CN109207997B - 激光冲击制备纳米碳材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光冲击制备纳米碳材料的方法，包括以下步骤，1）在待强化的材料基体表面上直接设置芳烃高分子粉末或者其与粘结剂的混合物作为吸收层；2）在吸收层上设置约束层；3）脉冲激光对吸收层进行激光冲击强化；4）材料冷却后，去除残留物即得强化后的材料基体。利用激光冲击强化环境下的高温高压特性，将芳烃高分子粉末作为吸收层，在约束环境下增加激光冲击强化功率密度，将芳烃高分子粉末裂解为石墨稀、纳米金刚石等结构，实现吸收层向涂层的转变并附着在靶材上，形成特定功能的涂层。

Description

激光冲击制备纳米碳材料的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种激光冲击制备纳米碳材料的方法。
背景技术
激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。涂层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。
专利CN201610607738.3中提出激光冲击氧化石墨烯涂层的表面强化方法,其包括以下步骤：将石墨烯、氧化石墨烯或两者的混合物溶液涂抹到需要强化的材料基体表面，形成涂层；在涂层上设置铝箔作为吸收层；在吸收层上设置光学玻璃或硅胶作为约束层；用脉冲激光对吸收层进行激光冲击扫描，激光穿过约束层照射到吸收层上，吸收层吸收激光能量迅速气化同时形成大量的高温高压等离子体，等离子体快速膨胀形成高强度的冲击波，冲击波作用于涂层，部分涂层被冲击波压入到材料基体表层，部分涂层紧密作用并贴合到材料基体表层；将激光冲击后的材料基体自然冷却到室温，去除材料基体上的残留物，得到表面强化好的材料基体。
但是由于涂层受激光冲击强化产生的产物与吸收层容易混合，很难形成纳米结构并沉积在金属表面。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种激光冲击制备纳米碳材料的方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种激光冲击制备纳米碳材料的方法，包括以下步骤，
1）在待强化的材料基体表面上直接设置芳烃高分子粉末或者其与粘结剂的混合物作为吸收层；
2）在吸收层上设置约束层；
3）脉冲激光对吸收层进行激光冲击强化；
4）材料冷却后，去除残留物即得强化后的材料基体。
所述的粘结剂为硅胶或油漆。
所述的粘结剂以排除芳烃高分子粉末中空气最小用量为标准。
芳烃高分子粉末与油漆的体积比为（1～3）：1，所述的约束层为水。
所述的步骤3）中脉冲激光功率密度在5～25GW/cm2。
所述的步骤3）中进行至少连续两次激光强化。
所述的吸收层为玻璃或水。
采用烃粉末作为吸收层，光学玻璃或硅胶作为约束层。
在所述的吸收层上还设置有密封层。
所述的密封层为硅油或油漆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用激光冲击强化环境下的高温高压特性，将芳烃高分子粉末作为吸收层，在约束环境下增加激光冲击强化功率密度，将芳烃高分子粉末裂解为石墨稀、纳米金刚石等结构，实现吸收层向涂层的转变并附着在靶材上，形成特定功能的涂层。
附图说明
图1所示为本发明的芳烃高分子粉末的结构示意图；
图2所述的形成的纳米碳结构示意图；
图3所示芳烃高分子一种制备过程的示意图；
图4所示为芳烃高分子另一种制备过程的示意图。
图5所示为一种纳米碳结构形成过程示意图；
图6所示为另一种纳米碳结构形成过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种激光冲击制备纳米碳材料的方法，包括以下步骤，
1）在待强化的材料基体1的表面直接设置吸收层2；所述的的吸收层为芳烃高分子粉末或者其与粘结剂的混合物作为吸收层；
3）在吸收层上设置约束层4，如水或光学玻璃；
4）脉冲激光5对吸收层进行激光冲击强化；其中，图3和图4所示为芳烃高分子粉末的制备示意图。如芳烃高分子粉末可选择北航谢政博士论文公开的烃粉末结构等。
5）材料冷却后，去除残留物即得强化后的材料基体。
