SI22288A - Metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo - Google Patents

Metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo Download PDF

Info

Publication number
SI22288A
SI22288A SI200600140A SI200600140A SI22288A SI 22288 A SI22288 A SI 22288A SI 200600140 A SI200600140 A SI 200600140A SI 200600140 A SI200600140 A SI 200600140A SI 22288 A SI22288 A SI 22288A
Authority
SI
Slovenia
Prior art keywords
composite
laser
treatment method
polymer
gases
Prior art date
Application number
SI200600140A
Other languages
English (en)
Inventor
Uroš CVELBAR
Miran MOZETIÄŚ
Original Assignee
Institut "JoĹľef Stefan"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut "JoĹľef Stefan" filed Critical Institut "JoĹľef Stefan"
Priority to SI200600140A priority Critical patent/SI22288A/sl
Priority to PCT/SI2007/000025 priority patent/WO2007142610A1/en
Publication of SI22288A publication Critical patent/SI22288A/sl

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/1224—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in vacuum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B23K26/125—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases of mixed gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/127—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an enclosure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/346—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding
    • B23K26/348—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/3568—Modifying rugosity
    • B23K26/3584—Increasing rugosity, e.g. roughening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
    • C08J7/12—Chemical modification
    • C08J7/123—Treatment by wave energy or particle radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30—Organic material
    • B23K2103/42—Plastics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Predmet izuma je metoda za površinsko obdelavo kompozitnih materialov s polimerno matriko in naprava, s katero dosežemo selektivno jedkanje površine kompozita. Metoda temelji na površinski obdelavi kompozita s curkom energetskih delcev, prvenstveno z laserskim snopom, t.j. lasersko ablacijo. Izpovršine selektivno delno ali popolnoma odstranimo polimer, polnila pa pustimo skorajda nedotaknjena. Takšne spremembe površine vodijo v bistveni spremembi površinskih lastnosti, predvsem adhezivnosti in poroznosti različnih prevlek na kompozitu.

