CN105036057A - 一种激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法，包括如下步骤：(1)在基板表面至少平铺一层以上的磁性材料颗粒，之后施加可控磁场，使得磁性材料颗粒在基板表面按照磁场的磁力线有序排列；(2)利用激光束从基板的背面一侧入射扫描，激光束辐照处吸收激光能量而发生极速升温，使得基板背面被辐照的区域不发生熔化或薄层熔化；对应基板正面的磁性材料颗粒表面部分熔化，冷却后实现磁性材料颗粒与基板的焊接；(3)重复步骤(1)-(2)，实现多层、不同尺寸、有序的磁性微纳结构制备。该方法实现了图形化磁性微纳结构的制造，由于微纳结构的尺寸和图形可控，从而可以调控其表面超疏水、电磁波吸收和反射特性。

Description

一种激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法。

背景技术

经过亿万年的自然进化，自然界中动植物的表面逐渐地形成了特殊的结构形态，这些特殊的结构形态赋予了动植物表面独特的、优异的功能特性，比如超疏水性、自清洁效应等。大自然中具有超疏水特性的动植物表面很多，其中荷叶、水黾腿、水稻叶、蝴蝶翅膀和玫瑰花瓣是生物超疏水表面的典型代表。通常，仿生超疏水表面的制备方法有两种：一是在固有疏水的固体表面上构建粗糙结构，比如大多数聚合物；二是先在固有亲水的固体表面上构建粗糙结构，比如碳、硅、金属及其氧化物等，然后使用低表面能材料对粗糙结构进行表面化学修饰以降低基体材料的表面吉布斯自由能，比如各种含氟有机化合物。在固体表面构建粗糙结构的方法主要有物理/化学气相沉积、相分离、化学/激光刻蚀、电化学沉积和化学镀等。

众所周知，金属表面具有较高的表面自由能，是典型的固有亲水性材料。几乎所有的液体都能很容易地在金属表面铺展，并润湿金属表面。所以，金属超疏水表面的制备通常需要在金属基体上构建粗糙结构，并使用低表面能材料(例如各种含氟有机物)对粗糙表面进行表面化学修饰以降低金属材料的表面自由能。然而，相对于金属表面，有机物化学修饰层的热稳定性和机械稳定性差，在极端恶劣的环境中容易受到破坏，进而造成金属表面超疏水性的丧失。此外，化学修饰层还会影响金属材料的固有性质，比如表面导电性等。因此，制备没有任何表面化学修饰的超疏水金属表面特别是自清洁金属表面无论是在理论研究方面还是在实际应用方面都具有很重要的现实意义。

磁性是物质的一种基本属性。磁性材料是具有磁有序的强磁性物质，广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等，后者主要是铁氧体材料。按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。

磁性粉末的尺寸从毫米、微米直至纳米均可制备，颗粒形态可以是球状、片状、针状等等。磁性粉末的生产方法通常按转变的作用原理分为机械法和物理化学法两类，既可从固、液、气态金属直接细化获得，又可从其不同状态下的金属化合物经还原、热解、电解而转变制取。难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物一般可直接用化合或还原-化合方法制取。因制取方法不同，同一种粉末的形状、结构和粒度等特性常常差别很大。粉末的制取方法很多种，其中应用最广的是还原法、雾化法、电解法。

激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。

直写技术不是一种单一的工艺，而是从快速原型制造领域发展起来的制造电子传感元件和微结构的一类新工艺技术的统称，但“直写”(DirectWrite)一词并非新概念，如我们用笔写字就属于一种典型的直写工艺过程，它本质上可看作是在大脑意识中的字体笔划图形驱动下的油墨材料沉积过程(从笔内流出沉积到纸张上)。在此基础上，可以认为“任何可以由预先设计的图形数据驱动在某种材料表面实现材料的沉积、转移或处理的工艺或技术”均可归之为直写技术，换言之，任何不是由图形数据直接驱动的加工方法，如硅基微加工工艺、LIGA工艺等，均不属于直写技术。

直写技术是多种多样、不同功能、多种尺度(亚微米至毫米量级)加工的一批工艺技术，目前有文献和专著报道的直写工艺和技术就有数十种之多，各自使用的加工工具和适用材料也都不尽相同。激光直写刻蚀技术是直写技术中的一种，其采用激光束作为热源，通过对材料的逐点逐层刻蚀实现平面图形和三维结构的制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法，该方法利用调控磁场有序排列基板表面的微、纳米尺寸磁性材料颗粒，通过精确控制激光功率和扫描速度使得磁性材料颗粒部分熔化焊接固定，从而实现一种图形化磁性微纳结构的制造，由于微纳结构的尺寸和图形可控，从而可以方便的调控其表面超疏水、电磁波吸收和反射特性。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法，包括如下步骤：

