CN103894739A - 一种高质量氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法及装置 - Google Patents

一种高质量氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法及装置，该方法使洁净的氧化铝陶瓷整体位于水中，水表面到氧化铝陶瓷材料表面距离为2mm～12mm，利用紫外脉冲激光对氧化铝陶瓷进行扫描刻蚀加工，刻蚀加工后的氧化铝陶瓷表面无发黑变质层和重凝层。装置包括紫外激光器、扫描振镜，二维加工平台，以及用于装水和待加工的氧化铝陶瓷的容器。本发明巧妙的引入“水”的因素，在一定厚度或一定流速的水下对氧化铝陶瓷进行激光刻蚀的冷却和排渣效应，有效的避免了空气中直接刻蚀出现的发黑变质现象，并且也增加了刻蚀深度，改善了刻蚀质量并提高了激光刻蚀加工效率，利用本发明可以在氧化铝陶瓷表面激光刻蚀制作出各种高尺寸精度的三维复杂图案。

Description

一种高质量氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法及装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及激光刻蚀加工氧化铝陶瓷领域，具体为一种高质量氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法及装置。
背景技术
氧化铝陶瓷材料是目前应用最为广泛的陶瓷材料之一，在生物、微电子、化工等领域已成为不可或缺的材料。然而，由于氧化铝陶瓷存在着抗热震性差和断裂韧性低等缺点，使其在传统机械加工中遇到较大困难。传统的车削、铣削等加工方式无法适应现代科技对高精密复杂零件的加工要求。机械方法对氧化铝陶瓷的切割、打孔等都被限制在直线型、较大尺寸以及简单图形等的加工，这限制了氧化铝陶瓷在微纳制造领域的应用。目前除了机械刻蚀加工的方法外，还有电火花加工、超声波加工等方法。然而，陶瓷材料的电火花加工技术难度较大，易出现污染；超声波加工则存在着效率低下和工具磨损严重等问题。
近年来激光在切削加工领域的应用解决了许多传统切削加工工艺无法解决的问题。紫外激光由于其波长短，光子能量大，易获得较小聚焦光斑，可以直接破坏被加工聚合物材料的化学键进行精密加工，实现“冷加工”的过程，近年来在微电子陶瓷、精密光学材料加工等领域的研究越来越受到人们的重视。但紫外激光在空气中直接刻蚀氧化铝陶瓷材料时，高功率密度激光直接照射被刻蚀材料会导致材料表面的温度将会迅速升高到熔化或者气化温度。当氧化铝陶瓷材料在2050～2980K的熔化过程不可避免的会引起氧化铝陶瓷的晶相变化，形成α-Al2O3和γ-Al2O3混合相为主的黑色变质层，并且重凝层较为明显，严重影响激光刻蚀氧化铝陶瓷材的微加工质量和尺寸精度。
发明内容
为解决以上为难题，本发明给出了一种高质量氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法及装置，目的在于能够避免黑色变质层和重凝层发生，表面无发黑变质层，刻蚀效率较高，实现过程简单。
本发明提供的一种氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法，其特征在于，使洁净的氧化铝陶瓷整体位于水中，水表面到氧化铝陶瓷材料表面距离为2mm～12mm，利用紫外脉冲激光对氧化铝陶瓷进行扫描刻蚀加工，刻蚀加工后的氧化铝陶瓷表面无发黑变质层和重凝层。
作为上述技术方案的改进，所述水静止或流动速度小于等于8mm／s。
作为上述技术方案的进一步改进，所述扫描刻蚀加工的工艺参数优选为：激光重复频率30～100kHz；激光脉冲能量密度48.0～85.5J／cm2；激光扫描速度40～180mm／s.
本发明提供的一种氧化铝陶瓷的刻蚀加工装置，其特征在于，该装置包括紫外激光器、扫描振镜、二维加工平台和容器；
所述容器位于所述二维加工平台上，该容器用于盛水和待刻蚀加工的氧化铝陶瓷，所述水的表面到氧化铝陶瓷表面距离为2mm-12mm；所述扫描振镜位于所述紫外激光器的出光光路上，该扫描振镜用于将紫外激光器发射的激光束聚焦在所述氧化铝陶瓷表面进行扫描刻蚀加工，刻蚀加工后的氧化铝陶瓷表面无发黑变质层和重凝层。
本发明方法的基本原理是将氧化铝陶瓷材料浸入水中一定深度(水面到激光刻蚀材料表面的距离约为2～12mm)。水装入在一个容器中，可以是静止或以一定的速度流动(1～8mm／s)。紫外激光束通过扫描振镜控制刻蚀轨迹，透过水层并聚焦在氧化铝陶瓷材料表面。紫外激光在水下进行刻蚀加工时，由于水的比热远大于陶瓷材料，因此，水的冷却作用使陶瓷材料刻蚀表面的温度达不到陶瓷材料熔点温度，此时材料去除的机理是利用紫外激光多光子吸收效应打断陶瓷材料的化学键的光化学作用去除方式。因而陶瓷在较低的温度也不会发生相变，从而完全避免激光刻蚀后产生发黑变质现象。激光在水下进行刻蚀加工的另一个优点是会产生“空泡”这一物理现象，形成指向靶面的高速射流。该高速射流所产生的冲击力往往可达到兆帕的数量级，形成对材料基体的强冲击作用，使因激光作用去蚀的材料迅速脱离，因此提高了激光刻蚀深度，并且由于水的阻碍作用使去蚀后的材料无法重新黏附在基体表面，这样既保证了刻蚀后的陶瓷表面不受残渣重凝的影响，又可以加快材料的去蚀速率。