Description

METODA IN NAPRAVA ZA SELEKTIVNO JEDKANJE KOMPOZITNIH MATERIALOV Z LASERSKO ABLACIJO
Predmet izuma sta metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo, torej metoda za obdelavo površine kompozitnih materialov s polimerno matriko in naprava, s katerim dosežemo selektivno jedkanje površine. Metoda temelji na površinski obdelavi kompozita s pulznim curkom energetskih delcev iz laserskega snopa, kar imenujemo laserska ablacija. Med obdelavo z izbranimi parametri pulza ali dodatnimi izvori energetskih delcev in/ali plini, ki omogočijo povečane gostote delcev v interakciji na površini, se spremeni sestava in morfologija površinskega dela kompozita. Polimer se s površine delno ali popolnoma odstrani, tako da ostanejo na površini samo polnila. Ta proces imenujemo selektivno jedkanje kompozita. Takšne spremembe površine pa vodijo k bistveni spremembi površinskih lastnosti, predvsem adhezivnosti in poroznosti različnih prevlek na kompozitu.
PRIKAZ PROBLEMA
Kompozitni materiali s polimerno matriko (v nadaljnjem besedilu: kompoziti) so se uveljavili v različnih industrijskih panogah. Kompoziti so sestavljeni iz polimerne matrike, v kateri so poljubno porazdeljeni različni delci, ki jih imenujemo polnila. Polnila so lahko organski ali anorganski delci, ki so lahko različnih oblik in velikosti. Lastnosti posameznega kompozita so odvisne od vrste polimerne matrike, vrste in koncentracije polnil ter porazdelitve, včasih tudi orientacije polnil v polimerni matriki. Površinske lastnosti kompozitov (sestava, morfologija, površinska napetost) pa so odvisne predvsem od lastnosti polimerne matrike, ker polimer običajno popolnoma prekrije polnila. Primere najdemo pri kompozitnih prevlekah, kot so različni barvni premazi, ki vsebujejo več različnih polnil. Selektivna obdelava površine pa nam omogoči odstranitev polimera s površine, tako da lahko karakteriziramo površino za npr. kvaliteto in homogenost porazdelitve polnil v polimerni matriki. Pogosto želimo spremeniti površinske lastnosti kompozita za povečanje adhezivnosti kompozita z naneseno plastjo različnih materialov. V teh primerih je najugodnejše, da odstranimo s površine polimer, tako da na površini ostanejo samo razkrita polnila, na katera se bo nanesena plast bolje vezala.
Polimer lahko s površine odstranjujemo na različne načine, na primer s kemijskim jedkanjem, ali mehanskim odstranjevanjem. Navedena postopka sta okolju neprijazna, nekakovostna ali cenovno neugodna, predvsem pa z njimi težko zagotovimo lokalno jedkanje. Okolju bolj prijazno je plazemsko jedkanje, ki pa ne zagotavlja selektivne odstranitve materiala na manjših mestih, ter je bolj primerno za selektivno jedkanje večjih površin. Problem pa se pojavi, ko želimo enakomerno selektivno odstraniti material na posameznih mestih ali v luknjah, kar je standardni problem pri izdelavi mikroelektronskih naprav.
STANJE TEHNIKE
Klasični način jedkanja polimerov s površine kompozitov je mokro kemijsko jedkanje. Takšno jedkanje npr. uporabljajo za obdelavo površine superprevodnih kompozitov (US6214249 in VV002071462) ali pred nanosom kovinskih prevlek (US6080836). Polimer je mogoče odstraniti s površine kompozita tudi z oksidacijo. V te namene uporabljajo plamen, koronsko razelektritev ali mokro kemijsko jedkanje. Jedkanje polimerov pogosto uporabljajo v mikroelektroniki, na primer pri izdelavi integriranih vezij. Pri tem lahko uporabljajo večstopenjske procese, kot na primer pri jedkanju z visokofrekvenčno razelektritvijo, t.j. plazmo (US2002055263, US5705428 in
US2002125207). Plazemsko jedkanje polimerov se npr. uporablja tudi za obdelavo polietilenskih (UHMPE) vlaken/vinil-esterska smola kompozitov za izboljšanje površinske omočljivosti. V tem primeru je plazemsko jedkanje stopnja v postopku izdelave, ki omogoča tako dobro omočljivost površine vlaken, da jih je mogoče impregnirati z vinil-estersko smolo (US5221431). Selektivno plazemsko jedkanje kompozitov pa najdemo v patentu DE10320483, kjer površino obdelamo z radikali reaktivnih plinov.