(1)在基板表面至少平铺一层以上的磁性材料颗粒，之后施加可控磁场，使得磁性材料颗粒在基板表面按照磁场的磁力线有序排列；其中，基板的材料要求为具有良好导热性，基板的总厚度小于5mm，基板的熔点不低于磁性材料颗粒的熔点；

(2)根据预先设计的微纳结构图形，利用激光束从基板的背面一侧入射扫描，激光束辐照处吸收激光能量而发生极速升温，使得基板背面被辐照的区域不发生熔化或薄层熔化；对应基板正面的磁性材料颗粒表面部分熔化，冷却后实现磁性材料颗粒与基板的焊接；

(3)重复步骤(1)-(2)，实现多层、不同尺寸、有序的磁性微纳结构制备；其中，在每一次重复步骤(1)-(2)的时候，要求当前所使用的磁性材料颗粒的熔点不高于前序步骤中所使用的磁性材料颗粒的熔点。

优选的，在基板之下还设置有一附加层，所述附加层对激光的透射率超过80％。

优选的，步骤(1)中磁性材料颗粒可以是直接放置在基板表面，也可以是先分散到液体中，之后涂覆在基板表面，施加磁场使其中颗粒排序之后再自然蒸发或加热蒸发去除液体分散剂。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用调控磁场来有序排列基板表面的微、纳米尺寸磁性材料颗粒，通过精确控制激光功率和扫描速度使得磁性材料颗粒部分熔化焊接固定，从而实现了一种图形化磁性微纳结构的制造，由于微纳结构的尺寸和排序图形可控，从而调控其表面超疏水、电磁波吸收和反射特性，尤其是可以制备没有任何表面化学修饰的超疏水金属表面，以及具有超低反射率的电磁波吸收体，在工业、国防领域具有重要意义。

2、本发明兼容各自磁性材料颗粒和基板的组合，比现有的传统方法如物理/化学气相沉积、相分离、化学/激光刻蚀、电化学沉积和化学镀等，具有更好的材料相容性，更可以实现不同材料的有序图形化堆积，特别是针对于金属超疏水表面制备时，可以将具有不同表面自由能的基板材料、磁性材料任意搭配，构成新颖的润湿转换效果。

3、本发明中激光从已有基板的背面一侧入射，并非直接作用在粉末颗粒上，本质属于热传导型焊接，无须控制气氛，颗粒仅仅表面轻微熔化实现与基板的焊接，通过磁场控制磁性材料颗粒的有序排列，由于磁场的调控非接触、十分灵活简易，故图形化微纳结构的精细构造很精确可控，各种磁性材料颗粒的平行直线、曲线排布均可实现，另外激光束的扫描轨迹使得仅仅扫描轨迹上的颗粒被焊接，进一步实现了微纳结构的整体图形化。

4、本发明利用磁场和激光束复合，实现了微、纳米尺度粒子的自组装和装配，相比传统方法更加灵活可控性好，是一种有效的微纳米粒子功能结构的三维构造方法。

附图说明

图1为本发明所述激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法，包括如下步骤：

(1)如图1所示，在基板1表面放置一定厚度的微、纳米尺寸的磁性材料颗粒2，该磁性材料颗粒2的尺寸范围为100微米至10纳米，磁性材料颗粒2的厚度大于磁性材料颗粒2的平均尺寸，以使得基板1表面至少平铺一层以上的磁性材料颗粒2；之后施加可控磁场(图1中箭头所示为磁场方向)，使得磁性材料颗粒2在基板1表面按照磁场的磁力线有序排列；可控磁场的作用是调整颗粒的朝向，比如使得磁性材料颗粒朝向统一，全部立起来等。

其中，基板的形状可以是平面或曲面。基板可以是一种材料构成(单层)，也可以是多种材料构成(多层)，其材料要求为具有良好导热性(导热系数大于15W/m·K)的金属、非金属(如硅、碳等)、金属化合物或者金属与非金属的机械混合物，基板的总厚度小于5mm，以使得后续激光背面辐照处的热传导快速且到达正面的热影响区细小。

磁性材料颗粒可以是直接放置在基板表面，也可以先分散到液体(如水、乙醇、丙酮、十二院基疏酸钠(SDS)、吡咯烷酮(PVP)等)中，之后涂覆在基板表面，施加磁场使其中颗粒排序之后再自然蒸发或加热蒸发去除液体分散剂；磁性材料颗粒的尺寸大小和形状根据微纳结构图形来确定，可以是单一尺寸范围和形状，也可以是多种不同尺寸和形状的混合，图1中所述的磁性材料颗粒2即为纳米粒子和微米粒子的混合，其中小圆圈代表纳米粒子，长柱子代表微米粒子。

