CN102618899A - 激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置，属于制备表面结构化镀层的方法及其装置。方法为采用脉冲激光光刻技术对预先旋涂了光刻胶的金属材料表面进行光刻，然后浸入显影液中除去曝光的光刻胶，继而采用电化学沉积技术对材料表面进行复合镀层的可控电沉积，最后再清除未被曝光的光刻胶，在金属材料表面得到带有规则微观织构的表面复合镀层，实现表面摩擦学性能的最大化；装置为脉冲激光光刻系统装置和电化学沉积装置，所述的激光光刻系统由脉冲激光模块、光路传输模块和三维移动模块依次顺序连接；优点：结构可控。复合镀层的结构、成分可控。应用范围广。结合激光光刻加工技术与电化学沉积技术，实现材料表面减摩抗磨性能的最大化。

Description

激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置

 

技术领域

本发明涉及一种制备表面结构化镀层的方法及其装置，特别是一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置。

技术背景

随着科学技术及人类社会的发展，摩擦学材料的服役条件越来越极端化、复杂化，这对材料的耐磨性、减摩性等提出了越来越高的要求。在传统摩擦学材料的基础上，通过表面工程技术研发，表面减摩耐磨镀层为优化机械系统摩擦学性能、解决材料磨损提供了一条有效、也是极具生命力的方案和途径。

金属电沉积是制备复合镀层最有效的方法——它是将一种或数种不溶性的固体惰性颗粒、纤维等均匀地夹杂到金属沉积层中所形成的特殊表面层。其主要成分为：通过阴极还原得到的基质金属（由其形成均匀连续相)与不溶性固体微粒（不连续地分散在基质金属中)，这种复合材料具有基质金属与不溶性固体微粒两类物质的综合性能。采用电沉积方法获得复合材料镀层，工艺设备简单、耗能少，而且不改变基体金属的性能和外形尺寸。

目前，利用材料表面结构化技术实现材料减摩抗磨的研究才刚刚起步。例如，通过仿生的方法，采用YAG 纳秒激光器对材料表面进行织构处理，实现了织构表面更好的摩擦学性能。

发明内容

本发明的目的是要提供一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置，解决现有表面镀层技术存在的强度低、组织松散、与基体结合性能差的问题。

本发明的目的是这样实现的：制备微织构的方法，采用脉冲激光光刻技术对预先旋涂了光刻胶的金属材料表面进行光刻，然后浸入显影液中除去曝光的光刻胶，继而采用电化学沉积技术对材料表面进行复合镀层的可控电沉积，最后再清除未被曝光的光刻胶，在金属材料表面得到带有规则微观织构的表面复合镀层，实现表面摩擦学性能的最大化；

具体步骤如下：

1、             前期准备：准备材料样品及相关器材，建立所用脉冲激光光刻系统装置和电化学沉积装置；衬底材料表面光刻胶的旋涂：匀胶机进行旋涂、烘干，在70~110℃下烘干20min；调配电沉积所需的溶液，药品：硫酸镍200~300 g/L、硫酸钴20~50 g/L、氯化镍30~50 g/L、硼酸25~45g/L、去离子水作为溶剂； 

2、             激光光刻：调节激光的平均功率，范围在设在5~100mW，设定光闸的开闭，通过计算机控制移动平台，使激光在样品表面形成干涉条纹；关闭脉冲激光系统，取出样品，在80~100℃下烘干20min；

3、             显影：将样品放入显影液中，当光刻胶上曝光的部分被显影液溶解后，取出样品，以去离子水冲洗净显影液，自然干燥；

4、             电化学沉积：设定电化学工作站的各项参数，采用周期换向脉冲电沉积的工作模式，设定正反向脉冲工作时间5ms~1s、频率0~200Hz、电流密度10~50mA/cm²、工作比1~10，保持适宜的镀液温度30°C~60°C、ph值3~5、搅拌速度30~90r/min；

5、后处理：关闭电化学工作站，取出样品，以去离子水冲洗样品，自然干燥；然后放入有机溶液中除去未曝光的光刻胶，再以去离子水冲洗样品，自然干燥，得到最终样品。

现实制备方法的装置为脉冲激光光刻系统和电化学沉积装置，所述的激光光刻系统由脉冲激光模块、光路传输模块和三维移动模块依次顺序连接；

所述的脉冲激光模块由脉冲激光器和控制器组成，控制器与脉冲激光器连接，脉冲激光器输出到达全反镜；控制器的输出功率在零和最大功率范围内连续调节；脉冲激光器采用氟化氩，氟化氩产生的波长为193nm的紫外冷激光，重复频率50HZ，平均功率6W，脉宽17ns；

