專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微型復(fù)合材料制備和成形的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料制造和微成形領(lǐng)域，特指一種微型復(fù)合材料制備和成形的方法及裝 置，其能夠同步實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的生產(chǎn)和微成形，適合復(fù)合材料的批量生產(chǎn)及成形。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種 材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度 高、彈性?xún)?yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣等領(lǐng)域。爆炸焊接是一種制造復(fù)合材料的工藝，具有傳統(tǒng)焊接技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，能夠在常溫 下將各種金屬材料連接起來(lái)，甚至可以將非金屬材料和金屬材料連接起來(lái)，也是生產(chǎn)復(fù)合材 料的新方法，這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用在化工、機(jī)械、礦業(yè)、建筑、造船、原子能、空間技術(shù)等領(lǐng) 域。國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)爆炸焊接進(jìn)行了較深入的研究，例如K.Raghukandan從間距、加 載強(qiáng)度、厚度等焊接參數(shù)的角度用試驗(yàn)考察了銅和低碳鋼爆炸焊接的強(qiáng)度，證實(shí)了爆炸焊接 的焊縫強(qiáng)度要大于母材；Behcet Gulenc通過(guò)試驗(yàn)的方法實(shí)現(xiàn)了鋁和銅的焊接，并研究了爆 炸能量對(duì)焊縫的影響；P.Manikandana等人則實(shí)現(xiàn)了i太和不銹鋼的焊接；趙慧英等人實(shí)現(xiàn)了最 小厚度分別為2毫米的銅和1毫米的鋁之間的相互焊接。雖然爆炸焊接已經(jīng)取得較大發(fā)展， 但是爆炸焊接仍然有其局限性，由于炸藥作為焊接能源往往難以得到精確控制，導(dǎo)致爆炸焊 接難以實(shí)現(xiàn)微器件的焊接以及微型復(fù)合材料的制備；另外，炸藥對(duì)環(huán)境和人體也有一定的傷 害。隨著電子產(chǎn)品、生物、醫(yī)療器械以及微機(jī)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，具有輕、薄、短、小、多 功能特點(diǎn)的微型產(chǎn)品需求量不斷增加，與之相關(guān)的微型金屬零部件的加工也顯得越來(lái)越重 要，帶動(dòng)了金屬微成形技術(shù)的發(fā)展。通過(guò)微成形制造的微型金屬產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化、醫(yī) 療衛(wèi)生、航空航天、電信電子、精密儀器和國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域，微型化使得微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 在精度、熱變形、振動(dòng)和速度等方面具備更優(yōu)異的性能和功能，微型化成了當(dāng)代科技發(fā)展的 一個(gè)重要方向。微型化產(chǎn)業(yè)所要求的大批量、高效率、高精度、高模機(jī)、短周期、低成本、無(wú)污染、凈 成形等固有特點(diǎn)制約了傳統(tǒng)微光刻、化學(xué)刻蝕以及LIGA等加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用。研究人員 發(fā)現(xiàn)塑性加工適合批量化生產(chǎn)低成本的微器件，使得基于塑性加工的微成形技術(shù)得到了迅速 發(fā)展，由于薄板微成形件在電子通信產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，使得薄板微成形技術(shù)成為塑性微成形研究的熱點(diǎn)。但是微塑性成形相比較于傳統(tǒng)的塑性成形最大的區(qū)別在于工件的尺寸達(dá)到 亞毫米或微米尺度時(shí)，工件自身的物理特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,表現(xiàn)出尺度效應(yīng)，使得變 形材料表現(xiàn)出脆性，容易發(fā)生塑性失效；尺度效應(yīng)也使得材料表面積和體積之比增大，摩擦 力對(duì)成形的影響比宏觀尺寸下要大得多，影響材料塑性成形的能力，因此如何提高塑性微成 形能力是薄板微成形技術(shù)的關(guān)鍵。