專利名稱：強激光沖擊微塑性成形的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)加工技術和激光微加工領域，特指強激光沖擊微塑性成 形的方法及其裝置，采用納秒脈沖激光輻射金屬飛片材料表面，使其表面層氣化后形成高溫 高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸驅(qū)動飛片，飛片高速飛行撞擊，金屬耙材產(chǎn)生沖擊 波使其發(fā)生微納尺度的塑性變形。
背景技術：
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，產(chǎn)品微型化的趨勢日趨加快，對微、小型零件的需求量也越 來越大，特別是微機電系統(tǒng)(MEMS)領域的飛速發(fā)展，使微成形技術和微型模具制造成為工 業(yè)界重點研究的對象。盡管應用微細加工方法可以直接成形用于MEMS的微小構件，但通過 微型模具成形微小制件更易于保證質(zhì)量，且成形工藝容易控制,便于自動化生產(chǎn),是大批量成 形微型制件的重要工藝發(fā)展方向。由于各種微細加工方法的適用范圍不同,用傳統(tǒng)的微機械切削加工方法加工三維微小模 具,雖然工藝簡便實用，但其能加工的模具型腔尺寸較大、精度較低；電化學等微細特種雖在 難切削材料、復雜型面和低剛度材料的模具型腔加工中,具有不可替代的優(yōu)勢;但加工工藝相 對復雜。LIGA技術可加工出具有高深寬比和高精度的微結構零件,且加工溫度較低，它不僅可成 形納米級尺度的微小結構,而且還能制造大到毫米級尺寸的微型結構,因此非常適用于微型模 具制造。LIGA技術雖然具有突出的成形優(yōu)點,但它的工藝過程比較復雜，為了獲得X光源,需要 昂貴的同步加速器。但是微型化產(chǎn)業(yè)所要求的大批量、高效率、高精度、高密集、短周期、低成本、無污染、 凈成形等固有特點制約了上述微細加工技術的廣泛應用。因此面向微細制造的微成形技術在 短短十年內(nèi)得到了迅速發(fā)展。面向微細制造的微成形技術研究勢在必行,且己成為研究領域 和業(yè)界的新熱點。尤其是大面積的微納尺度三維成形， 一直存在許多技術上的難點。比如要 求制造的快速性，制造的可重復性，對周圍環(huán)境的無污染等方面的要求。而本發(fā)明激光驅(qū)動飛片加載成形三維微納結構技術比較好地克服了以上的一些難題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的提供了一種強激光沖擊微塑性成形的方法及其裝置。其采用激光熱力耦合 原理，利用激光驅(qū)動飛片模式，可在靶材表面復制出微納米尺度三維結構。當激光輻照在箔膜物質(zhì)上時,沉積的激光能量將使箔膜的表面部分被汽化和電離，產(chǎn)生 的等離子體快速向外膨脹噴濺，其反沖作用力可形成強沖擊波以驅(qū)動剩余部分箔膜即飛片的 高速運動。脈沖激光經(jīng)透鏡聚焦后，穿過透明約束層到達飛片。激光輻射到飛片表面極短時間內(nèi)， 飛片表面即到達汽化溫度，并且一段時間汽化溫度保持不變。隨著對持續(xù)激光能量的吸收， 部分吸收層形成高溫高壓等離子體，新形成的等離子體繼續(xù)吸收激光能量使得等離子體膨脹 爆破從而對飛片施加高壓沖擊波。高壓沖擊波使得中間介質(zhì)層在短時間內(nèi)獲得了沖擊動量。 微觀上飛片和鋁箔存在空間，髙壓等離子體驅(qū)動未被氣化的中間介質(zhì)層高速撞擊鋁箔。飛片 在鋁箔表面形成的應力可近似認為一維平面應力。當激光誘導形成的平面應力沖擊波峰壓大 于材料的動態(tài)屈服強度時，材料即發(fā)生塑性形變。由于微模板的存在，樣品的彈性和塑性變 形的方向受到一定的約束，從而使樣品準確復制模板的三維結構，達到成形的目的。本發(fā)明按照如下的步驟實現(xiàn)先將實驗所用的靶材雙面電解拋光。