CN114147363B - 激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，属于激光表面改性技术领域。所述方法为在空气或者保护气体中，利用纳秒激光对非晶碳表面进行处理，通过计算机软件控制激光加工参数及扫描轨迹，可以在非晶碳表面制备不同类型的线状微纳复合结构；在前步加工的基础上，选择激光修复参数及策略，利用纳秒激光对其表面进行辐照，可以有效地消除激光加工后非晶碳样品表面的纳米颗粒及孔洞等缺陷，并保持已制备微纳复合结构的完整性。本发明实施过程简单、易于调控、绿色无污染，加工精度高且可重复性好，可以在非晶碳表面获得具有良好表面质量的线状微纳复合结构，在非晶碳表面图案化方面具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于激光表面改性技术领域，尤其涉及一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，此方法可用于非晶碳表面图案化应用。
背景技术
非晶碳是一种高硬度的各向同性材料，原子结构特性导致其具有较低的密度、良好的气体和液体的封闭特性、优异的化学稳定性以及出色的热导率(0.7-4Wm-1K-1)和电导率(101-104Sm-1)。因此非晶碳在许多应用领域都是一个较为合适的选择，例如电化学传感器、储能装置、精密成型模具等。而且它还具有较好的生物相容性，可以在医学领域作为神经植入体、组织支架等用途。非晶碳在惰性气氛中具有良好的机械强度和优异的耐腐蚀性和耐热性，这使它成为一种有趣的替代材料，可用于生产不同金属、玻璃和聚合物组件的模具，通过精密玻璃模塑成型(PGM)方式使生产具有复杂几何形状的高精度光学元件成为可能。但是由于非晶碳本身的脆性和硬度，许多传统的加工技术可能不适用于非晶碳模具的加工。目前，一些替代的技术如电子束刻蚀、反应离子刻蚀、激光加工和微图案固化树脂碳化被用来制备非晶碳模具，但是上述几种方式仍然很难制备出微纳复合结构。虽然我们的之前研究成功的在非晶碳表面制备了微纳复合结构(One-step fabrication of regularhierarchical micro/nano-structures on glassy carbon by nanosecond pulsedlaser irradiation，Journal of Manufacturing Processes.62(2021)108–118)，但是其仍然局限于点和阵列的形式，对于实际应用仍然存在着极大的限制，因此，本发明提出了一种纳秒激光在非晶碳表面制备线状微纳复合结构的方法，有效解决了这一问题。
但是在激光和碳材料的相互作用过程中很容易产生一些不可避免的缺陷，例如纳米碳颗粒的沉积等，这严重影响了激光加工后的表面质量。目前，一些化学方式常被用来去除激光加工产生的表面缺陷，但是这可能会引入一些其他的物质，此外，对于一些精密的微纳米结构，这些手段很容易对已制备的结构产生污染、破坏，因此，本发明进一步结合前步加工工序，利用纳秒激光对激光加工后非晶碳样品表面的纳米颗粒及孔洞等缺陷进行修复，并保持已制备微纳复合结构的完整性。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，解决了现有技术存在的上述问题。通过本发明的方法，可以在非晶碳表面获得表面质量良好的线状微纳复合结构，可用于非晶碳表面的图案化设计。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种利用激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，其特征在于：所述方法为在空气或者保护气体中，利用纳秒激光对非晶碳表面进行处理，通过计算机软件控制激光加工参数及扫描轨迹，可以在非晶碳表面制备不同类型的线状微纳复合结构；在前步加工的基础上，选择激光修复参数及策略，利用纳秒激光对其表面进行辐照，可以有效地修复激光加工后非晶碳样品表面的纳米颗粒及孔洞等缺陷，并保持已制备微纳复合结构的完整性。
作为优选，所制备的线状微纳复合结构包括微米级沟槽结构和纳米级光栅结构。
作为优选，所制备的线状微纳复合结构其内部的纳米级光栅结构始终平行于激光扫描方向。
作为优选，所制备的线状微纳复合结构可以通过降低激光功率同时提高扫描次数的方式提高其均匀性。
作为优选，所述的保护气体包括但不仅限于氮气和氩气。
作为优选，所述的激光加工参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为1.5W-3.0W，激光重复频率为400-900kHz，激光扫描速度为5-50mm/s，激光扫描次数为1-15次。
作为优选，所制备的线状微纳复合结构的图案类型包括直线、六边形、曲线、螺旋线、圆等。
作为优选，所述的激光修复参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为0.5-1.5W，激光重复频率为400-900kHz，激光扫描速度为5-50mm/s，激光扫描间距为5-50μm。
