CN102628095A

CN102628095A - 一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法

Info

Publication number: CN102628095A
Application number: CN2012101092177A
Authority: CN
Inventors: 鲁金忠; 钟金杉; 程晓农; 罗开玉; 齐晗; 罗密
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: CN102628095B

Abstract

本发明涉及一种制备金属纳米多孔材料的方法，特指一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法；本发明先利用激光喷丸细化金属表层晶粒，然后将金属材料加热重结晶温度进行保温处理使之变形再结晶，最后采用激光辐射在水中的金属基体，利用激光诱导的氢化腐蚀效应实现金属材料纳米多孔的制备，该方法尤其适用于本身具有原子氢侵蚀效应的金属材料的表面纳米孔洞制备。

Description

一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法

技术领域

本发明涉及一种制备金属纳米多孔材料的方法，特指一种先利用激光喷丸细化金属表层晶粒，然后将金属材料加热重结晶温度进行保温处理使之变形再结晶，最后采用激光辐射在水中的金属基体，利用激光诱导的氢化腐蚀效应实现金属材料纳米多孔的制备，该方法尤其适用于本身具有原子氢侵蚀效应的金属材料的表面纳米孔洞制备。

背景技术

纳米多孔材料是20世纪迅速兴起的新型纳米结构材料，因其特殊结构而具备比强度高、相对密度低、渗透性和吸附性好、孔隙率和表面积大等特点，在生物化学、大分子催化、分子识别等众多领域均有广泛的应用前景，目前，多孔材料已被应用于航空航天、电化学、石油化工、医药等领域，涉及流体分布、吸能减震、电磁屏蔽等诸多方面。

金属纳米多孔材料不但具有高孔隙度、比重小、内表面积大、纳米孔均匀等优点，而且具有金属材料的抗疲劳、抗腐蚀、高导电率等优异性能，因而使其在催化和分离科学上具有重要应用；另外金属纳米多孔材料所表现出的表面效应和尺寸效应，使其在电子、光学、微流体及微观力学方面有着巨大的应用前景；随着科技的进步，金属纳米多孔材料面临着大型化、异型化、多样化等方面的发展趋势，如何制备出孔径大且范围可调、种类更多的金属纳米孔材料仍然是一大难题，目前，在金属表面制造纳米孔洞仍然很困难，特别是对于坚硬、耐熔的金属如钛和钢，因为它们的熔点和沸点都很高；利用现有工艺制造金属纳米孔仍存在可重复性低、成本高、稳定性低等缺点。

研究表明：金属材料的亚晶界和晶界越多，其氢化腐蚀效应越明显；激光喷丸技术具有高压(吉帕-太帕)、超快(几十纳秒)、高应变率(10⁷-10⁸/s，比爆炸形成高出100倍)的显著特点，与常规加工方法相比，具有无可比拟的优点，通过激光喷丸可以使金属材料表层晶粒显著细化而产生大量亚晶结构，即亚晶粒和亚晶界；尤其对于较硬、熔点较高的金属如钛也可以通过激光喷丸来有效实现其表层的晶粒细化，从而提高其氢化腐蚀效应，实现其纳米多孔材料的制备。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法，该方法首先通过激光喷丸细化金属材料表层晶粒，大量增加亚晶粒及亚晶界，然后将金属材料加热到金属材料的重结晶温度进行保温处理使之变形再结晶，最后采用激光辐射浸在水槽中的金属，金属表面吸收激光能量会产生几千度的高温(铁2870 ℃，钛3287 ℃)使表面金属层汽化，产生的高温金属汽与附近的水相互作用使水分裂生成H₂和O₂(水分解温度为2000 ℃左右)，H₂与特定金属如铁、钛、镍的表面接触会分裂成H原子，H原子与金属原子结合后生成氢化物相，之后氢化物发生氢侵蚀效应在金属表层生成大量纳米孔洞，实现金属材料纳米多孔的制备，利用该方法有效制造纳米多孔金属材料，特别是熔沸点较高的金属材料的纳米孔制造。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，包括以下步骤：

（1）对金属表面打磨、抛光和清洗，以铝箔作为激光喷丸能量吸收层，水膜作为约束层，采用高能短脉冲激光冲击覆盖有铝箔的金属材料，增加亚晶粒及亚晶界；

（2）将高能短脉冲激光冲击后的金属材料在真空中加热到金属材料的重结晶温度进行保温处理，金属表层在激光喷丸作用下形成的晶粒细化层中的亚晶界以及原晶界将重结晶生成更多的晶界，金属材料冷却后取出；

（3）对再结晶金属进行表面抛光，然后把金属浸没并固定于水槽中，以水膜作为激光冲击的约束层；采用激光从垂直方向匀速扫描辐射金属表面，通过激光辐射产生的高温使表面金属汽化从而使水分子分解产生氢原子，在氢化腐蚀作用下金属表面层会制造出纳米孔，取出金属并将其干燥。