在壓板上壓附微米尺度厚的一塊透明光學介質(zhì)作為 約束層，金屬飛片緊壓在光學介質(zhì)上。通過壓板將光學介質(zhì)，金屬飛片，靶材和模板固緊在 專用耙材裝夾器上。開啟納秒脈沖激光器，調(diào)節(jié)好光路，使由納秒脈沖激光器輸出的激光經(jīng) 透鏡聚焦到靶材表面，然后對納秒脈沖激光進行單次發(fā)射操作,從而實現(xiàn)靶材的單脈沖激光 沖擊，由于等離子體爆炸瞬時產(chǎn)生的沖量驅(qū)動飛片高速撞擊靶材，靶材屈服與模版貼合。其 中激光的工作狀態(tài)參數(shù)為波長532nm或1064nm輸出單脈沖，飛片的材料與厚度為A1片10 20um厚度，飛片與靶材的間隙距離為10 150um，靶材的物理參數(shù)包括金屬靶材的性能、 有機聚合物薄膜，以及模版的結構參數(shù)指尺寸范圍為微米、亞微米、納米尺度，這些參數(shù)的 共同影響，將決定靶材表面復形模版的表面微納米結構的匹配程度。激光的工作狀態(tài)由光斑直徑、激光脈寬以及激光單脈沖能量決定，這些參數(shù)可通過對納 秒脈沖激光器進行調(diào)節(jié)來確定，具體要求是為了使撞擊的飛片能夠在靶材內(nèi)部產(chǎn)生平面且穩(wěn) 定的沖擊波，飛片撞擊靶材時的狀態(tài)特性滿足平面性和完整性的要求。實現(xiàn)本發(fā)明的裝置由激光加載系統(tǒng)和靶材裝夾系統(tǒng)連接組成。激光加載系統(tǒng)由納秒脈沖 激光器和聚焦透鏡組成，由納秒脈沖激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過透鏡聚焦后直接進入靶材裝夾系統(tǒng)，其中激光光束采用納秒脈沖激光器的二倍頻輸出(波長532nm)或者基波輸出(波長 1064nm)。靶材裝夾系統(tǒng)由壓板、光學介質(zhì)、飛片、靶材、模板、耙材裝夾器組成，壓板帶 有螺旋機構，可旋入靶材裝夾器的凹腔。光學介質(zhì)和飛片通過壓板壓力緊壓，而且盡量減少 光學介質(zhì)和吸收層的間隙。如有必要，使用真空潤滑油脂進行密封。 本發(fā)明具有如下優(yōu)勢激光驅(qū)動飛片本身具有獨特的優(yōu)越性，不但可以驅(qū)動金屬飛片，而且還可大大提高飛片 的速度，產(chǎn)生極高的壓力。激光驅(qū)動飛片作為成形加載技術，可以將厚度為微米量級，直徑 為毫米量級的金屬飛片在幾十納秒內(nèi)驅(qū)動至lj5 10km/s的高速，在樣品中產(chǎn)生極高的壓力和 應變率。而且產(chǎn)生的沖擊波壓力加載具有較高的平面性，完整性和可重復性。飛片高速撞擊產(chǎn)生的平面應力沖擊波，復制出三維微米尺度的高空間分辨率結構。復制 的過程不僅能夠大面積得到微米高分辨率，而且復制的微結構的成本基本上與具體結構的復 雜程度無關。因此本發(fā)明是一種低成本批量生產(chǎn)微器件和其他具有微米特征尺寸元件的關鍵 技術。相較于傳統(tǒng)的微加工技術，本發(fā)明的另一個明顯的優(yōu)勢就是激光強化作用帶來的材料使 金屬結構表面改性，極大地擴展了該技術的研究與應用。激光強化作用能提高微金屬零件表 面硬度，提高微傳感的靈敏度，使微驅(qū)動裝置提供更高的動力，扭矩和能量。因此脈沖激光直接大面積制作或復制三維微機械、微模具金屬結構，線寬可從幾百微米 到數(shù)十納米的微塑性成形，將是一種低成本，高效率，少污染的新型激光微加工技術，具有 廣闊的工業(yè)應用前景。


圖1激光驅(qū)動飛片加載實現(xiàn)微納尺度三維成形的裝置示意圖 圖2激光驅(qū)動飛片成形加載示意3激光驅(qū)動飛片加載后微米和納米尺度三維結構成形表面形豸鬼 1納秒脈沖激光器，2激光光束，3聚焦透鏡，4壓板，5光學介質(zhì)，6飛片，7耙材， 8模版，9耙材裝夾器具體實施方式
