一種實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法，屬于材料表面改性工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。采用具有不同成分和活性粒子濃度的等離子體，對(duì)脆性材料的表面進(jìn)行實(shí)時(shí)的可選擇性的改性。將等離子體噴向脆性材料，活性粒子附著于材料表面，降低晶體內(nèi)聚力和表面張力。活性粒子滲入材料表面的微裂紋內(nèi)，促進(jìn)晶格間隙和內(nèi)部裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，促使內(nèi)部位錯(cuò)向表面移動(dòng)，使得表面更易于變形。等離子體不斷滲入材料表面，改善材料表面的性能，以達(dá)到改善脆性材料表面塑性和脆塑轉(zhuǎn)變厚度的目的。
【專利說(shuō)明】一種實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法，屬于材料表面改性工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著光通信、光電子、航空航天、受控核聚變、激光和紅外等技術(shù)的快速發(fā)展，多種光學(xué)脆性材料，如石英、光學(xué)玻璃、Sic、硅片、鍺片和人工晶體等，在高精密儀器儀表、非線性頻率轉(zhuǎn)換器件、慣性制導(dǎo)平臺(tái)、真空紫外望遠(yuǎn)鏡、激光反射鏡及多種光學(xué)零件的制造上得到廣泛應(yīng)用。然而，這些光學(xué)材料不僅脆性高，而且塑性和斷裂韌性低，彈性極限和強(qiáng)度非常接近，當(dāng)其承載超過(guò)彈性極限時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂破壞，產(chǎn)生表面凹坑、裂紋、崩裂等缺陷，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量和性能，可加工性很差。
[0003]脆性材料的去除過(guò)程中，在一定條件下存在著一個(gè)臨界深度，當(dāng)劃痕深度小于臨界深度時(shí)材料發(fā)生塑性去除，當(dāng)劃痕深度大于臨界深度則發(fā)生脆性去除，此現(xiàn)象被稱為脆性材料的脆塑轉(zhuǎn)變。脆塑轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使光學(xué)脆性材料的塑性域去除成為可能。
[0004]等離子體是部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)。由于等離子體富含活性粒子，在脆性材料去除時(shí)采用等離子體對(duì)去除區(qū)域?qū)崟r(shí)改性比采用冷卻液等方式的滲透性更強(qiáng)。同時(shí)，采用具有不同成分和活性粒子濃度的等離子體，可以對(duì)脆性材料的表面進(jìn)行選擇性的改性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法，采用有不同成分和活性粒子濃度的冷等離子體，對(duì)脆性玻璃類材料的表面進(jìn)行實(shí)時(shí)的可選擇性的改性。
[0006]用于實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法的設(shè)備為等離子體射流發(fā)生裝置，等離子體射流發(fā)生裝置包括氣源、等離子體發(fā)生器和等離子體電源。氣源將氣體輸送至等離子發(fā)生器中，等離子體電源與等離子體發(fā)生器的電極相連接。
[0007]所采用的氣源為純度99.99 %以上的高純氮?dú)?、氦氣、二氧化碳等，流量?br> 0.6-1.0m3/h。打開(kāi)氣源，調(diào)整氣體流量和氣壓；打開(kāi)等離子體電源，將頻率調(diào)整至50-65kHz、電壓從零開(kāi)始逐步增大到650-850V直至等離子體發(fā)生器噴出明顯的冷等離子體射流。等離子體發(fā)生器采用裸電極結(jié)構(gòu)，可避免電極與其他金屬部件發(fā)生擊穿。
[0008]所產(chǎn)生的等離子體為大氣壓下宏觀溫度為15_35°C的冷等離子體，可避免對(duì)工件表面產(chǎn)生熱沖擊并造成熱損傷。
[0009]冷等離子體射流直接噴向待處理的脆性玻璃類材料表面并不斷滲入脆性材料表面，改善脆性材料表面的性能，改善脆性材料表面塑性和脆塑轉(zhuǎn)變厚度；調(diào)節(jié)等離子體電源的頻率和電壓，獲得不同活性粒子濃度的等離子體射流，不同活性粒子濃度的等離子體射流應(yīng)用于不同深度的脆性材料表面改性；高活性粒子濃度的等離子體用于深度較大的脆性材料表面改性和表面材料去除；低活性粒子濃度的等離子體用于深度較小的脆性材料表面改性。本發(fā)明適用于實(shí)時(shí)調(diào)控石英玻璃，K9玻璃等硅酸鹽類非金屬材料的脆塑轉(zhuǎn)變厚度。若脆性材料的待處理區(qū)域尺寸小于等離子體射流的區(qū)域尺寸，將脆性材料表面用掩膜覆蓋，掩膜上的鏤空區(qū)域大小即為脆性材料的待處理區(qū)域大小，等離子體射流直接噴向鏤空區(qū)域的脆性材料表面并不斷滲入脆性材料表面，改善脆性材料表面塑性和脆塑轉(zhuǎn)變厚度。改變掩膜的形狀，可以選擇性的對(duì)材料表面進(jìn)行改性。無(wú)需對(duì)材料表面預(yù)處理，改性過(guò)程可以實(shí)時(shí)進(jìn)行。
