CN104959600B - 基于纳秒‑皮秒‑飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法 - Google Patents

基于纳秒‑皮秒‑飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,包括:首先,根据氧传感器各层的精度要求,选择纳秒、皮秒或飞秒激光作为原始激光进行扫描烧结熔化。然后,根据实时监测反馈选择对特定区域使用皮秒或飞秒激光进行精加工。根据氧传感器加工的实际需要,实时监测可以为尺寸检测、晶相结构检测、表面形貌检测、成分检测等。本发明可实现更精确的尺寸控制和电阻阻值控制,工艺更简单且不需要后续修阻,可以达到不做补偿即可使用的精度,省去了常规3D打印完成后所需的清理、抛光等工序,有效解决了吹粉、残余应力高、强度低等问题。同时,还具有优异的一致性。

Description

基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备 方法
技术领域
本发明属于氧传感器技术领域,具体涉及一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法。
背景技术
近年来,在世界范围内环境保护呼声下,汽车排放控制管理规定愈来愈严格。氧传感器对于提高燃烧效率、降低污染排放量起着非常重要的作用。此外,氧传感器在诸如冶金化工、食品酿造及发电厂等其他众多领域也有着广泛的应用。在氧传感器众多的种类中,平板式氧传感器由于具有尺寸小、响应快、能耗低、易集成加热器、在恶劣环境下工作稳定等优点已经成为主流产品。现在比较通用的平板式氧传感器的制备技术是丝网印刷、陶瓷流延成型的多层陶瓷层压技术和共烧技术的结合。这种工艺在各层材料的准备阶段工艺比较复杂,涉及到较多的定位工序以及多种设备,且采用层压与烧结工艺所导致的残余应力也很难控制,因此对于氧传感器的精度、一致性和可靠性来说都是一个不小的考验。
3D打印技术是一种运用粉末状材料通过选择性激光烧结或熔化逐层堆积出制造产品的增材制造方法。相对传统制造技术而言,它可以轻松地制造出传统技术难以生产的复杂、高难度的产品。但是,3D打印出的零件表面往往显现出强度不高、吹粉、球化、残余应力高及表面粗糙高等缺点,需要对成型零件进行除渣和抛光处理。当前的3D打印过程中仅有利用视觉监控来控制尺寸,没有微观结构及成分的实时监控功能,我们无从知道零部件的微观结构,也就不能对其机械性能进行更好地控制。
近些年,短脉冲激光(如纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光)由于热影响小,加工精度高,因而在精密加工领域备受关注。纳秒激光的脉冲宽度为纳秒(10-9秒)级,其重复频率一般为数百kHz,最高可达10MHz,因此可以达到很高的加工效率。皮秒(10-12秒)激光足以避免能量发生热扩散并达到这些消融临界过程所需要的峰值能量密度,可以提供较高的平均功率(10W)和良好的光束质量(M2<1.5),可以在有效工作距离内聚焦成一个10μm或更小的光点。飞秒激光(10-15秒)在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内,避免了热扩散的存在,在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区,热影响区,冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤,将加工过程所涉及的空间范围大大缩小,从而提高了准确程度,其光束直径可以聚焦到1μm以内,其精度可达100nm以内,最高可以达到0.1nm。
纳秒/皮秒/飞秒激光复合技术可以集成加工速度、精度和成本等方面的优点,将其运用于传感器的烧结和微加工,可以快速、有效避免现今激光烧结过程中出现的吹粉,残余应力等复杂问题,可以省去补偿步骤。目前还没有出现使用该技术的3D打印传感器产品。
发明内容
针对平板式氧传感器制作工艺中存在的工艺复杂、精度不高、材料界面残余应力不易控制等问题,本发明结合纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术,提出了一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法。
为解决上述技术问题,本发明采用如下的技术方案:
基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,包括步骤:
按照从上到下或从下到上逐层制备平板式氧传感器,所述的平板式氧传感器从下到上依次包括加热器基体层、第一绝缘层、加热器层、第二绝缘层、参比空气通道层、内电极层、陶瓷基体层、外电极层和多孔保护层,加热器层包括加热器及围绕加热器周边的第三绝缘层,各层的制作步骤如下:
(1)真空环境中,在工作台上加载当前层原材料粉末并预热;
(2)根据当前层的精度要求确定原始激光,采用原始激光对原材料进行扫描烧结熔化及固化;原始激光的选择原则是:对精度要求高的当前层选用脉冲较短的激光,对精度要求低的当前层则选用脉冲较长的激光;基于上述选择原则并结合经验、试验验证在纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光中确定制作当前层所采用的原始激光;
(3)实时检测和分析已成型当前层的尺寸、晶相结构、表面形貌和成分中的一项或多项,并将分析结果反馈至控制中心;
(4)将控制中心接收的分析结果与预设目标比对,若分析结果达到预设目标,则结束并开始制作下一层;否则,执行步骤(5)。
(5)使用精加工激光对已成型当前层的特定区域进行精加工,然后执行步骤(3);所述的特定区域指分析结果未达到预设目标的区域,所述的精加工激光选择原则为:(a)为皮秒激光或飞秒激光;同时,(b)其加工精度高于原始激光源。
上述原始激光和精加工激光均由多波长集成光纤激光器提供,所述的多波长集成光纤激光器包括控制器、纳秒激光探头、皮秒激光探头和飞秒激光探头,纳秒激光探头、皮秒激光探头和飞秒激光探头均与控制器相连,控制器用来控制纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光的发射和关闭。
步骤(3)中采用实时监测系统进行实时检测和分析,所述的实时监测系统包括控制驱动系统和检测仪器,检测仪器与控制驱动系统相连,所述的检测仪器包括尺寸检测仪器、晶相结构检测仪器、表面形貌检测仪器、成分检测仪器中的一种或多种。