圖l所示為激光驅(qū)動飛片加載實現(xiàn)微納尺度成形三維結構的裝置示意圖，對其細節(jié)和實 施情況說明如下激光驅(qū)動飛片加載實現(xiàn)微納尺度成形三維結構的裝置由激光驅(qū)動系統(tǒng)和耙材裝夾系統(tǒng) 組成。激光驅(qū)動系統(tǒng)由納秒脈沖激光器l和聚焦透鏡3組成，由納秒脈沖激光器l發(fā)出的激 光光束2經(jīng)過透鏡聚焦后直接進入靶材裝夾系統(tǒng)。靶材裝夾系統(tǒng)由壓板4、光學玻璃5、飛片 6、靶材7、模版8、靶材裝夾器9組成，壓板4帶有螺旋機構，可旋入耙材裝夾器9的凹腔， 從而可以并壓附光學玻璃5、靶材9固緊于耙材裝夾器5的凹腔內(nèi)。圖3是激光驅(qū)動飛片加載后微米和納米尺度金屬三維結構成形表面形貌。其中圖3 (a) 是原始DVD-R模板的SEM表面形貌圖，線寬約為200nm 250nm;圖3 (b)脈沖激光驅(qū)動 飛片加載三維成形后，靶材SEM表面形貌圖。圖3 (c)脈沖激光驅(qū)動飛片加載三維成形后， 金屬靶材表面臺階陣列SEM形貌圖。圖3 (d)脈沖激光驅(qū)動飛片加載三維成形后，金屬耙 材表面中心的SEM形貌圖。
權利要求
1.強激光沖擊微塑性成形的方法，其特征是先將實驗所用的靶材雙面電解拋光，在壓板上壓附微米尺度厚的一塊透明光學介質(zhì)作為約束層，金屬飛片緊壓在光學介質(zhì)上，通過壓板將光學介質(zhì)，金屬飛片，靶材和模板固緊在專用靶材裝夾器上，再開啟納秒脈沖激光器，調(diào)節(jié)好光路，使由納秒脈沖激光器輸出的激光經(jīng)透鏡聚焦到靶材表面，然后對納秒脈沖激光進行單次發(fā)射操作，從而實現(xiàn)靶材的單脈沖激光沖擊，其中激光的工作狀態(tài)參數(shù)為波長532nm或1064nm輸出單脈沖，飛片的材料與厚度為Al片10～20μm厚度，飛片與靶材的間隙距離為10～150μm，靶材的物理參數(shù)包括金屬靶材的性能、有機聚合物薄膜，以及模版的結構參數(shù)指尺寸范圍為微米、亞微米、納米尺度。
2. 根據(jù)權利要求l所述的實現(xiàn)強激光沖擊微塑性成形的方法的裝置，其特征是由激光加 載系統(tǒng)和靶材裝夾系統(tǒng)連接組成，激光加載系統(tǒng)由納秒脈沖激光器和聚焦透鏡組成，由納秒 脈沖激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過透鏡聚焦后直接進入靶材裝夾系統(tǒng)，靶材裝夾系統(tǒng)由壓板、 光學介質(zhì)、飛片、靶材、模板、靶材裝夾器組成，壓板帶有螺旋機構，旋入靶材裝夾器的凹 腔。光學介質(zhì)和飛片通過壓板壓力緊壓。
3. 根據(jù)權利要求l所述的實現(xiàn)強激光沖擊微塑性成形的方法的裝置，其特征使用真空潤 滑油脂對光學介質(zhì)和吸收層的間隙進行密封。
全文摘要
強激光沖擊微塑性成形的方法及其裝置，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)加工技術和激光微加工領域，其特征是先將實驗所用的靶材雙面電解拋光，在壓板上壓附微米尺度厚的一塊透明光學介質(zhì)作為約束層，金屬飛片緊壓在光學介質(zhì)上，通過壓板將光學介質(zhì)，金屬飛片，靶材和模板固緊在專用靶材裝夾器上，再開啟納秒脈沖激光器，調(diào)節(jié)好光路，使由納秒脈沖激光器輸出的激光經(jīng)透鏡聚焦到靶材表面，然后對納秒脈沖激光進行單次發(fā)射操作，從而實現(xiàn)靶材的單脈沖激光沖擊。本發(fā)明在樣品中產(chǎn)生極高的壓力和應變率。而且產(chǎn)生的沖擊波壓力加載具有較高的平面性，完整性和可重復性，能提高微金屬零件表面硬度，提高微傳感的靈敏度，使微驅(qū)動裝置提供更高的動力，扭矩和能量。
文檔編號B23K26/18GK101254574SQ20081001936
公開日2008年9月3日 申請日期2008年1月7日 優(yōu)先權日2008年1月7日
發(fā)明者明 周, 李保家, 蘭 蔡, 濤 黃 申請人:江蘇大學