傳墨、勻墨質量最為關鍵的部件，需要在陶瓷表面加工出網穴或直線凹槽等精細刻線結構。諸如此類的材料表面微結構制造目前在生物醫學，微電子，能源和機械等領域應用相當廣泛，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；規則或隨機分布的坑、槽等有助于在接觸表面間建立或局部形成潤滑薄膜，從而達到減阻效果。生物陶瓷表面人造微細結構對于細胞的粘附、生長等具有重要作用。TEIXEIRA等在脊寬70nm，槽深600nm的溝槽微結構表面成功種植了角膜上皮細胞（Journal?of?cell?science;2003,116(10)1881-1892）。但由于陶瓷材料是共價鍵，離子鍵或兩者混合化學鍵結合的物質，晶體間的化學鍵方向性強，具有高硬度和高脆性的本征特性。基于機械磨削的傳統加工方式存在效率低，精度差和刀具磨損嚴重等問題，限制了其在工業領域中的應用。激光加工是一種無接觸式的加工方法，在加工過程中不存在應力損傷，可以在一定程度上改善這些問題。Manabu?Wakuda等人用準分子激光在氮化硅陶瓷表面加工微凹坑陣列，使其的摩擦系數從0.12降低到0.10（Wear254(2003)356-363）。目前材料表面精細結構的激光加工一般是采用激光束直接輻照加工，結構的線寬精度受光斑尺寸限制，結構質量因脈寬的影響往往無法避免微細裂紋、重凝層等的存在。王鑫等人使用60ns準分子激光器在Y-ZTP陶瓷上刻蝕一系列微凹槽，線寬約20μm，深度約10μm，在凹槽兩側出現了重凝層（J.Am.Ceram.Soc,91[2]391-397(2008)）。長脈沖（脈寬≥ns）激光與材料的相互作用機制是熱燒蝕效應，因此熱影響不可避免。

發明內容

為了解決現有技術的問題，實現具有高熔點、高硬脆物理特性的陶瓷表面上的高精微細加工刻蝕，本發明提供了一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法。采用皮秒脈寬激光作為能量源抑制刻線區域熱影響區，消除重凝層，從而顯著提高刻線質量和精度。使用光纖引導激光的加工方法突破了光斑尺寸的限制，從而獲得對具有高熔點、高硬脆性陶瓷材料的高精微細加工效果。

所述技術方案如下：

本發明提供了一種陶瓷表面精細刻線結構激光加工方法，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于陶瓷表面上；

步驟二，通過皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上的光纖覆蓋區進行掃描輻照，皮秒級脈寬激光通過陶瓷表面上的光纖引導產生局域光場增強效應，在陶瓷表面上加工出溝槽；

步驟三，根據步驟二中加工溝槽的情況設置激光器參數，使用皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上鋪設的光纖覆蓋區進行掃描輻照，在陶瓷表面上加工出與光纖排布相同的精細凹槽陣列。

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。

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。

所述步驟三中的皮秒級脈寬激光對陶瓷表面上鋪設的光纖覆蓋區進行掃描輻照，其具體方法是：所述激光垂直或平行于光纖鋪設方向掃描。

陶瓷表面距離皮秒級脈寬激光的焦點為3mm～12mm；皮秒級脈寬激光的掃描速度為100mm/s～1000mm/s，功率為8～12W，重復頻率為100kHz～500kHz。

所述皮秒級脈寬激光的焦點距離陶瓷的表面為9mm；皮秒級脈寬激光的掃描速度為300mm/s，平均功率為10W，重復頻率為100KHz。

所述步驟二和步驟三中設置的皮秒級脈寬激光光束掃描間隔小于皮秒級脈寬激光焦點處光斑直徑。

本發明提供的技術方案帶來的有益效果是：