根據(jù)以上可以得出，塑性微成形能夠?qū)崿F(xiàn)批量化低成本生產(chǎn)，但是成形能力低；爆炸焊 接能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料的生產(chǎn)，但是存在加工精度低、污染大、無(wú)法實(shí)現(xiàn)小型化的缺點(diǎn)，因此 尋找一種能夠同步實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的生產(chǎn)和微成形的方法，必將能廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種微型復(fù)合材料制備和成形的方法及裝置。所述的微型復(fù)合材料制備和成形的方法，其特征在于利用脈沖激光驅(qū)動(dòng)金屬箔板高速運(yùn) 動(dòng)，金屬箔板運(yùn)動(dòng)一段距離后與微模具上的基體箔板發(fā)生高速碰撞，在撞擊界面上產(chǎn)生的高 溫高壓能夠?qū)崿F(xiàn)金屬箔板與基體箔板之間的復(fù)合連接，連接后的金屬箔板和基體箔板具有一 定沖量向模具方向壓縮，由于模具的限制能夠復(fù)制出微模具形狀，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料生產(chǎn)和微成形的同步。本發(fā)明所述的微型復(fù)合材料制備和成形裝置，由Nd:YAG激光器、反射鏡、聚焦透鏡、約 束層、 一維移動(dòng)平臺(tái)、微型模具、三維移動(dòng)工作臺(tái)、三維移動(dòng)平臺(tái)控制器、L型底座、計(jì)算 機(jī)組成；計(jì)算機(jī)控制Nd:YAG激光器發(fā)出的激光通過(guò)光纖依次傳遞到反射鏡和聚焦透鏡，聚 焦透鏡下方是約束層，約束層固定在一維移動(dòng)平臺(tái)上， 一維移動(dòng)平臺(tái)安裝在L型底座的豎直 面；約束層的下方是三維移動(dòng)平臺(tái)，三維移動(dòng)平臺(tái)安裝在L型底座底面，并與三維移動(dòng)平臺(tái) 控制器相連。上述所說(shuō)的微型模具微型復(fù)合材料制備和成形裝置，還包括安裝在三維移動(dòng)平臺(tái)上的微 型模具。所說(shuō)的微型模具可根據(jù)微成形形狀具體設(shè)計(jì)。使用本發(fā)明的裝置進(jìn)行復(fù)合材料制備和成形時(shí)，將金屬箔板緊貼在約束層下表面，基體 箔板放置在微型模具上。根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要，計(jì)算機(jī)能夠控制Nd:YAG激光器發(fā)出脈沖激光，激光的脈寬在ns 級(jí)，并且脈沖激光的能量可調(diào)；脈沖激光通過(guò)透鏡聚焦后功率密度達(dá)到GW/cm2級(jí)，透過(guò)約束 層后作用在金屬箔板上，激光使得金屬箔板表面一部分物質(zhì)汽化產(chǎn)生膨脹等離子體驅(qū)動(dòng)剩余 金屬箔板高速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要，高功率密度的脈沖激光驅(qū)動(dòng)金屬箔板高速運(yùn)動(dòng)一段距離后與基體4箔板發(fā)生碰撞，高速碰撞能夠在碰撞界面產(chǎn)生高溫高壓，實(shí)現(xiàn)金屬箔板和基體箔板的復(fù)合連 接，由于激光能量由計(jì)算機(jī)控制，相比于爆炸焊接能夠獲得更好的連接效果，也不會(huì)對(duì)環(huán)境 造成污染。根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要，高速碰撞后的金屬箔板和基體箔板連接為一體后仍然具有一定的 沖量，金屬箔板和基體箔板一起向微型模具方向壓縮，由于受到微型模具形狀限制，金屬箔 板和基體箔板的連接體能夠復(fù)制出微型模具的形狀，實(shí)現(xiàn)精確微成形。根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要，金屬箔板的厚度可以變化，金屬箔板的飛行速度可以根據(jù)激光驅(qū) 動(dòng)飛片運(yùn)動(dòng)的Gurney模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，調(diào)節(jié)激光參數(shù)能夠滿(mǎn)足不同連接和成形工藝的要求。根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要，金屬箔板與工件連接為一體后快速成形的過(guò)程具有很高的應(yīng)變 率，成形中的慣性效應(yīng)提高了材料的極限拉應(yīng)力，細(xì)化了材料的晶粒，相比于普通的微塑性 成形表現(xiàn)出更高的成形能力。根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要，約束層的上下位置可以通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)精確控制，以獲得不同 大小的光斑，實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)不同面積金屬箔板和基體箔板的復(fù)合及成形。