所述的光路传输模块由全反镜、扩束镜、分束镜和光闸依次顺序连接，光闸的缴光束输出至三维平台； 

所述的三维移动模块包括三维移动平台、步进电机和计算机，三维移动平台、步进电机和计算机依次顺序连接。

所述的电化学沉积装置主要由计算机、电化学工作站、阳电极、阴电极、烧杯、磁力搅拌加热装置、连接组成；计算机与电化学工作站连接，电化学工作站的阳电极和阴电极的输出端分别与阳电极和阴电极连接，阳电极和阴电极插入至烧杯中，烧杯置于磁力搅拌加热装置中，在烧杯内有磁力转子。

有益效果，由于采用了上述方案，首先建立脉冲激光光刻系统装置，按照脉冲激光模块、光路传输模块、三维移动模块依次连接。其中，光路传输模块按照全反镜、扩束镜、分束镜、光闸的顺序依次连接。

在激光光刻中，样品位于三维平台上，三维平台在计算机的控制下可以移动，目的是更加方便的调节激光干涉条纹在样品表面上的位置。激光的平均功率对样品表面实施加工，在样品表面产生具有深度、宽度的织构。

在电化学沉积中，调整正反向的电流密度，能够直接控制镀层性能的优劣、以及沉积的速度，由此又会影响到复合镀层的结构和成分；正反向的脉冲工作时间又会影响微纳织构的形状、规则与致密程度；尤其注意的是搅拌速度不能太大，否则会使得镀层中含有气泡导致性能变差。所以，样品表面的激光光刻及复合镀层电化学沉积的组合可以实现表面结构化复合镀层的快速制造。

本发明具体的效果表现为：

结构可控。通过调节激光的平均功率、光闸的开闭和光刻胶的旋涂厚度等条件，可以在材料表面的光刻胶上制备出具有不同深度、不同线宽的光刻胶阵列结构。继而通过电沉积可以制备出带有微织构的表面镀层，该结构的存在可以有效改善滑动表面的摩擦学性能。在干摩擦条件下，微织构能储存摩擦磨损过程中产生的磨屑或微颗粒，从而降低摩擦并减小磨损。而在润滑介质条件下，滑动表面上分布的微织构能形成动压润滑膜，具有良好的减摩抗磨效应。

复合镀层的结构、成分可控。通过调节复合镀层电沉积所需的溶液配方，沉积过程中的正反电流密度、脉冲时间等，可以有效的制备结构、成分可控的复合镀层，从而减少镀层内应力，有效抑制摩擦裂纹的扩展和蔓延，提高镀层的强度和抗塑性变形性能。另外，电沉积过程中由于加入的复合粒子不同，如金刚石、石墨等，可以制备出诸如耐磨复合镀层、自润滑镀层等具有特殊性能的复合镀层；而且，由于在电沉积工艺上使用的是周期换向脉冲的方法，所以制备出的微纳织构非常规则。

协同作用。材料表面激光光刻技术与电化学沉积技术相耦合，从而在材料表面形成具有规则织构的复合镀层。这可以使结构化表面的优异性能和复合镀层的优异性能相叠加，更进一步的提高材料表面的减摩抗磨性能。同时，可以使复合镀层与基体的结合力增加，有效提高摩擦过程中镀层的脱落。

应用范围广。脉冲激光具有光子能量大、波长短的特点，可以对任何材料进行精密的激光光刻；同时，电化学沉积也可以制备多种不同结构、不同金属含量的复合镀层。

解决了现有表面镀层技术存在的强度低、组织松散、与基体结合性能差的问题，达到本发明的目的。

优点：结构可控。复合镀层的结构、成分可控。应用范围广。结合激光光刻加工技术与电化学沉积技术，将表面结构化的减摩技术和复合镀层的减摩抗磨技术有效集成、协同耦合，实现材料表面减摩抗磨性能的最大化。 

附图说明

图1 脉冲激光光刻系统装置方案图。

图2 脉冲激光光刻系统装置示意图。

图3 电化学沉积装置示意图。

图4 样品表面结构化镀层制备过程原理图。

图中，1、脉冲激光模块；2、光路传输模块；3、三维移动模块；5、计算机；6、电化学工作站；7、磁力搅拌加热装置；8、铁架台；9、阳极；10、阴极；11、水域；12、电沉积溶液；13、磁力转子；14、烧杯；1-1、控制器；1-2、脉冲激光器；2-1、反射镜；2-2、扩束镜；2-3、分束镜；2-4 光闸；4、样品；3-1；三维平台；3-2、步进电机；3-3、计算机。

