[发明专利]一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料表面微制造领域，更加具体地说，特别是一种利用脉冲激光在材料表面快速制备周期性微波纹结构的方法。

背景技术

形态学表面改性技术就是在不改变表面化学性质的前提下通过改善材料表面微观形貌以提高其表面的特性。在1998年，Nature上就报道过通过预制微结构的方式获得了具有一定有序性的波纹的研究结果。此后，很多方法被研究和建议，但时至今日尚无一种方法能够制备出完美的人造波纹结构。尽管如此，一种基于规则波纹结构的易于大面积实现、低成本的表面微纳结构制备方法一直在吸引并激励着人们克服种种困难。

近来，部分研究者开始使用激光这一手段在材料表面制备周期性结构，以实现材料表面性能的改变。Liang[Surface modification of cp-Ti using femtosecond laser micromachining and the deposition of Ca/P layer]等使用飞秒激光在纯钛表面制备了明显的微沟槽结构，波纹周期为20μm。Chuan[Path-Guided Wrinkling ofNanoscale Metal Films]等使用激光直写技术在材料表面制备出可设计、无缺陷和高度有序的表面波形结构。专利CN 102626826A公开了一种基于激光冲击波的高效微凹槽制备装置及方法，利用激光诱导的冲击波产生的巨大压力，将金属网嵌入金属材料表面，在金属表面形成微凹槽。

综上所述，这些已有的研究报道均是利用激光来实现表面波纹结构的制备。通过以上技术均可制备出可设计、可控的规则波形结构。但是均存在设备昂贵、制备工艺复杂等缺陷，其应用也受到局限。

发明内容

针对目前激光表面图案化技术的不足，在本发明中通过预制镜对激光进行预制，从而得到一种微米级的具有周期性环形结构的材料，本发明工艺简单、方便实用且无污染，可用于熔点较低的纯镁和纯钛等金属及非金属材料。

本发明的技术方案：

一种利用脉冲激光在材料表面制备周期性环形结构的方法，其特征在于制备步骤如下：

1)材料表面经机械打磨和抛光后，用无水乙醇超声清洗干净，然后在空气环境中将

其固定在试样平台上，固定移动平台与激光器的距离。

2)将预制镜置于激光器前部，使用该预制镜对激光束进行预调制。

3)将上述试样材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的表面，并使光斑落在上述金属材料的表面上。

4)保持入射的激光束方向不变，通过调整激光器入射能量及轰击次数，在上述材料表面制备获得不同深度及宽度的微米级的周期性环形结构。

所述试样为熔点较低的纯镁和纯钛等金属及非金属材料。

所述激光的参数为：脉冲重复频率为不低于0.1Hz，激光波长为不低于946nm的长波，脉宽为纳秒量级。

所述入射激光能量不低于10毫焦耳。

所述入射激光的轰击次数不低于1次，在试样材料表面诱导产生不同深度的周期性环形结构。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过改变激光入射能量以及轰击次数可得到不同深度、不同周期的微米级的周期性结构。

(2)本发明的优势在于快速的脉冲持续时间将会导致激光作用过程中热传导效应在根本上得到减弱和消除。

(3)本发明是通过对脉冲激光进行预调制来制备微结构，这种加工工艺存在更加方便快捷，并且工艺简单，制备成本低。

附图说明

图1为本发明实施例1所制得的纯镁表面微米级的周期性环形结构的金相照片。

图2为本发明实施例2所制得的纯钛表面微米级的周期性环形结构的金相照片。

图3为本发明实施例1所制得的纯镁表面微米级的周期性环形结构的扫描照片和EDS能谱分析图，其中(a)为扫描电镜照片，(b)(c)分别为元素镁和氧的面扫。

图4为本发明实施例1所制得的样品的表面结构与测量。

图5为本发明所用预制镜对激光进行预制的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本专利所用预制镜为Dawa-350型Nd:YAG激光器配备的一种均匀反射输出镜，其反射率为80％，反射膜半径a＝2mm。依据标准衍射理论，因为此预制镜上的反射膜是一层层镀上去的，这样就会形成一种梯度的变化，所得到的光斑就会出现这种波纹型结构。