CN1844443A

CN1844443A - 一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置

Info

Publication number: CN1844443A
Application number: CN 200610011701
Authority: CN
Inventors: 金永吉; 邵天敏
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: CN100404723C

Abstract

一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置，属于激光表面加工装置技术领域。激光束经反光镜反射后通过真空室面板上的石英窗被聚焦到真空室内的样品台上；运动控制装置固定在底座上带动样品台实现二维运动，样品台中埋有电阻丝；样品台上方有两块极板；真空室面板上安装有针阀，真空室通过气管与气瓶相连；插板阀的下方依次连接有分子泵、电磁隔断阀和机械泵，整个表面改性装置底座固定在机架上。本发明提供真空或纯气体环境，利用激光对基体的局部区域进行作用，辅以预加热和辉光放电，气体与基体材料发生化学反应，为激光在材料表面进行激光诱发原位化学反应提供了条件。本发明应用于电子制造、航空、汽车等行业的材料表面改性中。

Description

一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置

技术领域

本发明涉及一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置，尤其涉及一种包括激光器、真空室、真空泵和真空测量单元、针阀和放气阀、样品台、运动控制装置、加热装置和辉光放电装置的表面改性装置。属于激光表面加工装置技术领域。

背景技术

材料的摩擦学性能如润滑、摩擦、磨损、界面粘着等，主要取决于其表面性质。在先进电子制造、航空、汽车等行业中，材料的表面改性是其中的一项重要研究内容，利用基于激光诱发原位热化学反应的表面改性技术可以在材料表面获得一种可控的表面材料结构和几何结构，以实现所需要的表面性能，因而具有广泛的应用前景。

激光表面加工技术在工业领域获得了较为广泛的应用。它可以分为激光表面织构化技术和激光表面改性技术两类。激光表面织构化是获得不同的表面几何特征的有效方法，它用聚焦的激光照射材料的表面从而获得需要的表面形貌；激光表面改性技术是改变表面材料和微观结构的有效手段。它是利用激光束照射材料表面使其产生温升，借助于材料自身的传导冷却，来实现表面改性的工艺方法。它可以改善材料表面的力学和物理化学性能，从而提高材料的耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等一系列性能。基于激光表面织构化技术和激光表面改性技术的特点，很自然的期望在利用激光表面织构化处理获取所需要的表面几何特征的同时，能够通过可控的激光表面改性获得需要的表面结构和表面物质。基于激光诱发原位化学反应的表面改性技术结合了激光表面织构化技术和表面改性技术的优点，它通过在真空环境中引入具有化学活性的气体，利用激光对材料表面的局部区域进行照射，诱发材料与气体发生化学反应，改变材料局部区域的成分和结构。控制激光诱发化学反应，可以得到一种可控的表面材料结构和几何结构，以获取所需的表面性能，具有广泛的潜在应用价值。

目前的激光表面织构化技术采用的装置，如轧辊表面毛化和磁存储介质表面改性装置等，通常激光束直接在大气环境下作用于样品表面，由于没有提供真空环境，这类装置中通常需要通入保护气体以消除氧气的影响，优点是装置简单，缺点是样品表面容易出现氧化。激光表面改性技术采用的改性装置，主要包括激光蒸发沉积装置和激光化学气相沉积装置两类。激光蒸发沉积就是将激光作用于靶材表面，使表面物质蒸发，产生原子、分子和离子团等，这些蒸发出的物质沉积于基体材料表面形成薄膜。激光化学气相沉积的原理是激光束照射基体材料上方的气相物质，诱发其发生化学反应并在基体材料上沉积一层薄膜。基于激光表面改性技术的装置的缺点是没有提供获得材料表面几何结构的手段。本发明主要是针对上述装置进行的改进。它是基于激光诱发原位化学反应，在改变材料表面成分的同时改变材料表面的结构。本发明提供了一种可控的表面材料结构和几何结构获取手段。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置，在真空环境中通入具有化学活性的气体，通过电阻加热装置对基体材料进行预加热，同时通过辉光放电装置使气体部分离化，利用激光对基体的局部区域进行作用，气体与基体材料发生化学反应，从而改变材料局部区域的成分和结构。通过调整工艺参数和选择合适的化学活性气体，可以获得需要的表面结构和表面物质。

一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置，包括反光镜、观察窗、低真空计、高真空计、放气阀、过渡管路、针阀、真空室、插板阀、气瓶、激光器、石英窗、样品台、波纹管、运动控制装置、电极法兰、底座、机架、分子泵、电磁隔断阀、机械泵、电阻丝、加热电源、极板和辉光放电电源。

