CN113146028A - 一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，具体按照以下步骤实施：首先，将C/SiC复合材料放置在装有乙醇溶液的超声波清洗机中清洗，在飞秒激光加工系统的聚焦透镜前添加小孔光阑；然后，将清洗后的C/SiC复合材料放置于飞秒激光加工系统中的三轴运动平台上，设置激光加工参数；最后，根据C/SiC复合材料结构轮廓，规划激光扫描路径轨迹，基于飞秒激光衍射效应实现C/SiC复合材料表面微结构的可控制备。本发明基于夫琅禾费衍射原理，在激光聚焦透镜前方添加光阑，由于衍射效应生成了具有明暗条纹的艾里斑，实现C/SiC复合材料表面多级同心环状结构的制备。

Description

一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法
技术领域
本发明属于激光微加工方法技术领域，涉及一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法。
背景技术
在种类繁多的先进复合材料之中，碳纤维强化碳化硅(Carbon Fiber ReinforcedSilicon Carbide,C/SiC)复合材料不仅具有高强度、高刚性、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、高温抗氧化性、密度低、热膨胀系数小等优良性能，而且具有高温热稳定、热导率高、纤维和基体间热应力小，热膨胀匹配、低的诱导辐射活性等优点，被认为是目前新能源、航空航天、汽车引擎等高温部件最有潜力的备选材料。在先进复合材料表面制备微纳结构可改善材料的光学性能、润湿性能、生物相容性等功能特性，复合材料表面微纳结构的可控加工是目前微纳加工技术研究的一个热点。C/SiC复合材料是一种各向异性且具有超高硬度的难加工材料，容易在切削力的作用下产生毛刺、分层、撕裂、崩边等损伤，影响材料加工质量。现有的表面微纳结构制备主要有两种方法：一是以材料的去除为主，如光刻及化学刻蚀技术；二是以材料的生长为主，如自组装技术及沉积技术。从功能性表面微纳结构的制备方法上看，两类方法各有利弊，且适用范围不同，但是这些方法往往需要多步复杂的工序。与上述表面微纳结构加工技术相比，超短脉冲激光表面加工技术具有如下优势：加工质量高、非接触式加工、对材料输入热量低、适用材料范围广，同时易于和数控技术结合实现自动化。
目前主要依靠扫描振镜或者运动平台实现激光光束与材料的相对运动，实现C/SiC复合材料表面微结构的超短脉冲激光加工。这种通过激光光束扫描的工作方式对设备的要求较高，针对大面积加工情况下的效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，基于夫琅禾费衍射原理，在激光聚焦透镜前方添加光阑，由于衍射效应生成了具有明暗条纹的艾里斑，实现C/SiC复合材料表面多级同心环状结构的制备。
本发明所采用的技术方案是，一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，具体按照以下步骤实施：
首先，将C/SiC复合材料放置在装有乙醇溶液的超声波清洗机中清洗，在飞秒激光加工系统的聚焦透镜前添加小孔光阑；然后，将清洗后的C/SiC 复合材料放置于飞秒激光加工系统中的三轴运动平台上，设置激光加工参数；最后，根据C/SiC复合材料结构轮廓，规划激光扫描路径轨迹，基于飞秒激光衍射效应实现C/SiC复合材料表面微结构的可控制备。
本发明的特征还在于：
飞秒激光加工系统包括固态飞秒脉冲激光器，沿固态飞秒脉冲激光器激光的射出方向依次设置有快门、分光棱镜，分光棱镜将激光分为相互垂直的两束，沿其中一束激光的射出方向设置有功率计，沿另一束激光的射出方向依次设置有第一反射镜、第二反射镜、准直透镜、第三反射镜、小孔光阑及聚焦透镜，飞秒激光加工系统还包括三轴运动平台，三轴运动平台上方设置有C/SiC复合材料放置层，经聚焦透镜射出的激光射向C/SiC复合材料放置层。
固态飞秒脉冲激光器通过线缆电连接有计算机。
三轴运动平台还通过线缆电连接有控制计算机。
激光器参数具体为：飞秒激光器的波长为800nm，脉宽为120fs，重复频率为1kHz。
本发明的有益效果是：
本发明相较于激光扫描加工，通过飞秒激光加工系统改变加工参数实现了对加工形貌尺寸的调控衍射光束加工多级同心圆环结构效率更高，使用设备更加简单，本发明基于夫琅禾费衍射原理，在激光聚焦透镜前方添加光阑，由于衍射效应生成了具有明暗条纹的艾里斑，光斑辐照于C/SiC复合材料表面可制备多级同心环状结构，在C/SiC复合材料表面制备的微纳结构可改善材料的功能特性，有望在新能源、航空航天、汽车引擎等高温部件的加工中实现应用。
附图说明
图1是本发明一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法中飞秒激光加工系统的结构示意图；
图2是本发明一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法中不同加工参数下表面形貌的扫描电子显微镜图。
图中，1.计算机，2.固态飞秒激光器，3.快门，4.分光棱镜，5.功率计， 6.第一反射镜，7.第二反射镜，8.准直透镜，9.第三反射镜，10.小孔光阑，11. 聚焦透镜，12.C/SiC复合材料放置层，13.三轴运动平台，14.控制计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，具体按照以下步骤实施：
首先，将C/SiC复合材料放置在装有乙醇溶液的超声波清洗机中清洗，在飞秒激光加工系统的聚焦透镜前添加小孔光阑；然后，将清洗后的C/SiC 复合材料放置于飞秒激光加工系统中的三轴运动平台上，设置激光加工参数；最后，根据C/SiC复合材料结构轮廓，规划激光扫描路径轨迹，基于飞秒激光衍射效应实现C/SiC复合材料表面微结构的可控制备。
如图1所示，飞秒激光加工系统包括固态飞秒脉冲激光器2，沿固态飞秒脉冲激光器2激光的射出方向依次设置有快门3、分光棱镜4，分光棱镜4 将激光分为相互垂直的两束，沿其中一束激光的射出方向设置有功率计5，沿另一束激光的射出方向依次设置有第一反射镜6、第二反射镜7、准直透镜8、第三反射镜9、小孔光阑10及聚焦透镜11，飞秒激光加工系统还包括三轴运动平台13，三轴运动平台13上方设置有C/SiC复合材料放置层12，经聚焦透镜11射出的激光射向C/SiC复合材料放置层12。
固态飞秒脉冲激光器2通过线缆电连接有计算机1。
三轴运动平台13还通过线缆电连接有控制计算机14。
激光器参数具体为：飞秒激光器的波长为800nm，脉宽为120fs，重复频率为1kHz。
本发明的固态飞秒脉冲激光器，由振荡器、泵浦源、放大器和倍频器构成。振荡器采用半导体泵浦产生高重复频率飞秒种子激光脉冲、输出平均功率约400mW的准连续锁模激光脉冲列，激光波长为800nm，脉冲宽度25 至100fs调谐。泵浦源采用高功率连续二极管泵浦双倍内腔Nd:YLF可调泵浦的方式，可产生波长527nm、频率1～10kHz、功率20W的连续激光，为放大器提供脉冲放大能量。振荡级产生的锁模脉冲进入第二级放大器。此放大器被泵浦源提供放大能量，将飞秒种子激光序列中的单脉冲选择然后放大，产生脉宽为120fs左右及重复频率1或5kHz的两种锁模脉冲，波长为 800nm，最大功率可达5W。800nm的飞秒激光脉冲再经过倍频器就可得到脉宽120fs左右的二倍频400nm激光脉冲和三倍频266nm紫外激光脉冲。
实施例
一种基于飞秒激光衍射效应的陶瓷基复合材料表面多级同心圆环结构制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将C/SiC复合材料放置在装有乙醇溶液的超声波清洗机中清洗 3～5分钟，清洗后从超声波清洗机中取出C/SiC复合材料；
步骤2、将步骤1清洗后的C/SiC复合材料放置于飞秒激光精密加工系统中的三轴运动平台上。设置激光器参数，飞秒激光器的波长为800nm，脉宽为120fs，重复频率为1kHz。
步骤3、根据C/SiC复合材料结构轮廓，规划激光扫描路径轨迹，基于飞秒激光衍射效应实现C/SiC复合材料表面微结构的可控制备。
本发明通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对不同加工条件下的结构形貌进行了表征。
图2为不同激光加工参数下的SEM图，从图中可以观察到刻蚀形成的多级同心圆环结构，通过改变离焦量、功率、脉冲数量等加工参数可以对多级同心圆环结构的形貌尺寸进行调控。图2(a)，(b)，(c)分别为10μm，100μm， 500μm离焦情况下的加工形貌，从三组SEM图中可以观察到随着激光离焦量的加大，多极环状结构直径增大，环数增多；图2(d)，(e)，(f)分别为激光能量在0.5W，2W，4W情况下的加工形貌，从三组SEM图中可以观察到随着激光功率的加大，多极环状结构深度逐渐增大；图2(g)，(h)，(i)分别为5000， 10000，20000个激光脉冲作用下加工形貌，从三组SEM图中可以观察到随着激光脉冲数量的加大，多极环状结构深度同样随之增加。这些多级同心圆环结构产生于激光衍射成一系列同心光环，这些光环使激光能量成明和暗交替分布。当激光束直接聚焦辐照在C/SiC复合材料表面上，激光脉冲存在能量变化梯度，从而导致了烧蚀边界表面的张力变化。