具体实施方式

实施例1：制备微织构的方法，采用脉冲激光光刻技术对预先旋涂了光刻胶的金属材料表面进行光刻，然后浸入显影液中除去曝光的光刻胶，继而采用电化学沉积技术对材料表面进行复合镀层的可控电沉积，最后再清除未被曝光的光刻胶，在金属材料表面得到带有规则微观织构的表面复合镀层，实现表面摩擦学性能的最大化；

具体步骤如下：

1、前期准备：准备材料样品及相关器材，建立所用脉冲激光光刻系统装置和电化学沉积装置；衬底材料表面光刻胶的旋涂：匀胶机进行旋涂、烘干，在70~110℃下烘干20min；调配电沉积所需的溶液，药品：硫酸镍200~300 g/L、硫酸钴20~50 g/L、氯化镍30~50 g/L、硼酸25~45g/L、去离子水作为溶剂； 

2、激光光刻：调节激光的平均功率，范围在设在5~100mW，设定光闸的开闭，通过计算机控制移动平台，使激光在样品表面形成干涉条纹；关闭脉冲激光系统，取出样品，在80~100℃下烘干20min；

3、显影：将样品放入显影液中，当光刻胶上曝光的部分被显影液溶解后，取出样品，以去离子水冲洗净显影液，自然干燥；

4、电化学沉积：设定电化学工作站的各项参数，采用周期换向脉冲电沉积的工作模式，设定正反向脉冲工作时间5ms~1s、频率0~200Hz、电流密度10~50mA/cm²、工作比1~10，保持适宜的镀液温度30°C~60°C、ph值3~5、搅拌速度30~90r/min；

5、后处理：关闭电化学工作站，取出样品，以去离子水冲洗样品，自然干燥；然后放入有机溶液中除去未曝光的光刻胶，再以去离子水冲洗样品，自然干燥，得到最终样品。

现实制备方法的装置为脉冲激光光刻系统装置和电化学沉积装置，所述的激光光刻系统由脉冲激光模块、光路传输模块和三维移动模块依次顺序连接；

所述的脉冲激光模块由脉冲激光器和控制器组成，控制器与脉冲激光器连接，脉冲激光器输出到达全反镜；控制器的输出功率在零和最大功率范围内连续调节；脉冲激光器采用氟化氩ArF，氟化氩ArF产生的波长为193nm的紫外冷激光，重复频率50HZ，平均功率6W，脉宽17ns；

所述的光路传输模块由全反镜、扩束镜、分束镜和光闸依次顺序连接，光闸的缴光束输出至三维平台；全反镜的作用是根据需要改变光束方向；扩束镜的作用是将激光光束直径放大以便在样品表面得到更大的干涉区域；分束镜的作用是将激光光束分成若干条；光闸的作用是可以实时控制通过的激光光束的个数。

所述的三维移动模块包括三维移动平台、步进电机和计算机，三维移动平台、步进电机和计算机依次顺序连接，通过计算机控制步进电机来驱动三维平台的移动，从而实现零件的移动。

所述的电化学沉积装置主要由计算机5、电化学工作站6、阳电极9、阴电极10、烧杯14、磁力搅拌加热装置7、连接组成。计算机5与电化学工作站6连接，电化学工作站6的阳电极9和阴电极10的输出端分别与阳电极9和阴电极10连接，阳电极9和阴电极10插入至烧杯14中，烧杯14置于磁力搅拌加热装置7中，在烧杯14内有磁力转子13。

在图1中，脉冲激光光刻系统装置主要包括三大部分：脉冲激光模块1、光路传输模块2、三维移动模块3。激光功率可以采用控制器在零和最大功率范围内连续调节。由脉冲激光器输出的激光束经光路传输模块在移动平台上的样品表面上形成干涉条纹，该模块由全反镜、扩束镜、分束镜、光闸依次连接而成。三维移动平台、步进电机、计算机依次连接，通过计算机控制步进电机来驱动三维平台的移动，从而实现零件的移动。

在图2中，脉冲激光光刻系统装置，首先，建立如图2所示的激光光刻系统装置，打开脉冲激光器1-2，采用控制器1-1调节激光的平均功率。激光束经反射镜2-1进行一次反射，然后传输到扩束镜2-2，通过调节扩束镜中两个镜片的距离可以将激光束直径调节至合适的大小。扩束后的激光束经分束镜2-3后，分散成若干个光束，在样品4上形成干涉条纹。光闸2-4的打开、关闭可以控制分束后激光光路的个数。样品4固定在三维平台3-1上，以实现样品的移动。样品台的移动是通过计算机3-3控制步进电机3-2来驱动的。最后，通过调节激光的平均功率和光闸的开闭来实现光刻。