激光器发出的激光束经反光镜反射后通过真空室面板上的石英窗被聚焦到真空室内的样品台上；样品台通过波纹管与真空室外部的运动控制装置相连，运动控制装置固定在底座上，它可以带动样品台实现二维运动，样品台中埋有电阻丝，电阻丝通过电极法兰接外部的加热电源；样品台上方有两块极板，通过电极法兰连接到外部的辉光放电电源上；真空室整体放置在底座上，整个真空室共由六块面板组成，面板可以自由拆卸，不仅方便操作，而且为面板的功能扩展留有余地；真空室正前方面板上安装有一观察窗，用于观察真空室中的反应情况；真空室的左侧面板上安装有针阀，它通过气管与气瓶相连，调节针阀开口的大小，可以控制气瓶中气体进入真空室的流速；真空室的左侧面板与过渡管路相连，过渡管路上依次分布有低真空计、高真空计和放气阀，高、低真空计是用来测量真空室的真空度，放气阀用于向真空室放气；过渡管路的另一端与插板阀相连；插板阀的下方依次连接有分子泵、电磁隔断阀和机械泵，机械泵的作用有两个，一是对真空室进行预抽真空，二是作为分子泵的前级泵；电磁隔断阀是用于防止回流的安全装置，分子泵必须在机械泵工作的情况下使用；整个表面改性装置的重量都由机架承受，底座固定在机架上。

本发明将激光器、真空系统、加热装置、辉光放电装置和供气单元五个部分结合起来，它可以提供真空或纯气体环境，辅以预加热和辉光放电，为激光在材料表面进行激光诱发原位化学反应提供了条件。本发明主要用于材料的表面改性，可应用于电子制造、航空、汽车等行业的材料表面改性中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是电阻加热和辉光放电装置的结构示意图。

图3是激光诱发表面改性前后钛表面的X射线衍射(XRD)图，其中，(a)原始金属钛样品；(b)激光表面改性后的金属钛样品。

图4是激光诱发表面改性后钛表面的光学显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

图1是本发明的结构示意图，其中，1是反光镜，2是观察窗，3是低真空计，4是高真空计，5是放气阀，6是过渡管路，7是针阀，8是真空室，9是插板阀，10是气瓶，11是激光器，12是激光束，13是石英窗，14是样品台，15是波纹管，16是运动控制装置，17是电极法兰，18是底座，19是机架，20是分子泵，21是电磁隔断阀，22是机械泵。

一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置，包括反光镜1、观察窗2、低真空计3、高真空计4、放气阀5、过渡管路6、针阀7、真空室8、插板阀9、气瓶10、激光器11、石英窗13、样品台14、波纹管15、运动控制装置16、电极法兰17、底座18、机架19、分子泵20、电磁隔断阀21、机械泵22、电阻丝23、加热电源24、极板25和辉光放电电源26。激光器11发出的激光束12经反光镜1反射后通过真空室8面板上的石英窗13被引入到真空室8的样品台14上；样品台14通过波纹管15与真空室8外部的运动控制装置16相连，运动控制装置16固定在底座18上，它可以带动样品台14实现二维运动；真空室8整体放置在底座18上，整个真空室8共由六块面板组成，面板可以自由拆卸，不仅方便操作，而且为面板的功能扩展留有余地；真空室8正前方面板上安装有一观察窗2，用于观察真空室中的反应情况；真空室8的左侧面板上安装有针阀7，它通过气管与气瓶10相连，调节针阀7开口的大小，可以控制气瓶10中气体进入真空室8的流速；真空室8的左侧面板与过渡管路6相连，过渡管路6上依次分布有低真空计3、高真空计4和放气阀5，高、低真空计是用来测量真空室8的真空度，放气阀5用于向真空室8放气；过渡管路6的另一段与插板阀9相连，插板阀9的作用是控制真空室8抽真空通路的启闭；插板阀9的下方依次连接有分子泵20、电磁隔断阀21和机械泵22，机架19是空心的，分子泵20、电磁隔断阀21和机械泵22都置于机架19的内部，电磁隔断阀21是用于防止回流的安全装置，分子泵20必须在机械泵22工作的情况下使用；整个表面改性装置的重量都由机架19承受，底座18和插板阀9都固定在机架19上。

