CN104445998A - 一种实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法 - Google Patents

一种实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法，属于材料表面改性工艺技术领域。采用具有不同成分和活性粒子浓度的等离子体，对脆性材料的表面进行实时的可选择性的改性。将等离子体喷向脆性材料，活性粒子附着于材料表面，降低晶体内聚力和表面张力。活性粒子渗入材料表面的微裂纹内，促进晶格间隙和内部裂纹进一步扩展，促使内部位错向表面移动，使得表面更易于变形。等离子体不断渗入材料表面，改善材料表面的性能，以达到改善脆性材料表面塑性和脆塑转变厚度的目的。

Description

一种实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法
技术领域
本发明涉及一种实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法，属于材料表面改性工艺技术领域。
背景技术
近年来，随着光通信、光电子、航空航天、受控核聚变、激光和红外等技术的快速发展，多种光学脆性材料，如石英、光学玻璃、SiC、硅片、锗片和人工晶体等，在高精密仪器仪表、非线性频率转换器件、惯性制导平台、真空紫外望远镜、激光反射镜及多种光学零件的制造上得到广泛应用。然而，这些光学材料不仅脆性高，而且塑性和断裂韧性低，弹性极限和强度非常接近，当其承载超过弹性极限时就会发生断裂破坏，产生表面凹坑、裂纹、崩裂等缺陷，严重影响表面质量和性能，可加工性很差。
脆性材料的去除过程中，在一定条件下存在着一个临界深度，当划痕深度小于临界深度时材料发生塑性去除，当划痕深度大于临界深度则发生脆性去除，此现象被称为脆性材料的脆塑转变。脆塑转变现象的发现，使光学脆性材料的塑性域去除成为可能。
等离子体是部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质。由于等离子体富含活性粒子，在脆性材料去除时采用等离子体对去除区域实时改性比采用冷却液等方式的渗透性更强。同时，采用具有不同成分和活性粒子浓度的等离子体，可以对脆性材料的表面进行选择性的改性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法，采用有不同成分和活性粒子浓度的冷等离子体，对脆性玻璃类材料的表面进行实时的可选择性的改性。
用于实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法的设备为等离子体射流发生装置，等离子体射流发生装置包括气源、等离子体发生器和等离子体电源。气源将气体输送至等离子发生器中，等离子体电源与等离子体发生器的电极相连接。
所采用的气源为纯度99.99％以上的高纯氮气、氦气、二氧化碳等，流量为0.6-1.0m3/h。打开气源，调整气体流量和气压；打开等离子体电源，将频率调整至50-65kHz、电压从零开始逐步增大到650-850V直至等离子体发生器喷出明显的冷等离子体射流。等离子体发生器采用裸电极结构，可避免电极与其他金属部件发生击穿。
所产生的等离子体为大气压下宏观温度为15-35℃的冷等离子体，可避免对工件表面产生热冲击并造成热损伤。
冷等离子体射流直接喷向待处理的脆性玻璃类材料表面并不断渗入脆性材料表面，改善脆性材料表面的性能，改善脆性材料表面塑性和脆塑转变厚度；调节等离子体电源的频率和电压，获得不同活性粒子浓度的等离子体射流，不同活性粒子浓度的等离子体射流应用于不同深度的脆性材料表面改性；高活性粒子浓度的等离子体用于深度较大的脆性材料表面改性和表面材料去除；低活性粒子浓度的等离子体用于深度较小的脆性材料表面改性。本发明适用于实时调控石英玻璃，K9玻璃等硅酸盐类非金属材料的脆塑转变厚度。若脆性材料的待处理区域尺寸小于等离子体射流的区域尺寸，将脆性材料表面用掩膜覆盖，掩膜上的镂空区域大小即为脆性材料的待处理区域大小，等离子体射流直接喷向镂空区域的脆性材料表面并不断渗入脆性材料表面，改善脆性材料表面塑性和脆塑转变厚度。改变掩膜的形状，可以选择性的对材料表面进行改性。无需对材料表面预处理，改性过程可以实时进行。
本发明的有益之处在于：
1、在大气压下，采用氮气、氦气、二氧化碳等气体的冷等离子体氛围实时调控脆性材料的表面塑性和脆塑转变厚度。
2、不同活性粒子浓度的等离子体可应用于不同深度的表面改性。高活性粒子浓度的等离子体用于深度较大的表面改性和表面材料去除；活性粒子浓度较低的等离子体用于深度较小的表面改性。较低的宏观温度没有热冲击，不会对表面造成热损伤。
3、将脆性材料表面用掩膜覆盖，可以对尺度小于等离子体射流的区域进行改性。改变掩膜的形状，可以选择性的对材料表面进行改性。
4、无需对材料表面预处理，改性过程可以实时进行。
附图说明
图1为实时调控脆性材料脆塑转变厚度的装置示意图。
图2为采用掩膜的选择性改性示意图。
图中：1气源；2等离子体发生器；3等离子体电源；4冷等离子体射流；
5工件；6掩膜。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明涉及实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法，使用此方法的设备为等离子体射流发生装置。如图1所示，连接好气源1、等离子体发生器2、等离子体电源3。打开气源1，调整流量和气压；打开等离子电源3，调整频率和电压至等离子体发生器2产生明显的冷等离子体射流4；移动等离子体发生器2或者工件5，可以实现对不同区域改性。
针对不同的脆性材料，可以更换气源1，产生不同的冷等离子体射流4；针对不同的脆塑转变厚度，可以更换不同的等离子体电源3和参数，改变等离子体射流4的浓度，或者采用不同的处理时间。
实施例
如图2所示，气源1为99.999％高纯氮气，等离子体发生器2为裸电极结构，掩膜6有1mm宽的曲线镂空区域，工件5为K9玻璃、厚度为2mm。
打开气源1，调整气体流量为0.8m3/h。打开等离子体电源3，调整输出电压vp-p为750V左右、频率为60kHz，即可获得冷等离子体射流4。在等离子体射流4和工件5之间增加掩膜6。掩膜6可以阻挡冷等离子体射流4，等离子体射流4透过掩膜6上的窄缝到达工件5，就可以对微区域进行改性。
针对异形的面域，可以制作出相应的掩膜，等离子体射流在掩膜上方移动，即可按要求对工件5进行改性。

Claims (1)

1.一种实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法，其特征在于：
用于实时调控脆性材料脆塑转变厚度的方法的设备为等离子体射流发生装置，等离子体射流发生装置包括气源、等离子体发生器和等离子体电源；气源将气体输送至等离子发生器中，等离子体电源与等离子体发生器的电极相连接；所采用的气源为纯度99.99％以上的氮气、氦气或二氧化碳，气体流量为0.6-1.0m3/h；打开气源，调整气体流量和气压；打开等离子体电源，将频率调整至50-65kHz、电压从零开始逐步增大到650-850V直至等离子体发生器喷出明显的冷等离子体射流，等离子体发生器采用裸电极结构；
所产生的等离子体为大气压下温度为15-35℃的冷等离子体；
不同活性粒子浓度的等离子体射流应用于不同深度的脆性材料表面改性；高活性粒子浓度的等离子体用于深度较大的脆性材料表面改性和表面材料去除；低活性粒子浓度的等离子体用于深度较小的脆性材料表面改性。
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