Claims (5)

1.一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
首先，将C/SiC复合材料放置在装有乙醇溶液的超声波清洗机中清洗，在飞秒激光加工系统的聚焦透镜前添加小孔光阑；然后，将清洗后的C/SiC复合材料放置于飞秒激光加工系统中的三轴运动平台上，设置激光加工参数；最后，根据C/SiC复合材料结构轮廓，规划激光扫描路径轨迹，基于飞秒激光衍射效应实现C/SiC复合材料表面微结构的可控制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，其特征在于，所述飞秒激光加工系统包括固态飞秒脉冲激光器(2)，沿所述固态飞秒脉冲激光器(2)激光的射出方向依次设置有快门(3)、分光棱镜(4)，所述分光棱镜(4)将激光分为相互垂直的两束，沿其中一束激光的射出方向设置有功率计(5)，沿另一束激光的射出方向依次设置有第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、准直透镜(8)、第三反射镜(9)、小孔光阑(10)及聚焦透镜(11)，所述飞秒激光加工系统还包括三轴运动平台(13)，所述三轴运动平台(13)上方设置有C/SiC复合材料放置层(12)，经所述聚焦透镜(11)射出的激光射向所述C/SiC复合材料放置层(12)。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，其特征在于，所述固态飞秒脉冲激光器(2)通过线缆电连接有计算机(1)。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，其特征在于，所述三轴运动平台(13)还通过线缆电连接有控制计算机(14)。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光衍射效应的复合材料表面微结构制备方法，其特征在于，所述激光器参数具体为：飞秒激光器的波长为800nm，脉宽为120fs，重复频率为1kHz。
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