图2是电阻加热装置和辉光放电装置的结构示意图，其中，23是电阻丝，24是加热电源，25是极板，26是辉光放电电源。

样品台14中埋有电阻丝23，电阻丝23通过电极法兰17接外部的加热电源24；样品台14的上方有两块极板25，极板25通过电极法兰17连接到外部的辉光放电电源26上。

下面结合附图，介绍使用本发明的一个实施例：将本发明用于金属钛的激光诱发表面改性研究，在金属钛的表层制备氮化钛改性层。

将待处理的金属钛样品放置到样品台14上，调整好极板25的位置；启动机械泵22，电磁隔断阀21也被联动开启，打开低真空计3的电源，当低真空计3显示真空室8的压力低于10Pa时，启动分子泵20，再打开插板阀9和高真空计4；当高真空计4显示过渡管路6处的真空度达到10^-4Pa量级时，依次打开针阀7和氮气气瓶10，抽去气体管路中残余气体，这时真空室8中真空度会降低，等真空室8中的真空度达到实验要求时，依次关闭高真空计4和插板阀9；增加针阀7的开口大小，提高进气速度，直至低真空计3显示真空室8中的氮气压力满足实验要求，关闭针阀7和气瓶10；通过电极法兰17将电阻丝23与加热电源24相连，打开加热电源24的开关，给样品台14加热，样品台14达到所设定的温度后，关闭加热电源24；打开辉光放电电源26的开关，调整输出电压至400V，在样品台上方产生辉光放电；将激光器11调整到工作状态，本实施例中采用的是电光Q开关YAG固体激光器，输出的激光束12的波长为1064nm，单脉冲能量为200-800mJ，脉宽约为10ns，激光束12的峰值功率密度为10⁹W/cm²量级，激光束12经反光镜1反射后透过石英窗13引入到真空室8，作用在样品台14上的金属钛样品上，将运动控制装置16固定在底座18上，底座18则固定在机架19上，通过运动控制装置16和波纹管15实现样品台14的二维运动，这时激光束可以对金属钛样品的表面进行二维扫描处理，通过观察窗2可以观察到激光束12与金属钛样品的作用情况，激光束12作用区域的金属钛与氮气发生反应，生成了金黄色的氮化钛。图3是激光诱发表面改性前后钛表面的X射线衍射(XRD)图，其中，(a)是原始金属钛样品；(b)是激光表面改性后的金属钛样品。图3所示的XRD图谱显示：激光作用后的钛样品表层出现了δ-TiN相和α-Ti(N)相。XRD结果证明在氮气气氛下，用脉冲激光照射钛表面，可以获得金黄色的氮化钛改性层。控制样品台8的运动轨迹，可以在金属钛样品的表面扫描出需要的图案结构，图4是激光诱发表面改性前后钛表面的光学显微镜照片。改性前的样品表面如图中黑色区域所示，改性后的样品表面出现金黄色的条纹图案。本发明可以在金属钛表面生成需要的表面结构和表面物质。

Claims

1、一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置，其特征在于，该装置包括反光镜1、观察窗2、低真空计3、高真空计4、放气阀5、过渡管路6、针阀7、真空室8、插板阀9、气瓶10、激光器11、石英窗13、样品台14、波纹管15、运动控制装置16、电极法兰17、底座18、机架19、电磁隔断阀21、机械泵22、电阻丝23、加热电源24、两块极板25和辉光放电电源26；

激光器11发出的激光束12经反光镜1反射后通过真空室8面板上的石英窗13被引入到真空室8的样品台14上；

样品台14通过波纹管15与真空室8外部的运动控制装置16相连，运动控制装置16固定在底座18上，运动控制装置16带动样品台14实现二维运动，样品台14中埋有电阻丝23，电阻丝23通过电极法兰17接外部的加热电源24；样品台14的上方有两块极板25，极板25通过电极法兰17连接到外部的辉光放电电源26上；

真空室8整体放置在底座18上，整个真空室8共由六块面板组成；

真空室8正前方面板上安装有一观察窗2；

真空室8的左侧面板上安装有针阀7，真空室8通过气管与气瓶10相连；

真空室8的左侧面板与过渡管路6相连，过渡管路6上依次分布有低真空计3、高真空计4和放气阀5；

过渡管路6的另一端与插板阀9相连；插板阀9的下方连接有电磁隔断阀21；

整个真空装置重量由机架19承受，底座18固定在机架19上。

2、根据权利要求1所述的一种基于激光诱发原位化学反应的表面改性装置，其特征在于，所述插板阀9和电磁隔断阀21之间连有分子泵20。