一種基于激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光微成形領(lǐng)域，特指一種基于激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，以形狀尺寸微小或操作尺寸極小為特點的微細(xì)加工技術(shù)成為人類認(rèn)識和把握微觀世界的一種高新技術(shù)。其中微機電系統(tǒng)MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)的產(chǎn)業(yè)化極大地推動了微細(xì)加工技術(shù)的研究發(fā)展。激光沖擊微成形(Microscale laser peen forming, uLPF)是利用激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，使材料發(fā)生動態(tài)塑性變形而獲得期望的微成形件。目前激光沖擊微成形技術(shù)主要以各種薄膜為主要加工對象，加工方法主要為激光沖擊微脹形、微拉深和微彎曲成形等工藝技術(shù)，成形器件為金屬薄膜構(gòu)成的微零件。
[0003]在各類微器件中，有很多微器件為附著于基體表面的凸起空腔結(jié)構(gòu)或者空心結(jié)構(gòu)，如微靜電電機、微齒輪、微流體通道、振動傳感器中的微橋接片。目前主要使用犧牲層技術(shù)，其基本加工工藝為:在硅基板上，用化學(xué)沉積法形成微器件，在部件周圍空隙上填入分離層材料，最后以溶解法或者刻蝕法去除分離層，使得微型機械與基板分離，或者制造與基板略為連接的微機械。這種方法制造工藝復(fù)雜，存在環(huán)境污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出了一種基于激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下。
[0006]一種基于激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007](1)在基體表面上貼覆一層與所述基體聲阻抗不匹配的金屬膜層，然后，依次在金屬膜層2上覆蓋一層吸收層和約束層；
[0008](2)使用激光光束照射基體，激光光束透過約束層作用于吸收層，吸收層吸收激光能量后氣化電離產(chǎn)生等離子體，被約束層約束的等離子體產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波以應(yīng)力波形式向金屬膜層內(nèi)部傳播；當(dāng)沖擊波傳輸至金屬膜層-基體界面時，由于金屬膜層和基體聲阻抗不匹配，沖擊波分解為入射應(yīng)力波和反射應(yīng)力波，入射應(yīng)力波透射進(jìn)入基體，反射應(yīng)力波與沖擊波的卸載部分相遇形成拉伸脈沖，激光沖擊區(qū)域的金屬膜層被該拉伸脈沖向上拉起，所述金屬膜層與基體發(fā)生層裂分離，最終在金屬膜層與基體之間形成凸起微空腔。
[0009]優(yōu)選地，所述的金屬膜層的厚度在5微米至100微米之間。
[0010]優(yōu)選地，所述的金屬膜層通過膠粘或者鍍膜貼覆于基體1表面。
[0011]優(yōu)選地，所述吸收層的厚度在10微米至30微米之間。
[0012]優(yōu)選地，所述的約束層為透明柔性樹脂或者水，厚度在1毫米至3毫米之間。
[0013]優(yōu)選地，所述的激光光束的脈沖寬度為在1納秒至100納秒之間，入射到吸收層表面的能量密度大于70J/cm2。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和效果:本發(fā)明提出了一種利用激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法，與現(xiàn)有激光沖擊微成形技術(shù)相比，現(xiàn)有激光加工對象為金屬薄膜，而本發(fā)明加工對象覆蓋在金屬基體表面的金屬膜層；現(xiàn)有加工成形結(jié)構(gòu)為薄膜材料成形結(jié)構(gòu)，本發(fā)明加工成形結(jié)構(gòu)為附著于基體表面的凸起空腔結(jié)構(gòu)或者空心結(jié)構(gòu)；與其他制造該結(jié)構(gòu)方法相比，如化學(xué)沉積法，該方法工藝簡單，操作方便，無環(huán)境污染；由于能量源為激光，特別易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，特別易于實現(xiàn)復(fù)雜的二維空腔結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所述基于激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法的原理圖。
[0016]圖2為金屬膜層-基體界面處層裂過程示意圖。
[0017]圖3為凸起微空腔成形示意圖。
[0018]圖4為鋁箔-銅塊凸起微空腔三維形貌圖。
[0019]圖中:
[0020]1-基體，2-金屬膜層，3-吸收層，4-約束層，5-激光光束，6_等離子體，7_沖擊波，8-入射應(yīng)力波，9-反射應(yīng)力波，10-凸起微空腔。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明所述的一種基于激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法，首先，在基體1表面上貼覆一層與所述基體1聲阻抗不匹配的金屬膜層2，然后，依次在金屬膜層2上覆蓋一層吸收層3和約束層4。優(yōu)選地，所述的金屬膜層2
[0023]再使用的脈沖寬度為在1納秒至100納秒之間激光光束5照射基體1，激光光束5透過約束層4作用于吸收層3，激光光束5入射到吸收層表面的能量密度大于70J/cm2。吸收層3吸收激光能量后氣化電離產(chǎn)生等離子體6，被約束層4約束的等離子體6產(chǎn)生沖擊波7，該沖擊波7以應(yīng)力波形式向金屬膜層內(nèi)部傳播；如圖2所示，當(dāng)沖擊波7傳輸至金屬膜層-基體界面時，由于金屬膜層2和基體1聲阻抗不匹配，沖擊波7分解為入射應(yīng)力波8和反射應(yīng)力波9，入射應(yīng)力波8透射進(jìn)入基體1，反射應(yīng)力波9與沖擊波7的卸載部分相遇形成拉伸脈沖，激光沖擊區(qū)域的金屬膜層2被該拉伸脈沖向上拉起，所述金屬膜層2與基體1發(fā)生層裂分離，最終在金屬膜層2與基體1之間形成凸起微空腔10，如圖3所示。