与常规在空气中的紫外激光刻蚀氧化铝陶瓷相比，本发明巧妙的引入“水”的因素，在一定厚度或一定流速的水下对氧化铝陶瓷进行激光刻蚀的冷却和排渣效应，有效的避免了空气中直接刻蚀出现的发黑变质现象，并且也增加了刻蚀深度，改善了刻蚀质量并提高了激光刻蚀加工效率，利用本发明方法可以在氧化铝陶瓷表面激光刻蚀制作出各种高尺寸精度的三维复杂图案。
附图说明
图1是紫外激光在静止水下刻蚀氧化铝陶瓷的示意图；
图2是紫外激光在流动水下刻蚀氧化铝陶瓷的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实例所提供的的氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法包括下述步骤：
第1步将氧化铝陶瓷片进行清洗；
第2步将清洗后的氧化铝陶瓷材料放入平底容器中，加入一定量的纯净水{也可以是普通自来水}淹没氧化铝陶瓷材料，水表面到氧化铝陶瓷材料表面距离为2mm～12mm，确保氧化铝陶瓷材料整体水平地浸入水中。容器中的水可以是静止或以以一定的速度流动(如1～8mm／s)；
第3步将装有水和陶瓷材料的容器放在紫外激光加工平台上，将激光光斑透过水层聚焦在陶瓷表面上，设置激光参数如下：激光重复频率30～100kHz；激光脉冲能量密度48.0～85.5J／cm2；激光扫描速度40～180mm／s。使按照软件中设计的图形进行扫描刻蚀加工。
图1所示具体实施方式一，将氧化铝陶瓷材料1放在盛有一定厚度的纯净水2的容器3中，使水的表面到陶瓷表面距离为2-12mm，容器3放在二维加工平台4上。紫外激光束5通过扫描振镜6的控制聚焦在陶瓷材料1表面上进行扫描刻蚀加工。激光扫描刻蚀加工参数分别为：激光重复频率30～100kHz；激光脉冲能量密度48.0～85.5J／cm2；激光扫描速度40～180mm／s。
图2所示具体实施方式二，将氧化铝陶瓷材料1放在盛有一定厚度的纯净水2的容器7中，使水的表面到陶瓷表面距离为2-12mm，容器7具有入水通道8和出水通道9，纯净水2从入水通道8流入容器7容器，从出水通道9流出容器7；容器7放在二维加工平台4上。紫外激光束5通过扫描振镜6的控制聚焦在陶瓷材料1表面上进行扫描刻蚀加工。激光扫描刻蚀加工参数分别为：激光重复频率30～100kHz，激光脉冲能量密度48.0～85.5J／cm2，激光扫描速度40～180mm／s，纯净水2流速为1～8mm／s。
实例1：
本发明采用了美国光波公司制作的Awave-355-10W-25K型号全固态调Q紫外激光器，输出波长为355nm，脉冲能量从0到500μJ，频率为10到100kHz，在水下进行氧化铝陶瓷的激光刻蚀加工。采用紫外激光刻蚀加工参数见表一所示。采用本发明获得氧化铝陶瓷刻蚀质量达到了无发黑变质层、刻蚀底面粗糙度明显下降的效果。
表一
实例2：
本发明采用了美国光波公司制作的Awave-355-10W-25K型号全固态调Q紫外激光器，输出波长为355nm，脉冲能量从0到500μJ，频率为10到100kHz，在水下进行氧化铝陶瓷的刻蚀加工。采用的紫外激光刻蚀加工参数见表二所示。采用本发明获得氧化铝陶瓷刻蚀质量达到了无发黑变质层、刻蚀底面粗糙度明显下降的效果。
表二
实例3：
本发明采用了美国光波公司制作的Awave-355-10W-25K型号全固态调Q紫外激光器，输出波长为355nm，脉冲能量从0到500μJ，频率为10到100kHz，在水下进行氧化铝陶瓷的刻蚀加工。采用紫外激光刻蚀加工参数见表三所示。采用本发明获得氧化铝陶瓷刻蚀质量达到了无发黑变质层、刻蚀底面粗糙度明显下降的效果。
表三
Figure BDA0000482319650000053
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法，其特征在于，使洁净的氧化铝陶瓷整体位于水中，水表面到氧化铝陶瓷材料表面距离为2mm～12mm，利用紫外脉冲激光对氧化铝陶瓷进行扫描刻蚀加工，刻蚀加工后的氧化铝陶瓷表面无发黑变质层和重凝层。
2.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法，其特征在于，所述水静止或流动速度小于等于8mm/s。
3.根据权利要求1或2所述的氧化铝陶瓷的刻蚀加工方法，其特征在于，所述扫描刻蚀加工的工艺参数优选为：激光重复频率30～100kHz；激光脉冲能量密度48.0～85.5J/cm2；激光扫描速度40～180mm/s。
4.一种氧化铝陶瓷的刻蚀加工装置，其特征在于，该装置包括紫外激光器、扫描振镜、二维加工平台和容器；
所述容器位于所述二维加工平台上，该容器用于盛水和待刻蚀加工的氧化铝陶瓷，所述水的表面到氧化铝陶瓷表面距离为2mm-12mm；所述扫描振镜位于所述紫外激光器的出光光路上，该扫描振镜用于将紫外激光器发射的激光束聚焦在所述氧化铝陶瓷表面进行扫描刻蚀加工，刻蚀加工后的氧化铝陶瓷表面无发黑变质层和重凝层。
5.根据权利要求4所述的氧化铝陶瓷的刻蚀加工装置，其特征在于，所述容器具有入水通道和出水通道。
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