Laserska svetloba se za odstranjevanje materiala uporablja v mnogih aplikacijah. Bolj specifična je laserska ablacija ali kombinacija le te z drugimi vrstami izvorov. Mešanico tehnologije laserske svetlobe in električne razelektritve, kjer ustvarimo med vzorcem in anodo lasersko plazmo s katero obdelujemo material najdemo v JP11197947. V splošnem se laserska ablacija veliko uporablja v tiskanju (JP10291319, US5836249, JP9118017, US6165687) in litografiji (DE19817756), kjer imamo opravka s kompozitnimi materiali. Znan je tudi nanos materialov z lasersko ablacijo, s katerim tvorimo kompozite (JP5179429, VV02004042785) ali pa nanje nanašamo material (DE3915261, FR2816756). Laserska ablacija se uporablja kot pripomoček v medicini predvsem za obdelavo tkiv (VV003101529, US5807379) ali katetersko ablacijo (US2003199755, US6701176, WO09638193). Z to medodo izdelujemo tudi nanostrukturne materiale, kot so ogljikove nanocevke (JP2003054922), sintramo materiale (US2004081573) in sintetiziramo kompaktne filme, kot je npr. za uporabo kot optične vodnike pri čemer obdelujemo polimere (US5106211). Pogosto se metoda uporablja tudi za odstranjevanje materiala iz dvoplastnih kompozitov, kjer je spodnja plast prozorna za lasersko svetlobo (JP2001300749).
Selektivna laserska ablacija se uporablja pri izdelavi mikroelektronskih ali polprevodniških naprav, kjer površino vzorčimo (EP0542656, US5348609,
VVO9803271), zakrivamo (VVO9719269) ali odstranjujemo material z selektivno ablacijo metalizacijske plasti ali polimernega materiala na njej (US6057173, US4568409, US5035918, US5348609, EP0337658). Selektivno odstranjevanje se uporablja za izdelovanje integriranih elektro-optičnih naprav (US2003048974, US5281798), kjer imamo opravka z večplastnimi kompoziti ali samo optičnih naprav pri oblikovanju polikristaliničnega diamanta (US5500157, EP0618043). Uporablja se tudi za označevanje in odpiranje embalaže (WO0168460). Pri izdelavi polprevodnikov se uporablja tudi lasersko podprto jedkanje v halokarbonskem okolju (plini), v katerem izboljšamo učinkovitost jedkanja (US5348609). Selektivno jedkanje površinskih plasti substrata lahko izvedemo tudi s svetlobo bliskavico, ki ima zadosti visoko energijo za ablacijo, selektivnost pa zagotavljamo z različnimi valovnimi dolžinami svetlobe (US5281798), kar se uporablja za odstranjevanje barve iz letala pri tem pa ne poškoduje ali degradira spodnje plasti, tipično lahkega aluminija.
Večina del se nanaša na večplastne kompozite, ki se uporabljajo v polprevodniški in mikroelektronski industriji. Podatkov o selektivni laserski ablaciji ali selektivni obdelavi površine s kombiniranim curkom energijskim delcev za kompozite s polimerno matriko, ki niso več plastni ampak so v njih polnila poljubno porazdeljena, v patentnih prijavah ni. V članku revije J. Phys. D: App. Phys., 14 (1981) str. 2341 avtorjev K.C.A.Crane in J.R. Brown sicer opisujejo lasersko ablacijo na kompozitnem vlaknu z epoxy matriko, vendar ne dosežejo selektivnosti procesa. Delno selektivno odstranjevanje polimerne matrike PEEK so dosegli avtorji P.E. Dyer et al. v članku J. Mater. Res. 5 (1992) str. 1152, kjer so energije laserskega žarka prevelike in ne aktivirajo površine.
Naloga in cilj izuma sta metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo, torej metoda za obdelavo površine kompozitnih materialov s polimerno matriko in naprava, ki omogoča selektivno odstranitev polimera s površine in površino dodatno aktivira.
Po izumu je naloga rešena z metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov s polimerno materiko z lasersko ablacijo po neodvisnih patentnih zahtevkih.
Polimer kompozitnega materiala se po izumu s površine delno ali popolnoma odstrani, tako da ostanejo na površini samo polnila. To pomeni bistveno spremembo površinskih lastnosti kompozita, predvsem adhezivnosti in poroznosti različnih prevlek na kompozitu.
OPIS REŠITVE PROBLEMA