本发明的有益效果在于：通过在空气或者保护气体中对非晶碳表面进行纳秒激光辐照，成功地制备了线状微纳复合结构，通过控制激光加工参数和轨迹，可以实现不同类型的线状微纳复合结构的加工，新增了非晶碳表面图案化方法。在前步加工基础上，选择激光修复参数及策略，利用纳秒激光对其表面进行辐照，可以有效地消除激光加工后非晶碳样品表面的纳米颗粒及孔洞等缺陷，并保持已制备微纳复合结构的完整性。本发明实施过程简单、易于调控、绿色无污染，加工精度高并且具有较好的重复性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为非晶碳表面纳秒激光单次扫描制备的直线线状微纳复合结构。
图2为非晶碳表面纳秒激光单次扫描制备的六边形线状微纳复合结构。
图3为非晶碳表面纳秒激光单次扫描制备的螺旋线状微纳复合结构。
图4为非晶碳表面纳秒激光多次扫描制备的直线线状微纳复合结构。
图5为非晶碳表面纳秒激光多次扫描制备的六边形状微纳复合结构。
图6为非晶碳表面纳秒激光单次和多次扫描制备的六边形状微纳复合结构三维形貌图像。
图7为激光修复流程示意图。
图8为激光修复不同流程对应的SEM图像。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容以及具体实施方式，但本发明的内容不局限于此，所述实验方法若无特别说明均为常规方法，所述材料和试剂若无特殊说明可从普通渠道获得。
一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，所述方法为在空气或者保护气体中，利用纳秒激光对非晶碳表面进行处理，通过计算机软件控制激光加工参数及扫描轨迹，可以在非晶碳表面制备不同类型的线状微纳复合结构；在前步加工的基础上，选择激光修复参数及策略，利用纳秒激光对其表面进行辐照，可以有效地修复激光加工后非晶碳样品表面的纳米颗粒及孔洞等缺陷，并保持已制备微纳复合结构的完整性。
进一步的实施例中，所制备的线状微纳复合结构包括微米级沟槽结构和纳米级光栅结构。
进一步的实施例中，所制备的线状微纳复合结构其内部的纳米级光栅结构始终平行于激光扫描方向。
进一步的实施例中，所制备的线状微纳复合结构可以通过降低激光功率同时提高扫描次数的方式提高其均匀性。
进一步的实施例中，所述的保护气体包括但不仅限于氮气和氩气。
进一步的实施例中，所述的激光加工参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为1.5W-3.0W，激光重复频率为400-900kHz，激光扫描速度为5-50mm/s，激光扫描次数为1-15次。
进一步的实施例中，所制备的线状微纳复合结构的图案类型包括直线、六边形、曲线、螺旋线、圆等。
进一步的实施例中，所述的激光修复参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为0.5-1.5W，激光重复频率为400-900kHz，激光扫描速度为5-50mm/s，激光扫描间距为5-50μm。
实施例1
本实施例中的一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，所述方法为在空气或者保护气体中，利用纳秒激光对非晶碳表面进行处理，通过计算机软件控制激光加工参数及扫描轨迹，可以在非晶碳表面制备不同类型的线状微纳复合结构；在前步加工的基础上，选择激光修复参数及策略，利用纳秒激光对其表面进行辐照，可以有效地修复激光加工后非晶碳样品表面的纳米颗粒及孔洞等缺陷，并保持已制备微纳复合结构的完整性。
参见图1，纳秒激光制备非晶碳表面的直线状微纳复合结构如图所示，其使用的激光辐照参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为2.51W，激光重复频率为700kHz，激光扫描速度为25mm/s，激光扫描次数为1次。从图中可以观察到直线状微纳复合结构包括微米级沟槽结构和纳米级光栅结构，且内部的纳米级光栅结构始终平行于微米级沟槽即激光扫描方向。
参见图2和图3，使用与图1相同的激光辐照参数，通过控制激光扫描轨迹可以制备六边形、螺旋线形线状微纳复合结构，其仍然可见微米级沟槽结构和纳米级光栅结构，且其内部的纳米级光栅结构也始终平行于微米级沟槽即激光扫描方向，这说明通过控制扫描轨迹可以制备不同类型的线状微纳复合结构。
参见图4，纳秒激光制备非晶碳表面的直线状微纳复合结构如图所示，其使用的激光辐照参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为1.83W，激光重复频率为700kHz，激光扫描速度为25mm/s，激光扫描次数为9次。从图中可以观察到直线状微纳复合结构，与图1中的结构相比，其内部的纳米级光栅结构更加均匀，这表明可以通过降低激光功率同时提高扫描次数的方式提高其均匀性。