根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要，微型模具具有較高的硬度，保證在微成形的過(guò)程中不發(fā)生失效， 微型模具安裝在三維移動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)三維移動(dòng)平臺(tái)的精確動(dòng)作控制微型模具上基體箔板微 成形的位置。本發(fā)明所涉及的微型復(fù)合材料制備和成形的方法及裝置，根據(jù)爆炸焊接原理，利用激光 驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同材料的超快復(fù)合及成形，能夠同步實(shí)現(xiàn)高硬度高熔點(diǎn)材料的連接和成 形，由于加工速度超快，材料成形過(guò)程中應(yīng)變率很高，具有普通微塑性成形無(wú)法比擬的成形 能力，也能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料微器件的低成本生產(chǎn)。本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工藝簡(jiǎn)單， 一致 性好，而且適于批量化生產(chǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的一種復(fù)合材料生產(chǎn)和微成形裝置示意圖。 圖2是材料復(fù)合及微成形后的示意圖。1: L型底座，2:三維移動(dòng)平臺(tái)，3:微型模具，4:基體箔板，5: —維移動(dòng)平臺(tái)，6: 金屬箔板，7:約束層，8:聚焦透鏡，9:第二反射鏡，10:三維移動(dòng)平臺(tái)控制器，11:計(jì)算機(jī)，12: Nd:YAG激光器，13:第一反射鏡具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出的微型復(fù)合材料制備和成形裝置如圖1所示，整個(gè)裝置由11個(gè)部分組成。計(jì)算機(jī)11控制Nd:YAG激光器12發(fā)出的激光通過(guò)光纖依次傳遞到通過(guò)第一反射鏡13、第5二反射鏡9、和聚焦透鏡8，聚焦透鏡8下方是約束層7，約束層7固定在其左側(cè)的一維移 動(dòng)平臺(tái)5上， 一維移動(dòng)平臺(tái)5安裝在L型底座1的左側(cè)；約束層7的下方是三維移動(dòng)平臺(tái) 2，三維移動(dòng)平臺(tái)控制器10在三維移動(dòng)平臺(tái)2的右邊，三維移動(dòng)平臺(tái)2安裝在L型底座1 底面。實(shí)施過(guò)程具體如下首先，根據(jù)微成形形狀設(shè)計(jì)出微型模具3，將微型模具3安裝在三維移動(dòng)平臺(tái)2上， 選擇需要復(fù)合成形材料的種類(lèi)和厚度，通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)飛片運(yùn)動(dòng)的Gurney模型計(jì)算得到激 光能量、光斑直徑等加工參數(shù)，將基體箔板6放置在微型模具3上。其次，調(diào)節(jié)一維移動(dòng)平,5到一定高度，以滿(mǎn)足金屬箔板6的安裝為宜，在約束層7 的下表面涂抹薄硅油層，將金屬箔板6放置在硅油層上，并對(duì)金屬箔板施加一定的壓力， 依靠硅油的吸附力平整地黏結(jié)在約束層7下表面。然后，打開(kāi)Nd:YAG激光器12，利用計(jì)算機(jī)11控制Nd:YAG激光器12發(fā)出一束調(diào)試光， 調(diào)試光依次通過(guò)第一反射鏡13、第二反射鏡9、經(jīng)過(guò)聚焦透鏡8聚焦后穿過(guò)約束層7照射 在金屬箔板6上，調(diào)節(jié)一維移動(dòng)平臺(tái)5以獲得需要的光斑面積，同時(shí)利用三維移動(dòng)平臺(tái)控 制器10控制三維移動(dòng)平臺(tái)2精確動(dòng)作，帶動(dòng)微型模具3及基體箔板4運(yùn)動(dòng)，使得需要成 形的部位在光斑的正下方，保持各部件位置的固定，關(guān)閉調(diào)試光。最后，根據(jù)加工要求，利用計(jì)算機(jī)ll控制Nd:YAG激光器12發(fā)出一定能量的脈沖激 光，脈沖激光依次通過(guò)第一反射鏡13、第二反射鏡9、經(jīng)過(guò)透鏡8聚焦后穿過(guò)約束層7照 射在金屬箔板6上，驅(qū)動(dòng)金屬箔板6向基體箔板4高速運(yùn)動(dòng)，在碰撞過(guò)程中實(shí)現(xiàn)金屬箔板 6和基體箔板4的快速連接，連接后的金屬箔板6和基體箔板4 一起向微型模具3壓縮， 快速?gòu)?fù)制出微型模具3的形狀，實(shí)現(xiàn)微成形。
權(quán)利要求