所述的检测仪器包括扫描电镜、X射线衍射仪、红外摄像仪和质谱仪中的一种或多种。
作为优选:加热器层的原材料为铂;参比空气通道层的原材料为金属-金属氧化物复合陶瓷或氧化锆陶瓷;内电极层和外电极层的原材料为铂、氧化钌或氧化钼,内电极层和外电极层的原材料可以相同或不同;陶瓷基体层的原材料为氧化锆或氧化钛;多孔保护层的原材料为无机材料、金属氧化物材料、碳氮化合物或合金涂层。
本发明所采用的纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术,是采用可同时提供纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光的多波长集成光纤激光器实现。首先,根据氧传感器各层的精度要求,选择纳秒、皮秒或飞秒激光作为原始激光进行扫描烧结熔化。然后,根据实时监测反馈选择对特定区域使用皮秒或飞秒激光进行精加工。根据氧传感器加工的实际需要,实时监测可以为尺寸检测、晶相结构检测、表面形貌检测、成分检测等。
和现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
可实现更精确的尺寸控制和电阻阻值控制,包括各层厚度、电极尺寸等,工艺更简单且不需要后续修阻,可以达到不做补偿即可使用的精度,省去了常规3D打印完成后所需的清理、抛光等工序,有效解决了吹粉、残余应力高、强度低等问题。同时,还具有优异的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明方法,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅为本发明实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为平板式氧传感器的剖面正视图,图中,101-加热器基体,102-第一绝缘层,103-加热器,104-第二绝缘层,105-参比空气通道,106-空腔,107-内电极,108-陶瓷基体,109-外电极,110-多孔保护层,111-第三绝缘层。
图2为本发明具体实施方式的流程图。
具体实施方式
见图1,本发明所制备的平板式氧传感器,从下到上依次为加热器基体(101)、第一绝缘层(102)、加热器(103)、第三绝缘层(111)、第二绝缘层(104)、参比空气通道(105)、内电极(107)、陶瓷基体(108)、外电极(109)和多孔保护层(110)。
多孔保护层(110)位于氧传感器最上层,用来保护外电极(109),以增强氧传感器的高温抗老化功能和抗尾气中毒功能,多孔保护层(110)材料可以是无机材料、金属氧化物材料、碳氮化合物、各类合金涂层。内电极(107)和外电极(109)位于陶瓷基体(108)两侧,用于采集陶瓷基体(108)两端的电压或电流,内电极(107)和外电极(109)可以采用铂、氧化钌、氧化钼等制备。陶瓷基体(108)是以陶瓷材料为基础的固体电解质层,用于实现氧离子的导电性,陶瓷基体(108)可以采用氧化锆、氧化钛等制备。参比空气通道(105)位于陶瓷基体(108)下方,参比空气通道(105)设有可供参比空气流通的空腔(106),参比空气通过空腔(106)接触内电极(107),参比空气通道(105)主体材料可以是以金属-金属氧化物、氧化锆为主体的陶瓷。加热器(103)位于参比空气通道(105)下方,其上下两面及周边由第一绝缘层(102)、第二绝缘层(104)、第三绝缘层(111)进行绝缘保护,并由下方的加热器基体(101)承载,用于对氧传感器进行快速加热,加热器(103)一般采用金属铂制备。内电极(107)、外电极(109)和加热器(103)均通过导出引脚将电信号穿到传感器上表面,即多孔保护层(110)上表面。
图2为本发明方法的具体流程图,本发明逐层执行以下步骤:
(1)真空环境中,在工作台上加载当前层原材料粉末并预热。
(2)根据当前层的精度要求确定原始激光,并采用该原始激光对原材料进行扫描烧结熔化及固化,所述的原始激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光。
本发明根据平板式氧传感器结构逐层进行成型以制作氧传感器,不同层的精度要求可能不同,所以,不同层所选择的原始激光也不同。原始激光的选择原则为:对精度要求高的当前层可选用脉冲较短的激光作为原始激光,例如皮秒激光或飞秒激光;对精度要求低的当前层则选用脉冲较长的激光作为原始激光。本步骤基于上述选择原则并结合经验、试验验证确定制备当前层所采用的原始激光。
(3)采用实时监测系统实时检测和分析已成型当前层的尺寸、晶相结构、表面形貌、成分中的一项或多项,并将分析结果反馈至控制中心。
实时监测系统包括控制驱动系统和检测仪器,检测仪器与控制驱动系统相连,所述的检测仪器包括尺寸检测仪器、晶相结构检测仪器、表面形貌检测仪器、成分检测仪器中的一种或多种。具体实施中,检测仪器包括扫描电镜、X射线衍射仪、红外摄像仪和质谱仪。
(4)将控制中心接收的分析结果与预设目标比对,若分析结果达到预设目标,则继续步骤(6);否则,执行步骤(5)。
(5)使用精加工激光对已成型当前层的特定区域进行精加工,然后执行步骤(3)。所述的特定区域指分析结果未达到预设目标的区域。精加工激光一般选择比原始激光脉冲更短的激光。
(6)重复步骤(1)~(5)以完成下一层的成型。
根据平板式氧传感器的分层结构,3D打印的顺序可以是从上到下,也可以是从下到上。
具体实施中,原始激光和精加工激光均由多波长集成光纤激光器提供,所述的多波长集成光纤激光器包括控制器、纳秒激光探头、皮秒激光探头和飞秒激光探头,纳秒激光探头、皮秒激光探头和飞秒激光探头均与控制器相连,控制器用来控制纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光的发射和关闭。
因为平板式氧传感器是多层结构,从下到上依次为加热器基体层、第一绝缘层、加热器层、第二绝缘层、参比空气通道层、内电极层、陶瓷基体层、外电极层、多孔保护层,各层对精度要求也是不同的,所以,不同层所选择的激光也不同。一般,对精度要求较高的层可选用皮秒激光或飞秒激光等秒冲较短的激光。此外,实际加工效果和预设效果也是有差别的,所以通过实时监测系统实时获得实际加工效果,并根据实际加工效果进一步调整所使用的激光,从而实现产品的精确加工。
每次成型中,多波长集成光纤激光器的三种激光和实时监控系统的多种检测手段并非均需要使用,一般根据氧传感器要求选择合适的原始激光、精加工激光和检测手段。但多种激光和多种检测手段使得本发明具有通用性,可实现氧传感器的逐点控制,实现任意尺度、形状、成分和微观组织的在线控制。