基板1的材料与磁性材料颗粒2的化学成分可以相同或不同，但要求基板1表面与磁性材料颗粒2可以实现焊接(熔化焊或钎焊均可)，并且基板1的熔点不低于磁性材料颗粒2的熔点。

优选的，在基板1之下还可以设置有一用于增强支撑作用的附加层，附加层可以有，也可以没有。若有的话，要求其对激光的透射率超过80％。例如可以由二氧化硅表面镀金属膜构成基板和附加层结构，使得激光束可以从背面入射穿过透明二氧化硅照射金属膜，实现金属膜上的磁性材料颗粒与金属膜的焊接。

(2)根据预先设计的微纳结构图形，利用激光束从基板1的背面一侧入射扫描；所述背面是指不与磁性材料颗粒2接触的那一面。其中激光扫描的工艺参数包括功率密度、扫描速度和扫描路径等，其均根据基板材料成分、磁性材料颗粒尺寸、基板厚度和微纳结构图形设计而确定。

激光扫描时，激光束辐照处3吸收激光能量而发生极速升温，使得基板1的背面被辐照的区域不发生熔化或仅仅薄层熔化；对应基板1正面微小区域由热传导而经历极速加热和极速冷却(图1中斜剖面线所示区域即为热传导区域)，使得磁性材料颗粒表面仅仅部分熔化，冷却后实现磁性材料颗粒与基板的焊接。

其中，激光的波长应该与基板材料匹配，使得激光束能量可以被与磁性材料颗粒2接触的基板1有效吸收。同时为了实现部分熔化，要求激光扫描速度控制要合适，从而发生熔化的时间恰好，只发生表面部分熔化。

若是基板1和磁性材料颗粒2为相同材料成分，根据金属纳米颗粒的熔点与其粒径有关的特性，具体关系如下Tm/Tb＝1-C/D，其中Tm是粒径为D的纳米颗粒的熔点，Tb是相应块体材料的熔点，C是材料常数，单位是nm。(详见PhysRev.A66，013208，2002)。依据上面的公式很容易计算纳米颗粒的熔点，显然，基板1不熔化而磁性材料颗粒2表面部分熔化是可以实现的。

(3)重复步骤(1)-(2)，实现多层、不同尺寸、有序的磁性微纳结构制备。

要求每一次重复步骤(1)-(2)的时候，磁性材料颗粒2的材料、尺寸、形状可以不同，磁场方向可以不同，但其熔点要求不高于前序步骤中的颗粒熔点，从而各层的微纳结构是任意设置组合的。

比如，在制备金属超疏水结构的多级微纳结构时，第一层先制备微米结构，之后再重复步骤(1)-(2)，在微米结构上制备纳米结构，从而实现多层、不同尺寸、有序的磁性微纳结构制备。另外，本发明还可以使得入射电磁波在多级微纳结构之间发生多次反射和吸收，以及形成表面等离子体共振(SPR)或局域表面等离子体共振(LSPR)，从而实现电磁波的反射和吸收特性调控。

Claims (3)

1.一种激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在基板表面至少平铺一层以上的磁性材料颗粒，之后施加可控磁场，使得磁性材料颗粒在基板表面按照磁场的磁力线有序排列；其中，基板的材料要求为具有良好导热性，基板的总厚度小于5mm，基板的熔点不低于磁性材料颗粒的熔点；

(2)根据预先设计的微纳结构图形，利用激光束从基板的背面一侧入射扫描，激光束辐照处吸收激光能量而发生极速升温，使得基板背面被辐照的区域不发生熔化或薄层熔化；对应基板正面的磁性材料颗粒表面部分熔化，冷却后实现磁性材料颗粒与基板的焊接；

(3)重复步骤(1)-(2)，实现多层、不同尺寸、有序的磁性微纳结构制备；其中，在每一次重复步骤(1)-(2)的时候，要求当前所使用的磁性材料颗粒的熔点不高于前序步骤中所使用的磁性材料颗粒的熔点。

2.根据权利要求1所述的激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法，其特征在于，在基板之下还设置有一附加层，所述附加层对激光的透射率超过80％。

3.根据权利要求1所述的激光束直写构造图形化磁性微纳结构的方法，其特征在于，步骤(1)中磁性材料颗粒可以是直接放置在基板表面，也可以是先分散到液体中，之后涂覆在基板表面，施加磁场使其中颗粒排序之后再自然蒸发或加热蒸发去除液体分散剂。