1.一種微型復(fù)合材料制備和成形的方法，其特征在于，利用脈沖激光驅(qū)動(dòng)約束層上的金屬箔板高速運(yùn)動(dòng)，金屬箔板運(yùn)動(dòng)一段距離后與微模具上的基體箔板發(fā)生高速碰撞，在撞擊界面上產(chǎn)生的高溫高壓能夠?qū)崿F(xiàn)金屬箔板與基體箔板之間的復(fù)合連接，連接后的金屬箔板和基體箔板具有一定沖量向模具方向壓縮，由于模具的限制能夠復(fù)制出微模具形狀，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料生產(chǎn)和微成形的同步。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型復(fù)合材料制備和成形的方法，其特征在于，所說(shuō)的約束 層的上下位置可以通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)精確控制，以獲得不同大小的光斑，實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)不同 面積金屬箔板和基體箔板的復(fù)合及成形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型復(fù)合材料生產(chǎn)和成形的方法，其特征在于，由計(jì)算機(jī)控 制Nd:YAG激光器發(fā)出脈沖激光，激光的脈寬在ns級(jí)，并且脈沖激光的能量可調(diào)；脈沖激光 通過(guò)透鏡聚焦后功率密度達(dá)到GW/cm2級(jí)，透過(guò)約束層后作用在金屬箔板上，激光使得金屬箔 板表面一部分物質(zhì)汽化產(chǎn)生膨脹等離子體驅(qū)動(dòng)剩余金屬箔板高速運(yùn)動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種微型復(fù)合材料生產(chǎn)和成形的方法，其特征在于，金屬箔 板的厚度可以變化，金屬箔板的飛行速度能根據(jù)激光驅(qū)動(dòng)飛片運(yùn)動(dòng)的Gurney模型進(jìn)行預(yù)測(cè)， 調(diào)節(jié)激光參數(shù)能夠滿(mǎn)足不同連接和成形工藝的要求。
5. 一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所說(shuō)方法的微型復(fù)合材料生產(chǎn)和成形裝置，其特征在于， 它由Nd'.YAG激光器、反射鏡、聚焦透鏡、約束層、 一維移動(dòng)平臺(tái)、微型模具、三維移動(dòng)工 作臺(tái)、三維移動(dòng)平臺(tái)控制器、L型底座、計(jì)算機(jī)組成；計(jì)算機(jī)控制Nd:YAG激光器發(fā)出的激 光通過(guò)光纖依次傳遞到反射鏡和透鏡，透鏡下方是約束層，約束層固定在一維移動(dòng)平臺(tái)上， 一維移動(dòng)平臺(tái)安裝在L型底座的豎直面；約束層的下方是三維移動(dòng)平臺(tái)，三維移動(dòng)平臺(tái)安裝 在L型底座底面，并與三維移動(dòng)平臺(tái)控制器相連。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型復(fù)合材料生產(chǎn)和成形的裝置，其特征在于，還包括安裝 在三維移動(dòng)平臺(tái)上的微型模具具有較高的硬度，保證在微成形的過(guò)程中不發(fā)生失效。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型復(fù)合材料制備和成形的方法及裝置，其裝置由Nd:YAG激光器、反射鏡、透鏡、約束層、一維移動(dòng)平臺(tái)、微型模具、三維移動(dòng)工作臺(tái)、三維移動(dòng)平臺(tái)控制器、L型底座、計(jì)算機(jī)組成。材料復(fù)合和微成形同步實(shí)現(xiàn)的方法是利用脈沖激光驅(qū)動(dòng)金屬箔板高速運(yùn)動(dòng)，金屬箔板運(yùn)動(dòng)一段距離后與微模具上的基體箔板發(fā)生高速碰撞，在撞擊界面上產(chǎn)生的高溫高壓能夠?qū)崿F(xiàn)金屬箔板與基體箔板之間的復(fù)合連接，連接后的金屬箔板和基體箔板具有一定沖量向模具方向壓縮，由于模具的限制能夠復(fù)制出微模具形狀，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料生產(chǎn)和微成形的同步。本發(fā)明具有設(shè)計(jì)合理，工藝簡(jiǎn)單，一致性好的優(yōu)點(diǎn)，而且適于批量化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B23K26/20GK101323051SQ20081012261
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月3日
發(fā)明者劉會(huì)霞, 李保春, 昆 楊, 沈宗寶, 霄 王, 安 邢, 成 陳 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)