本发明一种激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的方法首先在于工艺方法的创新，即先采用激光喷完处理金属材料表面，然后金属材料加热到金属材料的重结晶温度进行保温处理使之变形再结晶，最后采用脉冲激光辐射浸在水槽中的金属，实现金属纳米多孔材料的制备。

本发明的原理创新在于采用激光喷完诱导超高压冲击波细化金属材料表层晶粒，金属材料加热到金属材料的重结晶温度进行变形再结晶增加晶粒数量和晶界，再用激光直接辐射金属表层，产生氢化腐蚀制备金属纳米多孔材料，是一种全新的纳米多孔材料制造方法。

所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述的金属为本身具有氢化腐蚀效应的金属。

所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述的具有氢化腐蚀效应的金属为Ti，Ni，NiTi，Cu₂O或AISI 4140不锈钢。

所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述用于激光喷丸的高能短脉冲激光的工艺参数为：脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑大小为1-5 mm，搭接率为50%。

所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述激光喷丸处理中所用铝箔为美国3M公司生产的专用铝箔，其厚度为0.1 mm；所述的水膜约束层的厚度为1-2 mm。

所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述的保温处理中加热到金属材料的重结晶温度的保温处理保温时间长短也因金属种类不同而异，重结晶过程相对较快的金属需要的保温时间短(比如AISI 4140为30-60 s)，重结晶过程缓慢的金属需要的保温时间较长(比如工业纯钛为2-3 h)。

所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述用于直接扫描辐射金属表面的高能短脉冲激光，具体的激光工艺参数为：脉冲能量12 J，脉宽15 ns，光斑直径3 mm；所述的水膜约束层的厚度为1.5 mm。

本发明具有以下优势：

(1) 采用激光喷丸使金属材料表层晶粒细化，从而使得激光辐射导致的氢化腐蚀制备纳米多孔材料成为可能。

(2) 可根据需要，通过计算机控制来调节激光脉冲能量和冲击次数来控制晶粒细化程度，通过控制扫描激光束能量大小以及扫描次数来控制纳米孔的数量和平均尺寸。

(3) 由于激光束的非接触性和柔性，可以根据加工需要，通过计算机控制来调节工作台空间位置实现不规则的金属表面的纳米孔制造。

附图说明

图1是激光喷丸细化金属表层晶粒示意图；

图2是激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料示意图；

图3是激光喷丸辅助制造纳米孔材料装置；

(1)计算机控制装置；(2)纳秒激光发生器；(3)激光束；(4) 45度全反镜；(5)光斑调节光学镜片；(6) 掩膜装置；(7) 基片；(8)水槽；(9)水膜；(10)铝箔；(11)金属基体；(12)工件夹具；(13)五轴工作台；(14)监测装置；

图4(a)为激光喷丸后氢化腐蚀的AISI 4140多孔材料，图4( (b)为激光喷丸和再结晶后氢化腐蚀的AISI 4140多孔材料；保温温度850-900 ℃，保温时间为45 s；

图5(a)为激光喷丸后氢化腐蚀的工业纯钛多孔材料，图5 (b)为激光喷丸和再结晶后氢化腐蚀的工业纯钛多孔材料；保温温度600 ℃，保温时间为2h。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

首先用砂纸将金属基体11表面打磨抛光，然后用酒精清洗金属基体11表面；将0.1 mm厚的美国3M公司专用铝箔10粘附到金属基体11表面并通过工件夹具12把金属基体11夹紧；按照金属基体11表面加工区域要求，通过计算机控制装置1编程生成加工轨迹并确定激光工艺参数；发射高能短脉冲激光束3冲击覆盖有铝箔10的金属基体11，此时高能短脉冲激光束3工艺参数为：脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑大小为1-5 mm，搭接率为50%；计算机控制装置1根据监测装置14反馈回来的数据并行控制纳秒激光发生器2和五轴工作台13，确保铝箔10上方水膜9厚度为1-2 mm并保持厚度均匀，并使得金属基体11表面加工点和激光束3垂直，实现金属基体11表面的激光喷丸处理，处理完毕后取下金属基体11，去除金属基体11表面铝箔并将金属基体11置于丙酮中浸泡，然后用超声波清洗除尽金属基体11表面的残留粘贴剂。

将激光冲击后的金属基体11置于真空保温箱中进行保温处理，保温一段时间后待金属基体11冷却后取出，然后用0.05 μm级氧化铝粉末将金属基体11已激光喷丸表面抛光，再用工件夹具12夹紧金属基体11；根据金属基体11表面加工区域要求，通过计算机控制装置1编程生成加工轨迹并确定激光工艺参数；发射高能脉冲激光束3对金属基体11表面进行扫描辐射，此时高能短脉冲激光束3工艺参数为：脉冲能量12 J，脉宽15 ns，光斑直径3 mm；计算机控制装置1根据监测装置14反馈回来的数据并行控制纳秒激光发生器2和五轴工作台13，确保金属基体11表面上方水膜9厚度为1.5 mm并保持厚度均匀，并使得金属基体11表面加工点和激光束3垂直，实现金属基体11表面的纳米孔制造，把金属基体11取下并干燥。