参见图5，使用与图4相同的激光辐照参数，通过控制激光扫描轨迹可以制备六边形状微纳复合结构，可见微米级沟槽结构和纳米级光栅结构。与图2中的结构相比，其内部的纳米级光栅结构更加均匀，这表明通过降低激光功率同时提高扫描次数的方式可以提高不同类型的线状微纳复合结构的均匀性。
参见图6，图6为图2和图5激光辐照参数下所制备微纳复合结构的三维形貌图像，通过对比图像可以进一步地说明降低激光功率同时提高扫描次数的方式可以提高线状微纳复合结构的均匀性。
从实施例1结果可以看出，通过本发明提出的方法，利用纳秒激光对非晶碳表面进行处理，可以在非晶碳表面可以制备不同类型的线状微纳复合结构，并且所制备的结构可以通过降低激光功率同时提高扫描次数的方式提高其均匀性。
实施例2
本实施例中的一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，所述方法为在空气或者保护气体中，利用纳秒激光对非晶碳表面进行处理，通过计算机软件控制激光加工参数及扫描轨迹，可以在非晶碳表面制备不同类型的线状微纳复合结构；在前步加工的基础上，选择激光修复参数及策略，利用纳秒激光对其表面进行辐照，可以有效地修复激光加工后非晶碳样品表面的纳米颗粒及孔洞等缺陷，并保持已制备微纳复合结构的完整性。
在实施例1加工直线状微纳复合结构的基础上(图4所示)，进一步地利用纳秒激光对其表面的纳米颗粒及孔洞等缺陷进行修复，参见图7，具体的修复流程可分为三个步骤：
(1)通过软件控制，在线状微纳米分层结构两侧位置1处分别进行线扫描，其激光辐照参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光重复频率为700kHz，激光功率为1.19W，激光扫描速度为30mm/s，激光扫描间距为22μm；
(2)通过软件控制，在线状微纳米分层结构两侧位置2处分别进行线扫描，其激光辐照参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光重复频率为700kHz，激光功率为0.76W，激光扫描速度为30mm/s，激光扫描间距为17μm；
(3)通过软件控制，依次在线状微纳米分层结构两侧位置3、4处分别进行线扫描，其激光辐照参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光重复频率为700kHz，激光功率为1.03W、0.88W，激光扫描速度为30mm/s，激光扫描间距为32μm、42μm。
参见图8，通过此流程，前步激光加工后非晶碳表面的线状微纳米分层结构周围的缺陷被明显的消除，并且内部纳米结构的完整性保持良好。
从实施例2结果可以看出，利用本发明提出的方法，通过低功率纳秒激光修复前步激光加工后非晶碳的表面缺陷，可以有效地消除激光加工后非晶碳样品表面的缺陷，并保持前步激光加工工序制备结构的完整性。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用作限制本发明。由本发明精神所引伸出的显而易见的变化或者改动仍处于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，其特征在于：所述方法为在空气或者保护气体中，利用纳秒激光对非晶碳表面进行处理，通过计算机软件控制激光加工参数及扫描轨迹，在非晶碳表面制备不同类型的线状微纳复合结构；在前步加工的基础上，选择激光修复参数及策略，利用纳秒激光对其表面进行辐照，有效地修复激光加工后非晶碳样品表面的纳米颗粒及孔洞，并保持已制备微纳复合结构的完整性；其中，所制备的线状微纳复合结构包括微米级沟槽结构和纳米级光栅结构，内部的纳米级光栅结构始终平行于激光扫描方向，并且所制备的线状微纳复合结构通过降低激光功率同时提高扫描次数的方式提高其均匀性。
2.根据权利要求1所述的一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，其特征在于，所述的保护气体为氮气或氩气。
3.根据权利要求1所述的一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，其特征在于，所述的激光加工参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为1.5W-3.0W，激光重复频率为400-900kHz，激光扫描速度为5-50mm/s，激光扫描次数为1-15次。
4.根据权利要求1所述的一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，其特征在于，所制备的线状微纳复合结构的图案类型包括直线、六边形、曲线、螺旋线、圆。
5.根据权利要求1所述的一种激光诱导非晶碳表面微纳复合结构及周边缺陷修复方法，其特征在于，所述的激光修复参数为：激光脉冲宽度为7ns，激光功率为0.5-1.5W，激光重复频率为400-900kHz，激光扫描速度为5-50mm/s，激光扫描间距为5-50μm。
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