本发明将芳烃高分子粉末作为吸收层并放弃单独的使用涂层，用脉冲激光对吸收层进行激光冲击强化时，激光穿过约束层照射到吸收层上，吸收层的芳烃高分子吸收激光能量后迅速裂解为石墨稀、纳米金刚石等结构，形成大量的高温高压等离子体6，等离子体快速膨胀形成高强度的冲击波7，冲击波作用于裂解出的石墨稀、纳米金刚石等直接附着在靶材即材料基体表面上，而且由于芳烃高分子更容易吸收激光并裂解形成高温高压等离子体，可以增加激光冲击波的压力，同时将裂变产生的物质直接附着，减少力的传递，附着效果好，而且，芳烃高分子为浅黄色或者灰色，很容易与石墨等区分，容易判断效果，将高分子芳烃高分子粉末并附着在靶材上，具有特殊硬度、导电、摩擦等性能的涂层。由于芳烃高分子的分解，形成的结构与原材料明显不同，很容易判断效果，产生黑色粉末就说别原材料已经分解，便于观察强化效果。
其中，粉末中空气会降低冲击波压力，可以用硅胶或者油漆等作为粘结剂，以能形成粘接性膏状物，粘结剂使用量以能排除粉末中空气或空隙的最小用量为标准，如，芳烃高分子粉末与油漆的体积比为（1～3）：1,如1：1，2：1或3：1等，所述的油漆为黑漆，将烃粉末混合在油漆中作为黑漆吸收层的添加物，水作为约束层，按照常规激光冲击强化工艺，可以增加激光冲击强化的冲击波压力。
同时，还可以在吸收层上设置密封层3，如硅油、油漆等；利用密封层进行附加约束，同样能提到提高强化效果的目的，仅用于提高冲击波压力时，可采用常规的激光冲击强化功率密度，如1～10GW/cm2。
在具体实施时，加大激光功率密度，比常规激光冲击强化增加2～10倍，此处的常规为利用石墨烯等作为吸收层时的对比。大激光功率密度在5～25GW/cm2，如在15、18、20、21、23或25 GW/cm2，其比相同条件下对应的常规激光脉冲对应增大2倍，3倍，5倍或者8倍等，同时，所述的步骤3）中进行至少两次激光强化以增加涂层粘附量和结合力，因为本发明中吸收层和涂层为一体同种材料，基于吸收层向涂层功能的转变，即便吸收层有部分损伤后也无需清理后再次激光扫描，即可保证整体的强化目标。
作为一种具体实施方式，采用芳烃高分子粉末作为吸收层，光学玻璃或硅胶作为约束层，激光冲击芳烃高分子粉末比普通吸收层更容易吸收激光，更容易裂解，形成更多分子，更容易产生高温高压等离子体，该等离子体会产生纳米碳结构，如石墨稀、纳米金刚石等结构，并直接附着在靶材上，形成特殊功能的涂层，同时能增加激光冲击波的压力，该方法简单实用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)在待强化的材料基体表面上直接设置芳烃高分子粉末或者其与粘结剂的混合物作为吸收层；
2)在吸收层上设置约束层；
3)脉冲激光对吸收层进行激光冲击强化；用脉冲激光对吸收层进行激光冲击强化时，激光穿过约束层照射到吸收层上，吸收层的芳烃高分子粉末吸收激光能量后迅速裂解并形成大量的高温高压等离子体，等离子体快速膨胀形成高强度的冲击波，冲击波作用于裂解出的结构使其直接附着在材料基体表面上，
4)材料冷却后，去除残留物即得强化后的材料基体。
2.如权利要求1所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，所述的粘结剂为硅胶或油漆。
3.如权利要求1所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，所述的粘结剂以排除芳烃高分子粉末中空气最小用量为标准。
4.如权利要求2所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，芳烃高分子粉末与油漆的体积比为(1～3)：1，所述的约束层为水。
5.如权利要求1所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，所述的步骤3)中脉冲激光功率密度在5～25GW/cm2。
6.如权利要求1所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，所述的步骤3)中进行至少连续两次激光强化。
7.如权利要求1所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，所述的吸收层为玻璃或水。
8.如权利要求1所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，采用烃粉末作为吸收层，光学玻璃或硅胶作为约束层。
9.如权利要求1所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，在所述的吸收层上还设置有密封层。
10.如权利要求9所述的激光冲击制备纳米碳材料的方法，其特征在于，所述的密封层为硅油或油漆。
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