Izum obsega metodo in napravo za obdelavo kompozitov. Površino kompozitov obdelamo s curkom energetskih delcev. Za energetske delce lahko vzamemo fotone in ione. Med obdelavo se zaradi interakcije energijskih delcev spremeni sestava in morfologija površinskega dela kompozita. Zaradi selektivne interakcije se polimer s površine delno ali popolnoma odstrani, tako da ostanejo na površini samo polnila, ki po večini ostanejo nedotaknjena. Selektivna interakcija je večinoma posledica hitrega lokalnega segrevanja, kjer se na meji med površino in vakuumom ustvari kvaziravnovesno stanje z velikimi gostotami delcev. Na lokaliziranem območju se ob induciranju laserskega pulza pojavljajo koncentracije nabitih delcev in celo atomov, ki dodatno jedkajo, cepijo površinske vezi in nastajajo polarne skupine v kolikor dodatno iniciramo pline. Ta pojav imenujemo aktivacijo površine. Zaradi jedkanja se poveča se tudi hrapavost površine. Takšne spremembe površine vodijo k bistveni spremembam površinskih lastnosti, predvsem adhezivnosti in poroznosti različnih prevlek na kompozitu.
Izum bo opisan z izvedbenim primerom in slikami, ki prikazujejo:
Slika 1. Shema prečnega prereza kompozita s polimerno matriko in dvema vrstama polnil.
Slika 2. SEM slika površine kompozita s polimerno matriko pred obdelavo.
Slika 3. Analiza hrapavosti neobdelanega vzorca kompozita s polimerno matriko iz
Sl. 1.
Slika 4. SEM slika površine kompozita s polimerno matriko po obdelavi z laserskim curkom.
Sl. 5. Analiza hrapavosti vzorca kompozita po obdelavi z laserskim curkom iz Sl. 4.
Sl. 6. Shema naprave za obdelavo kompozita s curkom energijskih delcev.
Na sliki 1 je prikazana shema značilnega kompozita. Kompozit v splošnem vsebuje polimerno matriko 1, v kateri so dispergirana različna polnila 2 in 3. Površina kompozita je tipično prekrita s plastjo polimera, kar je značilno predvsem za kompozite, ki so izdelani s postopkom stiskanja pri povišani temperaturi. Lastnosti površine takšnega kompozita (kot so morfologija in površinska napetost) so odvisne od vrste polimerne matrike, ne pa od vrste polnil. Ker se polimer med stiskanjem pri povišani temperaturi zmehča, je površina kompozita precej gladka. Površinska energija kompozita pa je ustreza površinski energiji polimera, ki je tipično zelo nizka, t.j. manjša od 40mN/m. Taki polimeri so npr. Parafin, PTFE, PMDS, PP, PE, PPS, PMMA, ipd. Polnila pa so tipično zelo širokega spektra od organskih barvnih pigmentov do ogljikovih spojin.
V Sliki 2 je predstavljen SEM (elektronski mikroskop) posnetek površine preprostega neobdelanega kompozitaspolimernomatriko PP in enim polnilom, kije v tem primeru grafit. Površina je razmeroma gladka in na njej ni opaziti delcev polnil.
Površina neobdelanega kompozita je razmeroma gladka. To lahko vidimo iz Slike 3, ki predstavlja hrapavost neobdelanega kompozita, izmerjeno z metodo pomikanja igle po površini vzorca. Iz slike je mogoče razbrati, da je poprečna hrapavost manjša od 1pm, kar je precej manj od značilne dimenzije polnil, ki je v našem primeru okoli 10pm.
V kolikor neobdelani kompozit iz Slike 2 izpostavimo laserski svetlobi dobimo selektivno jedkanje površine. V Sliki 4 je predstavljen SEM posnetek površine obdelanega kompozita, ki je bil izpostavljen laserski ablaciji oz. curku laserske svetlobe z energijo 40mJ/mm2. Izvor laserskega curka za ablacijo je bil excimer laser z valovno dolžino 308nm (Lambda Physik 105E). Iz slike 4 vidimo, da na površini ni opaziti polimera, le delce polnila, ki izstopajo iz površine.
Spremembo hrapavosti površine vidimo v Sliki 5, ki predstavlja hrapavost obdelanega kompozita, analizirano z metodo pomikanja igle po površini vzorca. Iz slike je vidno, da je poprečna hrapavost okoli δμιτι, kar je isti red velikosti, kot je značilna dimenzije polnil, ki je okoli 10μιτι. Dodatno se pojavi povečana omočljivost površine, ki kaže na povečanje površinske energije z odstranjevanjem ter tudi aktivacijo.
