[发明专利]基于飞秒激光制备空心球形粉末的装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于飞秒激光制备空心球形粉末的装置及方法，采用飞秒激光峰值功率对金属块进行照射，飞秒激光瞬间高温致使金属气化，金属气体透过隔水透气膜进入到工作液中，气体金属附着在由超声波振动产生的微米气泡上面，形成微米空心球。本发明方法制造的空心球中心空洞显著，球径在20um‑100um左右，球壁较薄，大约为1um左右，效率高，可实现产量化，可制造微孔结构金属零件，改善零件的机械性能，增强零件韧性，被广泛应用于航天、航空、环保、能源生物等高新领域。

技术领域

本发明属于粉末材料技术领域，尤其涉及一种基于飞秒激光制备空心球形粉末的装置及方法。

背景技术

近年来，随着人们对纳米材料性能以及相关制备技术研究的不断深入，具有特殊形貌和功能的超细结构在化学、力学、光学、电学和磁学等方面往往表现出优异的特性，这些超细结构可望在化工、电子、冶金、航空、医药等军事和民用领域里得到广泛的应用。因此，对它们的研究也引起了研究者的极大兴趣，特别是具有空心结构的超细粉末，与实心粉末相比，不仅具有了实心超细粉末所有的优点，而且还由于其特殊的结构，在化学、光学、电磁学和生物技术等方面表现出一些新颖的特性。同时，随着各种粉末制备技术的发展以及新的制备技术的兴起，使得空心粉末的制备朝超细化，甚至是纳米化的方向发展。采用不同的制备方法，不仅可以得到金属、陶瓷、聚合物和半导体的超细空心粉末，而且通过控制空心粉末的粒径大小、壁的厚度和粉体的表面状况可以得到具有特定性能的空心粉末。

目前国内有两篇关于空心球粉末制备新方法，传统方法是硬模板法。专利号为CN103331452B的发明专利，专门针对传统方法的弊端提出了一种铜/碳复合空心球颗粒材料及制备方法，其主要原理是利用溶液溶剂之间的反应还原铜，进而得到铜/碳复合颗粒。该方法优点是可用再生碳源替代不可再生的有机碳源，但此种方法具有局限性，材料的选取范围较小。专利号为CN102274975的发明专利是一种金属微纳米空心球粉末制备方法，利用工具电极与工件电极保持火花放电的形式，使金属熔化气化，气化的金属材料附着在微气泡表面，形成金属微纳米空心球。该发明的优点是集合了传统电火花和超声波复合的特点，相对于传统的硬模板法减小了对环境的污染，但依然存在环境污染。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于飞秒激光制备空心球形粉末的装置及方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于飞秒激光制备空心球形粉末的装置，包括工作箱，工作箱内储存工作液，工作箱底部放置石英玻璃板，金属块置于石英玻璃板上，隔水透气膜封于石英玻璃板上，将金属块包覆，使其与工作液处于零接触状态，超声波振动仪对称设置于工作箱两侧，飞秒激光器置于工作箱体外下方。

一种基于飞秒激光制备空心球形粉末的方法，包括步骤：

(1)开启超声波振动仪；

(2)观察工作液振动情况，产生大量微米级气泡时，开启飞秒激光器；

(3)飞秒激光器发射脉冲激光，激光束透过石英玻璃板到达金属块表面，金属块表面气化，金属气体透过隔水透气膜到达工作液中，金属气体从下至上逐渐包覆微米气泡，形成微米级空心球金属；

(4)工作结束后，对工作液进行干燥烘干处理得到微米级空心球金属粉末。

进一步地，超声波频率设置为20KHz-100KHz。

进一步地，飞秒激光器脉冲宽度设置为400fs-700fs。

进一步地，所述工作液为煤油或去离子水。

进一步地，所述得到的粉末粒度为20um-100um。

进一步地，所述金属块为铜、镍基合金、铁基合金、钴基合金或316不锈钢。

有益效果：本发明的优点：