在图3中，电化学沉积装置，首先，建立电化学沉积装置，镀件为阴极10，铂板或镀液主金属为阳极9，两极之间相隔4cm左右，相对悬挂在铁架台8上并浸入镀液12中，镀液用烧杯14盛放。然后将电化学工作站6上的电线与阴阳极连接，绿线接阴极10，红线接阳极9，白色为参比电极，也可接在阳极9上。然后，打开磁力搅拌加热装置7，设定水域11的温度与磁力转子13的转速（搅拌速度），采用计算机5上电化学工作站的专用软件调节各个电沉积参数。一切准备就绪后，便可开始电沉积。

在图4中，表面结构化复合镀层制备过程，图4(a)为在样品4表面旋涂了光刻胶之后的样品；图4(b)为激光多光束干涉在光刻胶上所产生的干涉条纹；图4(c)为经过显影液清洗之后的样品；图4(d)为电化学沉积后得到的表面带有光刻胶的复合镀层；图4(e)为除去未曝光的光刻胶之后具有表面微纳织构的复合镀层。

Claims (5)

1.一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法，其特征是：制备微织构的方法，采用脉冲激光光刻技术对预先旋涂了光刻胶的金属材料表面进行光刻，然后浸入显影液中除去曝光的光刻胶，继而采用电化学沉积技术对材料表面进行复合镀层的可控电沉积，最后再清除未被曝光的光刻胶，在金属材料表面得到带有规则微观织构的表面复合镀层，实现表面摩擦学性能的最大化；

具体步骤如下：

一、前期准备：准备材料样品及相关器材，建立所用脉冲激光光刻系统装置和电化学沉积装置；衬底材料表面光刻胶的旋涂：匀胶机进行旋涂、烘干，在70~110℃下烘干20min；调配电沉积所需的溶液，药品：硫酸镍200~300 g/L、硫酸钴20~50 g/L、氯化镍30~50 g/L、硼酸25~45g/L、去离子水作为溶剂； 

二、激光光刻：调节激光的平均功率，范围在设在5~100mW，设定光闸的开闭，通过计算机控制移动平台，使激光在样品表面形成干涉条纹；关闭脉冲激光系统，取出样品，在80~100℃下烘干20min；

三、显影：将样品放入显影液中，当光刻胶上曝光的部分被显影液溶解后，取出样品，以去离子水冲洗净显影液，自然干燥；

四、电化学沉积：设定电化学工作站的各项参数，采用周期换向脉冲电沉积的工作模式，设定正反向脉冲工作时间5ms~1s、频率0~200Hz、电流密度10~50mA/cm²、工作比1~10，保持适宜的镀液温度30°C~60°C、ph值3~5、搅拌速度30~90r/min；

五、后处理：关闭电化学工作站，取出样品，以去离子水冲洗样品，自然干燥；然后放入有机溶液中除去未曝光的光刻胶，再以去离子水冲洗样品，自然干燥，得到最终样品。

2.一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构装置，其特征是：现实制备方法的装置为脉冲激光光刻系统和电化学沉积装置，所述的激光光刻系统由脉冲激光模块、光路传输模块和三维移动模块依次顺序连接。

3.根据权利要求2所述的激光光刻辅助电化学沉积制备微织构装置，其特征是：所述的脉冲激光模块由脉冲激光器和控制器组成，控制器与脉冲激光器连接，脉冲激光器输出到达全反镜；控制器的输出功率在零和最大功率范围内连续调节；脉冲激光器采用氟化氩，氟化氩产生的波长为193nm的紫外冷激光，重复频率50HZ，平均功率6W，脉宽17ns；

所述的光路传输模块由全反镜、扩束镜、分束镜和光闸依次顺序连接，光闸的缴光束输出至三维平台。

4.根据权利要求2所述的激光光刻辅助电化学沉积制备微织构装置，其特征是：所述的三维移动模块包括三维移动平台、步进电机和计算机，三维移动平台、步进电机和计算机依次顺序连接。

5.根据权利要求2所述的激光光刻辅助电化学沉积制备微织构装置，其特征是：所述的电化学沉积装置主要由计算机、电化学工作站、阳电极、阴电极、烧杯、磁力搅拌加热装置、连接组成；计算机与电化学工作站连接，电化学工作站的阳电极和阴电极的输出端分别与阳电极和阴电极连接，阳电极和阴电极插入至烧杯中，烧杯置于磁力搅拌加热装置中，在烧杯内有磁力转子。

Images