[0010]本發(fā)明的有益之處在于:
[0011]1、在大氣壓下，采用氮?dú)?、氦氣、二氧化碳等氣體的冷等離子體氛圍實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料的表面塑性和脆塑轉(zhuǎn)變厚度。
[0012]2、不同活性粒子濃度的等離子體可應(yīng)用于不同深度的表面改性。高活性粒子濃度的等離子體用于深度較大的表面改性和表面材料去除；活性粒子濃度較低的等離子體用于深度較小的表面改性。較低的宏觀溫度沒(méi)有熱沖擊，不會(huì)對(duì)表面造成熱損傷。
[0013]3、將脆性材料表面用掩膜覆蓋，可以對(duì)尺度小于等離子體射流的區(qū)域進(jìn)行改性。改變掩膜的形狀，可以選擇性的對(duì)材料表面進(jìn)行改性。
[0014]4、無(wú)需對(duì)材料表面預(yù)處理，改性過(guò)程可以實(shí)時(shí)進(jìn)行。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的裝置示意圖。
[0016]圖2為采用掩膜的選擇性改性示意圖。
[0017]圖中:1氣源；2等離子體發(fā)生器；3等離子體電源；4冷等離子體射流；
[0018]5工件；6掩膜。

【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0020]本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法，使用此方法的設(shè)備為等離子體射流發(fā)生裝置。如圖1所示，連接好氣源1、等離子體發(fā)生器2、等離子體電源3。打開(kāi)氣源1，調(diào)整流量和氣壓；打開(kāi)等離子電源3，調(diào)整頻率和電壓至等離子體發(fā)生器2產(chǎn)生明顯的冷等離子體射流4 ;移動(dòng)等離子體發(fā)生器2或者工件5，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域改性。
[0021]針對(duì)不同的脆性材料，可以更換氣源1，產(chǎn)生不同的冷等離子體射流4;針對(duì)不同的脆塑轉(zhuǎn)變厚度，可以更換不同的等離子體電源3和參數(shù)，改變等離子體射流4的濃度，或者采用不同的處理時(shí)間。
[0022]實(shí)施例
[0023]如圖2所示，氣源I為99.999%高純氮?dú)?，等離子體發(fā)生器2為裸電極結(jié)構(gòu)，掩膜6有Imm寬的曲線鏤空區(qū)域，工件5為K9玻璃、厚度為2mm。
[0024]打開(kāi)氣源1，調(diào)整氣體流量為0.SmVh0打開(kāi)等離子體電源3，調(diào)整輸出電壓Vp為750V左右、頻率為60kHz，即可獲得冷等離子體射流4。在等離子體射流4和工件5之間增加掩膜6。掩膜6可以阻擋冷等離子體射流4，等離子體射流4透過(guò)掩膜6上的窄縫到達(dá)工件5，就可以對(duì)微區(qū)域進(jìn)行改性。
[0025]針對(duì)異形的面域，可以制作出相應(yīng)的掩膜，等離子體射流在掩膜上方移動(dòng)，即可按要求對(duì)工件5進(jìn)行改性。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法，其特征在于: 用于實(shí)時(shí)調(diào)控脆性材料脆塑轉(zhuǎn)變厚度的方法的設(shè)備為等離子體射流發(fā)生裝置，等離子體射流發(fā)生裝置包括氣源、等離子體發(fā)生器和等離子體電源；氣源將氣體輸送至等離子發(fā)生器中，等離子體電源與等離子體發(fā)生器的電極相連接；所采用的氣源為純度99.99%以上的氮?dú)?、氦氣或二氧化碳，氣體流量為0.6-1.0mVh ;打開(kāi)氣源，調(diào)整氣體流量和氣壓；打開(kāi)等離子體電源，將頻率調(diào)整至50-65kHz、電壓從零開(kāi)始逐步增大到650-850V直至等離子體發(fā)生器噴出明顯的冷等離子體射流，等離子體發(fā)生器采用裸電極結(jié)構(gòu)； 所產(chǎn)生的等離子體為大氣壓下溫度為15-35°C的冷等離子體； 不同活性粒子濃度的等離子體射流應(yīng)用于不同深度的脆性材料表面改性；高活性粒子濃度的等離子體用于深度較大的脆性材料表面改性和表面材料去除；低活性粒子濃度的等離子體用于深度較小的脆性材料表面改性。
【文檔編號(hào)】C03C21/00GK104445998SQ201410690682
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】劉新, 黃帥, 陳發(fā)澤, 楊曉龍, 徐文驥, 金洙吉 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)