Claims (10)

1.基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于,包括步骤:
按照从上到下或从下到上逐层制备平板式氧传感器,所述的平板式氧传感器从下到上依次为加热器基体层、第一绝缘层、加热器层、第二绝缘层、参比空气通道层、内电极层、陶瓷基体层、外电极层、多孔保护层,加热器层包括加热器及围绕加热器周边的第三绝缘层,各层的制作步骤如下:
(1)真空环境中,在工作台上加载当前层原材料粉末并预热;
(2)根据当前层的精度要求确定原始激光,采用原始激光对原材料进行扫描烧结熔化及固化;原始激光的选择原则是:对精度要求高的当前层选用脉冲较短的激光,对精度要求低的当前层则选用脉冲较长的激光;基于上述选择原则并结合经验、试验验证在纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光中确定制作当前层所采用的原始激光;
(3)实时检测和分析已成型当前层的尺寸、晶相结构、表面形貌和成分中的一项或多项,并将分析结果反馈至控制中心;
(4)将控制中心接收的分析结果与预设目标比对,若分析结果达到预设目标,则结束并开始制作下一层;否则,执行步骤(5);
(5)使用精加工激光对已成型当前层的特定区域进行精加工,然后执行步骤(3);所述的特定区域指分析结果未达到预设目标的区域,所述的精加工激光选择原则为:(a)为皮秒激光或飞秒激光;同时,(b)其加工精度高于原始激光源。
2.如权利要求1所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
所述的原始激光和精加工激光均由多波长集成光纤激光器提供,所述的多波长集成光纤激光器包括控制器、纳秒激光探头、皮秒激光探头和飞秒激光探头,纳秒激光探头、皮秒激光探头和飞秒激光探头均与控制器相连,控制器用来控制纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光的发射和关闭。
3.如权利要求1所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
步骤(3)中采用实时监测系统进行实时检测和分析,所述的实时监测系统包括控制驱动系统和检测仪器,检测仪器与控制驱动系统相连,所述的检测仪器包括尺寸检测仪器、晶相结构检测仪器、表面形貌检测仪器、成分检测仪器中的一种或多种。
4.如权利要求3所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
所述的检测仪器包括扫描电镜、X射线衍射仪、红外摄像仪和质谱仪中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
加热器的原材料为铂。
6.如权利要求1所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
参比空气通道层的原材料为金属-金属氧化物复合陶瓷或氧化锆陶瓷。
7.如权利要求1所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
内电极层和外电极层的原材料为铂、氧化钌或氧化钼,内电极层和外电极层的原材料相同或不同。
8.如权利要求1所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
陶瓷基体层的原材料为氧化锆或氧化钛。
9.如权利要求1所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
多孔保护层的原材料为无机材料。
10.如权利要求9所述的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法,其特征在于:
所述的无机材料为金属氧化物材料或碳氮化合物。
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