Primerjava Slik 2 in 3 s Slikama 4 in 5 pokaže, da je obdelava kompozita z laserskim ablacijo bistveno spremenila morfologijo in sestavo površine kompozita. Pred obdelavo je bila površina prekrita s plastjo polimera, po laserski obdelavi z ablacijo pa na površini ni najti polimera, ampak zgolj delce polnil. Temu ustrezno se je spremenila tudi hrapavost kompozita. Vzrok za takšno spremembo so različna fizikalne in kemijske lastnosti polimerne matrike in polnil. Polimer ima vselej nižje tališče od polnil, hkrati pa ima bistveno višji parni tlak kot polnila. Ko izpostavimo površino kompozita pulzni laserski svetlobi z valovno dolžino 308nm, se površina lokalno ogreje. Vdorna globina laserske svetlobe s takšno valovno dolžino je namreč izredno majhna, zato se večina žarkovne energije sprosti v površinski plasti. Tako polimer kot tudi polnila na površini se močno ogrejeta. Ker je parni tlak polimera pri povišani temperaturi izredno visok, polimer odpari s površine, medtem ko ostanejo polnila praktično nepoškodovana, saj je parni tlak polnil pri tej temperaturi še vedno nizek. Izboljšane lastnosti selektivnega jedkanja kompozita dosežemo z dodajanjem reaktivnih plinov, ki povečujejo lokalne velike koncentracije delcev, ki pomagajo bolje in hitreje razgrajevati odparele dele površine ter dodatno aktivirajo površino. Ti reaktivni plini so tipično kisik, dušik, vodne pare, dušikovi oksidi ter mešanice teh plinov z inertnimi plini, prvenstveno z argonom. S tem preprečujemo tudi ponovno posedanje od jedkanih snovi na površino, ki ostane po ablaciji popolnoma čista. Pare polimera, ki izstopajo s površine kompozita, bi se pri navadnem zračnem tlaku lahko vezale nazaj na površino kompozita in s tem upočasnile jedkanje z lasersko ablacijo. Dodan plin ali mešanica plinov mora biti prvenstveno nižji od 150 Pa.
Naprava, ki nam omogoča takšne procese je prikazana v Sliki 6, ki njeno prikazuje shemo naprave. Naprava se sestoji iz vakuumske posode 4, v kateri obdelujemo kompozitne materiale 11. Vakuumsko posodo črpamo z eno ali več vakuumskimi črpalkami 7, ki je ločena od sistema z ventilom 8 in rekombinacijskim sistemom 9, ki omogoča rekombinacije reaktivnih radikalov in odstranjevanje nezaželenih snovi iz sistema. V reaktorski sistem spuščamo zrak prek ventila 10. Pred obdelavo namestimo kompozit 11 na nosilec 12, ki je gibljiv, tako da lahko z curkom delcev natančno dosežemo poljuben del površine kompozita. Primarni izvor curka energetskih delcev je laser 5 s primerno valovno dolžino, ki se napaja preko optično laserskega sistema 6. Dodaten izvor energijskih delcev za selektivno jedkanje, predvsem, za povečanje gostote delcev ob površini je nizko energijski ionski top 17, napajan preko sistema 18. V izrednih primerih se lahko uporablja tudi elektronski top 19, napajan preko sistema 20, ko je potrebno predvsem dodatno segrevanje posameznega dela. Obstaja pa tudi kombinirana možnost, da namestimo na pozicijo elektronskega topa tudi dodaten ionski izvor, da dosežemo homogeno jedkanje ob uporabi ionskega topa 17. Po namestitvi kompozita 11 na nosilec 12, evakuiramo vakuumsko komoro 4, da dosežemo primerni tlak (značilno pod 1 Pa), površino pa obdelamo primarno s pulznim curkom energetskih fotonov iz izvora 5. Čas obdelave oziroma število laserskih pulzov in njihova dolžina ter energija oz. intenziteta so odvisni predvsem od vrste kompozita 11. Ker je vdorna globina energetskih delcev iz vseh izvorov majhna, z obdelavo spremenimo samo površino kompozita 11, ne da bi pri tem znatno spremenili njegove lastnosti spodnjih plasti. Z puščanjem dodatnega reaktivnega plina ali mešanice plinov iz jeklenk 13, 14 preko zapornih 15 in vpustnih 16 ventilov lahko spreminjamo pogoje obdelave in tudi dodatno aktivacijo površine, tako da dosežemo želene lastnosti kompozita, ki ga jedkamo. Reaktivni plini 13 so tipično kisik, vodna para, dušikov oksid, dušik, ti plini uporabljeni v medsebojnih mešanicah, ali pa kombinacije le teh z inertnimi plini, značilno argonom 14. S premikanjem nosilca 12 ali celo curka delcev 17 lahko obdelamo poljubni del površine kompozita, tako da lahko z napravo, ki je prikazana na sliki 6, izrišemo kakršnokoli natančno področje na kompozitu 11, na katerem želimo spremeniti površinske lastnosti. Natančnost področja je odvisna samo od širine snopa energijskih delcev, prvenstveno laserskega snopa v ablaciji, ki ha kolminiramo s kvarčnimi lečami.