用本发明进行激光喷丸辅助制造纳米多孔材料装置包括依次相连的计算机控制装置1、纳秒激光发生器2、激光束3、45度全反镜4、光斑调节光学镜片5、掩膜装置6、基片7、水槽8、水膜9、铝箔10、金属基体11、工件夹具12、五轴工作台13和监测装置14。

纳秒激光发生器2发出能量在1-20 J、持续时间为时间为8-30 ns、重复频率为1-100 Hz的脉冲激光，激光束3的光斑模式可以是基膜、多模等多种模式，其由计算机控制装置1调节和控制。由纳秒激光发生器2产生的激光束3通过45度全反镜5改变激光束3的方向，通过光斑调节光学镜片5精确控制光斑空间能量分布，经过掩膜装置6控制输出激光的光斑形状，透明的基片7用来拖住光斑调节光学镜片5和掩膜装置6；激光束3继续穿透水膜9照射到金属基体11表面。金属基体11表面在激光束3照射下完成激光喷丸处理或纳米孔的制造；监测装置14用来监测水膜9厚度以及监测激光束3和金属基体11的夹角，监测数据返回计算机控制装置1，作为用来控制五轴工作台13和调节纳秒激光发生器2的工艺参数的依据；计算机控制装置1控制五轴工作台13控制金属基体11移动，按区域分片加工直到整个金属基体11目标表面加工完成。

实施实例：

以下为激光喷丸辅助制备金属纳米多孔材料的实例，采用Thales激光器在AISI4140钢和工业纯钛表面先进行激光喷丸处理；对于AISI4140钢，用于激光喷丸的高能短脉冲激光的工艺参数为：脉宽8 ns，重复频率为10Hz，脉冲能量为18J，光斑大小为5mm，搭接率为50%；对于工业纯钛；用于激光喷丸的高能短脉冲激光的工艺参数为：脉宽30 ns，重复频率为900 Hz，脉冲能量为4 J，光斑大小为2 mm，搭接率为50%；然后在850-900 ℃的温度进行保温处理AISI 4140钢45 s，对工业纯钛在600 ℃的温度进行保温处理1 h，再将AISI 4140钢和工业纯钛放置水中采用上述激光辐射激光喷丸处理的金属表面，高能激光（脉冲能量为12 J，脉宽为15 ns，光斑直径为3 mm）辐射金属表面产生氢化腐蚀，制备了金属纳米多孔材料。

图4(a)为激光喷丸后氢化腐蚀的AISI 4140多孔材料，(b)为激光喷丸和再结晶后氢化腐蚀的AISI 4140多孔材料(850-900 ℃保温温度，保温时间为45 s)；从图4中我们可以看出，仅激光喷丸处理的试样表面氢化腐蚀孔洞直径在50-150 nm之间，并且单位面积内的纳米孔洞数量较少，而激光喷丸和保温再结晶处理后的试样表面氢化腐蚀孔洞直径为几十纳米，并且与仅激光喷丸处理试样相比，数量增加很多，孔洞直径变小；图5(a)为激光喷丸后氢化腐蚀的工业纯钛多孔材料，(b)为激光喷丸和再结晶后氢化腐蚀的工业纯钛多孔材料(600 ℃ 保温温度，保温时间为2 h)；从图5中我们可以看出，仅激光喷丸处理的试样表面氢化腐蚀孔洞直径在100-300 nm之间，并且单位面积内的纳米孔洞数量较少，而激光喷丸和保温再结晶处理后的试样表面氢化腐蚀孔洞直径为几十纳米，并且与仅激光喷丸处理试样相比，数量增加很多，孔洞直径变小。

Claims

1.一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述的金属为本身具有氢化腐蚀效应的金属。

3.如权利要求1所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述的具有氢化腐蚀效应的金属为Ti，Ni，NiTi，Cu₂O或AISI 4140不锈钢。

4.如权利要求1所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述用于激光喷丸的高能短脉冲激光的工艺参数为：脉宽8-30 ns，重复频率为1-100 Hz，脉冲能量为1-20 J，光斑大小为1-5 mm，搭接率为50%。

5.如权利要求1所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述激光喷丸处理中所用铝箔为美国3M公司生产的专用铝箔，其厚度为0.1 mm；所述的水膜约束层的厚度为1-2 mm。

6.如权利要求1所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述的保温处理中加热到金属材料的重结晶温度的保温时间等于金属材料的重结晶时间。

7.如权利要求1所述的一种激光喷丸辅助制造纳米多孔材料的方法，其特征在于：所述用于直接扫描辐射金属表面的高能短脉冲激光，具体的激光工艺参数为：脉冲能量12 J，脉宽15 ns，光斑直径3 mm；所述的水膜约束层的厚度为1.5 mm。