[发明专利]一种陶瓷表面精细刻线结构激光加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷表面加工技术领域，特别涉及一种陶瓷表面精细刻线结构激光加工方法及其系统，适合于陶瓷表面二维精细刻线结构的加工。

背景技术

陶瓷材料具有轻质，耐高温，耐腐蚀，高强度和化学稳定性好的特性，正是由于其良好的物理性质和化学性质，被广泛应用在电子，航空，机械和生物医学等领域。如作为柔版印刷心脏的陶瓷网纹辊是保证传墨、匀墨质量最为关键的部件，需要在陶瓷表面加工出网穴或直线凹槽等精细刻线结构。诸如此类的材料表面微结构制造目前在生物医学，微电子，能源和机械等领域应用相当广泛，在材料表面加工出的微条纹形貌等的仿生改形可以有效起到降噪效果；规则或随机分布的坑、槽等有助于在接触表面间建立或局部形成润滑薄膜，从而达到减阻效果。生物陶瓷表面人造微细结构对于细胞的粘附、生长等具有重要作用。TEIXEIRA等在脊宽70nm，槽深600nm的沟槽微结构表面成功种植了角膜上皮细胞（Journal of cell science;2003,116(10)1881-1892）。但由于陶瓷材料是共价键，离子键或两者混合化学键结合的物质，晶体间的化学键方向性强，具有高硬度和高脆性的本征特性。基于机械磨削的传统加工方式存在效率低，精度差和刀具磨损严重等问题，限制了其在工业领域中的应用。激光加工是一种无接触式的加工方法，在加工过程中不存在应力损伤，可以在一定程度上改善这些问题。Manabu Wakuda等人用准分子激光在氮化硅陶瓷表面加工微凹坑阵列，使其的摩擦系数从0.12降低到0.10（Wear254(2003)356-363）。目前材料表面精细结构的激光加工一般是采用激光束直接辐照加工，结构的线宽精度受光斑尺寸限制，结构质量因脉宽的影响往往无法避免微细裂纹、重凝层等的存在。王鑫等人使用60ns准分子激光器在Y-ZTP陶瓷上刻蚀一系列微凹槽，线宽约20μm，深度约10μm，在凹槽两侧出现了重凝层（J.Am.Ceram.Soc,91[2]391-397(2008)）。长脉冲（脉宽≥ns）激光与材料的相互作用机制是热烧蚀效应，因此热影响不可避免。

发明内容

为了解决现有技术的问题，实现具有高熔点、高硬脆物理特性的陶瓷表面上的高精微细加工刻蚀，本发明提供了一种陶瓷表面精细刻线结构激光加工方法。采用皮秒脉宽激光作为能量源抑制刻线区域热影响区，消除重凝层，从而显著提高刻线质量和精度。使用光纤引导激光的加工方法突破了光斑尺寸的限制，从而获得对具有高熔点、高硬脆性陶瓷材料的高精微细加工效果。

所述技术方案如下：

本发明提供了一种陶瓷表面精细刻线结构激光加工方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，将光纤上的涂覆层剥离后铺设于陶瓷表面上；

步骤二，通过皮秒级脉宽激光对陶瓷表面上的光纤覆盖区进行扫描辐照，皮秒级脉宽激光通过陶瓷表面上的光纤引导产生局域光场增强效应，在陶瓷表面上加工出沟槽；

步骤三，根据步骤二中加工沟槽的情况设置激光器参数，使用皮秒级脉宽激光对陶瓷表面上铺设的光纤覆盖区进行扫描辐照，在陶瓷表面上加工出与光纤排布相同的精细凹槽阵列。

所述步骤一中所用光纤为单模光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯的折射率高于所述包层的折射率。

所述步骤一中光纤在陶瓷表面上的铺排采用单根或多根密排方式。

所述步骤三中的皮秒级脉宽激光对陶瓷表面上铺设的光纤覆盖区进行扫描辐照，其具体方法是：所述激光垂直或平行于光纤铺设方向扫描。

陶瓷表面距离皮秒级脉宽激光的焦点为3mm～12mm；皮秒级脉宽激光的扫描速度为100mm/s～1000mm/s，功率为8～12W，重复频率为100kHz～500kHz。

所述皮秒级脉宽激光的焦点距离陶瓷的表面为9mm；皮秒级脉宽激光的扫描速度为300mm/s，平均功率为10W，重复频率为100KHz。

所述步骤二和步骤三中设置的皮秒级脉宽激光光束扫描间隔小于皮秒级脉宽激光焦点处光斑直径。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：