Claims (8)

  1. PATENTNI ZAHTEVKI
    METODA IN NAPRAVA ZA SELEKTIVNO JEDKANJE KOMPOZITNIH MATERIALOV Z LASERSKO ABLACIJO
    1. Metoda za selektivno jedkanje kompozitnih materialov s polimerno matriko, označena s tem, da je kompozitni material izpostavljen pulznemu curku energetskih fotonov iz laserskega izvora, pri čemer je izvor fotonov za ablacijo lahko laser s katerokoli valovno dolžino, prednostno pa s takšno valovno dolžino, pri kateri je vstopna globina curka fotonov majhna v primerjavi z debelino kompozita, prednostno reda velikosti debeline polnil v kompozitu in sta vzajemno ali zvezno kombinirana snopa ionov ali/in elektronov.
  2. 2. Metoda za obdelavo kompozita po zahtevku 1, označena s tem, da vakuumskoreaktorsko posodo izčrpamo do tlaka nižjega od 1Pa, celotno površino ali del površine pa izpostavimo curku delcev.
  3. 3. Metoda za obdelavo kompozita po zahtevkih 1 in 2, označena s tem, da v vakuumsko-reaktorsko posodo za povečanje gostote delcev in efektivnosti selektivnega jedkanja spuščamo reaktivni plin ali mešanico plinov, katerih skupni tlak ne preseže 150Pa.
  4. 4. Metoda za obdelavo kompozita po zahtevkih 1, 2 in 3, označena s tem, da je reaktivna atmosfera kisik, dušik, vodna para, dušikov oksid ali mešanica teh plinov.
  5. 5. Metoda za obdelavo kompozita po zahtevku 4, označena s tem, da v reaktivna atmosfera mešanica enega ali več reaktivnih plinov z inertnimi plini, prvenstveno argonom.
  6. 6. Metoda za obdelavo kompozita po zahtevkih 1, do 5, označena s tem, da je reaktivna atmosfera v stanju plazme.
  7. 7. Naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov, označena s tem, da sestoji iz reaktorske-vakuumske posode (4), črpane z eno ali več vakuumskimi črpalkami (7), sistema za doziranje plinov in tremi kombiniranimi izvori energetskih delcev ter rekombinacijskim sistemom (9) reakcijskih produktov..
  8. 8. Naprava po zahtevku 7, označena s tem, da so izvori energetskih delcev fotonski, ionski ali elektronski izvor.
SI200600140A 2006-06-06 2006-06-06 Metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo SI22288A (sl)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SI200600140A SI22288A (sl) 2006-06-06 2006-06-06 Metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo
PCT/SI2007/000025 WO2007142610A1 (en) 2006-06-06 2007-05-22 Method and device for selective etching of composite materials by laser ablation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SI200600140A SI22288A (sl) 2006-06-06 2006-06-06 Metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SI22288A true SI22288A (sl) 2007-12-31