[0024]本發(fā)明適用于任意固體材料的基體1，所述的金屬膜層2的厚度在5微米至100微米之間；在保證聲阻抗與基體1聲阻抗不相等的前提下，可以為任何金屬材料；所述的金屬膜層2可以以任何能夠使其緊密貼覆于基體上的方式貼覆于基體1表面，例如膠粘或者鍍膜。所述的吸收層3的厚度在10微米至30微米之間，可以為任何能夠強烈吸收入射激光的材料，例如黑漆。所述的約束層4的厚度在1毫米至3毫米之間，可以選用任何對入射激光透明的柔性材料或者流體材料，例如透明柔性樹脂或者水。
[0025]實施例一:
[0026]激光沖擊能量源為Nd3+: YAG輸出的1064nm的激光，其脈沖寬度為10ns，能量為9J，光斑大小為3_ ;水作為約束層，黑漆作為吸收層，金屬膜層為30 μ m的鋁箔，基體為1cm厚的銅塊，鋁箔通過硅膠粘接緊密貼覆于痛快表面。
[0027]具體實施過程:在銅塊表面涂刷一層厚度約為10 μπι的硅膠，然后在涂刷了硅膠的銅塊表面上貼覆一層鋁箔，最后在鋁箔上噴涂一層黑漆作為吸收層，黑漆厚度約為20 μπι。將噴涂了黑漆的銅塊沉浸于水中，水面距離工件表面距離約2mm，即約束層厚度約為2mm。打開激光器，調(diào)整參數(shù)，一個激光脈沖透過水約束層作用于工件表面。激光束透過水約束層直接作用于黑漆上，黑漆吸收激光能量后氣化電離產(chǎn)生等離子體，被水約束層約束的等離子體產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波穿過剩余黑漆傳輸至鋁箔內(nèi)部。當(dāng)沖擊波傳輸至鋁箔與銅塊基體界面時，由于鋁箔和銅塊聲阻抗不匹配，應(yīng)力波分解為入射應(yīng)力波和反射應(yīng)力波，入射應(yīng)力波透射進(jìn)入銅塊，反射應(yīng)力波改變傳輸方向進(jìn)入鋁箔，與入射波的卸載部分相遇形成拉應(yīng)力，激光沖擊區(qū)域的鋁箔被該拉應(yīng)力向上拉起，最終與銅塊分開，在鋁箔與銅塊之間形成凸起微空腔，凸起空腔的凸起高度超過430 μπι，如圖4所示。
[0028]所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51:在基體(I)表面上貼覆一層與所述基體(I)聲阻抗不匹配的金屬膜層(2)，然后，依次在金屬膜層(2)上覆蓋一層吸收層(3)和約束層(4); 52:使用激光光束(5)照射基體(I)，激光光束(5)透過約束層(4)作用于吸收層(3)，吸收層(3)吸收激光能量后氣化電離產(chǎn)生等離子體￠)，被約束層(4)約束的等離子體(6)產(chǎn)生沖擊波(7)，該沖擊波(7)以應(yīng)力波形式向金屬膜層內(nèi)部傳播；當(dāng)沖擊波(7)傳輸至金屬膜層-基體界面時，由于金屬膜層(2)和基體(I)聲阻抗不匹配，沖擊波(7)分解為入射應(yīng)力波(8)和反射應(yīng)力波(9)，入射應(yīng)力波(8)透射進(jìn)入基體(I)，反射應(yīng)力波(9)與沖擊波(7)的卸載部分相遇形成拉伸脈沖，激光沖擊區(qū)域的金屬膜層(2)被該拉伸脈沖向上拉起，所述金屬膜層(2)與基體(I)發(fā)生層裂分離，最終在金屬膜層(2)與基體(I)之間形成凸起微空腔(10)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在基體表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述的金屬膜層(2)的厚度在5微米至100微米之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在基體表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述的金屬膜層(2)通過膠粘或者鍍膜貼覆于基體(I)表面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在基體表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述吸收層(3)的厚度在10微米至30微米之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在基體表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述的約束層(4)為透明柔性樹脂或者水，厚度在I毫米至3毫米之間。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在基體表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述的激光光束(5)的脈沖寬度為在I納秒至100納秒之間，入射到吸收層(3)表面的能量密度大于70J/cm2o
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于激光沖擊層裂在基體表面制造凸起空腔的方法，在基體表面緊密貼覆一層金屬膜層，依次在貼覆于基體的金屬膜層上覆蓋一層吸收層和約束層。金屬膜層聲阻抗不能與基體聲阻抗相等。激光光束透過約束層作用于吸收層，吸收層吸收激光能量后氣化電離產(chǎn)生等離子體，被約束的等離子體產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波以應(yīng)力波形式向金屬膜層內(nèi)部傳播。當(dāng)其傳輸至金屬膜層-基體界面時，該應(yīng)力波發(fā)生透射和反射，反射應(yīng)力波與初始沖擊波的卸載部分相遇形成拉伸脈沖，激光沖擊區(qū)域的金屬膜層被該拉伸脈沖向上拉起，所述金屬膜層與基體發(fā)生層裂分離，最終在金屬膜層與基體之間形成凸起微空腔。
【IPC分類】B23K26/55
【公開號】CN105328352
【申請?zhí)枴緾N201510849225
【發(fā)明人】葉云霞, 左慧, 趙抒怡, 周建忠
【申請人】江蘇大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月27日