Family

ID=38547037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SI200600140A SI22288A (sl) 2006-06-06 2006-06-06 Metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo

Country Status (2)

Country Link
SI (1) SI22288A (sl)
WO (1) WO2007142610A1 (sl)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012103054A1 (en) 2011-01-25 2012-08-02 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Method of selectively etching a three-dimensional structure
DE102018220637A1 (de) * 2018-11-29 2020-06-04 Thyssenkrupp Ag Verfahren zum Bearbeiten von Faserverbundbauteilen und Faserverbundbauteil
DE102019103130A1 (de) * 2019-02-08 2020-08-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur sowie Bauteil

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3903153A1 (de) * 1989-02-02 1990-08-09 Fraunhofer Ges Forschung Oberflaechenbehandlung von faserverbundwerkstoffen
US5281798A (en) * 1991-12-24 1994-01-25 Maxwell Laboratories, Inc. Method and system for selective removal of material coating from a substrate using a flashlamp
RU2154654C2 (ru) * 1995-01-23 2000-08-20 Сэндиа Корпорейшн Способ обработки полимеров
US6624383B1 (en) * 2000-08-30 2003-09-23 Parker-Hannifin Corporation Using laser etching to improve surface contact resistance of conductive fiber filler polymer composites
FR2827205B1 (fr) * 2001-07-12 2003-12-05 Airbus France Procede de realisation de trous notamment de micro-perforations dans un materiau composite, dispositif pour sa mise en oeuvre et couche d'armortissement acoustique constituee dudit materiau
EP1363164B1 (en) * 2002-05-16 2015-04-29 NaWoTec GmbH Procedure for etching of materials at the surface with focussed electron beam induced chemical reactions at said surface

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007142610A1 (en) 2007-12-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5705280B2 (ja) ｐ型半導体酸化亜鉛膜の製造方法、及び透明基板を使用したパルスレーザ堆積方法
Han et al. Multi-pulsed white light sintering of printed Cu nanoinks
KR20120138812A (ko) 투명 도전성 탄소막의 제조 방법 및 투명 도전성 탄소막
Homola et al. Atmospheric dry hydrogen plasma reduction of inkjet‐printed flexible graphene oxide electrodes
JP3901156B2 (ja) マスク形成方法及び除去方法、並びに該手法により製造された半導体デバイス、電気回路、表示体モジュール、カラーフィルタ及び発光素子
KR20080100415A (ko) 다이아몬드 상 탄소 층을 갖는 자기 지지 다층 필름
RU2544892C1 (ru) Способ получения микро- и наноструктур на поверхности материалов
Zhao et al. Field emission from screen-printed carbon nanotubes irradiated by tunable ultraviolet laser in different atmospheres
US20170008231A1 (en) Method of manufacturing layered object, device of manufacturing layered object, and slurry
SI22288A (sl) Metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo
Patelli et al. A customised atmospheric pressure plasma jet for conservation requirements
Řezníčková et al. Surface properties of polymers treated with F2 laser
Kononenko et al. Photoinduced laser etching of a diamond surface
DE102008064134B4 (de) Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen mittels eines Niederdruckplasmas
CN107892297B (zh) 一种金刚石的处理方法及改性金刚石
Vo et al. Control of growth mode and crystallinity of aluminium-doped zinc oxide thin film at room temperature by self-assembled monolayer assisted modulation on substrate surface energy
Dong et al. Few-layer graphene film fabricated by femtosecond pulse laser deposition without catalytic layers
Sola et al. Electron beam induced growth of silica nanorods and heterostructures in porous silicon
Siskova et al. Non-chemical approach toward 2D self-assemblies of Ag nanoparticles via cold plasma treatment of substrates
JP6819093B2 (ja) 材料製造装置、および、材料製造方法
Sinar et al. Laser assisted reduction of printed GO films and traces
Choi et al. Multifunctional surface treatment of boron nitride nanotube‐coated polyimide films with atmospheric‐pressure cold plasma
KR20200076643A (ko) 텅스텐이 도핑된 산화 그래핀 필름 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 전자 방출기
McCann et al. Carbon Nanoparticle Functionalization of Laser Textured Polymer Surfaces for Chemical and Biological Speciation.
Watanabe et al. Submicron writing by laser irradiation on metal nano-particle dispersed films toward flexible electronics

Legal Events

Date Code Title Description
OO00 Grant of patent

Effective date: 20060803

KO00 Lapse of patent

Effective date: 20160609