传感器的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的3d打印制备方法
【专利说明】NOx传感器的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的3D打印制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及NOx传感器领域，具体涉及一种NO x传感器的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的3D打印制备方法。
【背景技术】
[0003]近年来，随着世界汽车用量的猛增，汽车尾气污染问题日趋严重。汽车尾气中氮氧化物NOx (Ν02+Ν0)的排放会破坏臭氧层、引起酸雨和光化学烟雾，已对人类的生存和身体健康构成了严重威胁。基于氧化锆为固体电解质的混合电势型NOx传感器是近年来逐渐发展起来的一种新型化学类NOjf感器。在过去的十几年中，氧化锆基混合电势型NOjf感器得到了迅速发展，研究者从传感器的电极材料、结构、工作机理等方面对此类传感器进行了广泛的研究报道。但是，NOx传感器的制备工艺比较复杂，一般经过流延成型、切割、丝网印刷电极和绝缘层浆料、烘干、切割成坯和烧结过程，如此多的工艺往往会使得制作过程中受到众多因素的影响，导致NOx传感器的生产效率、精度、一致性和可靠性不是很高，而且，烧结过程会导致较高的残余应力出现，目前，能够批量生产并商用NOx传感器的仅有日本NGK —家。
[0004]3D打印技术是一种运用粉末状材料通过选择性激光烧结或熔化逐层堆积出制造产品的增材制造方法。相对传统制造技术而言，它可以轻松地制造出传统技术难以生产的复杂、高难度的产品。但是，3D打印法制备出的零件表面往往显现出强度不高、吹粉、球化、残余应力高及表面粗糙高等缺点，需要对成型零件进行除渣和抛光处理。当前的3D打印过程中仅是利用视觉监控来控制尺寸，没有微观结构及成分的实时监控设备，我们无从知道零部件的微观结构，也就不能对其机械性能进行更好地控制。
[0005]近些年，短脉冲激光(如纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光)由于热影响小，加工精度高，因而在精密加工领域备受关注。纳秒激光的脉冲宽度为纳秒(10 9秒)级，其重复频率一般为数百kHz，最高可达10MHz，因此可以达到很高的加工效率。皮秒(10 12秒)激光足以避免能量发生热扩散并达到这些消融临界过程所需要的峰值能量密度，可以提供较高的平均功率(10 W)和良好的光束质量(M2 < 1.5)，可以在有效工作距离内聚焦成一个10 μπι或更小的光点。飞秒激光(10 15秒)在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了准确程度，其光束直径可以聚焦到Ium以内，其精度可达10nm以内，最好可以达到0.1nm0
[0006]但是，目前还没有出现使用纳秒/皮秒/飞秒激光复合技术的3D打印传感器产品ο
【发明内容】
[0007]本发明针对已有NOx传感器制作工艺中存在的工艺复杂、精度不高和材料界面残余应力不易控制等缺陷，结合运用纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术，提供了一种NOx传感器的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的3D打印制备方法。
[0008]本发明的目的通过以下的技术方案来实现:
一种NOx传感器的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的3D打印制备方法，包括如下步骤:
(1)在工作平台上铺设原材料粉末并预热；
(2)采用纳秒激光对工作平台上的原料进行烧结熔化，同时采用实时监控系统检测传感器各打印层结构的精度；
(3 )依次反复重复步骤(I)和(2 )，直到完成NOx传感器的制备。
[0009]上述步骤(2)中还包括采用集成的光纤激光器提供皮秒激光或飞秒激光对传感器进行精加工。
[0010]光纤激光器所提供激光的最小可加工特征尺寸在Ium以内，精度在10nm以内，最好可以达到0.1nm0
[0011 ] 所述NOx传感器包括氧化锆基体，所述氧化锆基体的上表面设有外电极，氧化锆基体内部从上到下依次设有腔室层、空气通道和加热器；所述腔室层包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室和第二腔室间设有第一阻挡层，第二腔室和第三腔室间设有第二阻挡层，第三腔室为半封闭；所述第一腔室的顶部设有第一栗氧电极，底部设有测试电极，第二腔室的顶部设有第二栗氧电极；所述空气通道的顶部设有参比电极。
[0012]所述氧化锆基体材料为YSZ (钇稳定的氧化锆)。
[0013]所述第一栗氧电极和第二栗氧电极的材料为铂、氧化钌或氧化钼。
[0014]所述测试电极的材料为铂、氧化钌或氧化钼。
[0015]所述加热器的材料为铂。
[0016]所述实时监控系统包括红外摄像仪、扫描电镜、X射线衍射仪中的一种或几种。
[0017]所述啤的3D打印的顺序为从上到下或从下到上。
[0018]本发明所述的纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术，其特征在于由可以提供纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光的多波长集成光纤激光器先进行纳米激光烧结熔化，然后根据实时监控系统的检测和控制，使用皮秒激光或飞秒激光来对特征尺寸进行精细加工调整。实时监控系统拥有多种宏观和微观检测手段，如红外摄像仪、扫描电镜、X射线衍射仪等，可以使用其中的一种或多种，取决于传感器加工需要的精度。
[0019]本发明所提供的NOx传感器，包括氧化锆基体、第一腔室、第二腔室、阻挡层、外电极、栗氧电极、测试电极、参比电极、空气通道、加热器和导电引脚，其特征在于:
所述的氧化锆基体作为NOx传感器的固体电解质，起到了栗氧的作用，即实现氧离子的导电性，其材料为YSZ (钇稳定的氧化锆)；所述第一腔室和第二腔室位于氧化锆基体的上部，分别用于容纳待测气体和低氧浓度处理过的气体；所述阻挡层分别位于第一、第二腔室的外部，用于使待测气体通过扩散的形式进入第一和第二腔室；所述外电极位于氧化锆基体的最上部，所述栗氧电极有两个，分别位于第一和第二腔室的顶部，外电极与栗氧电极配合采集氧化锆基体的电压或者电流值，材料可以是铂、氧化钌、氧化钼等；所述测试电极位于第二腔室的底部，所述参比电极位于氧化锆基体的内部空气通道顶部，与测试电极组合，用于采集从第二腔室栗出的氧气所产生的电压或者电流值，材料可以是铂、氧化钌、氧化钼等；所述空气通道时位于两个腔室的下方，通过第二腔室栗入的气体通过空气通道进入大气；所述加热器位于空气通道的下方，一般为金属铂；所述导电引脚位于NOx传感器的下方，多个导电引脚分别于上述各电极相连，用于将电信号引出到传感器外部进行测量处理。
[0020]感器的3D打印制备方法的主要步骤为:
(1)在工作平台上铺设原材料粉末并预热；
(2)使用纳秒激光进行烧结熔化，同时使用实时监控系统检测传感器各打印层结构是否达到精度要求，如果需要，则使用集成的光纤激光器提供皮秒激光或飞秒激光精加工；
(3)重复上述步骤直到完成3D打印。
[0021]根据NOx传感器的分层结构，3D打印的顺序可以是从上到下，也可以是从下到上。
[0022]NOx传感器的基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的3D打印制备方法，使用纳秒激光进行烧结熔化，同时结合实时监控系统对于需要精加工的部分使用皮秒激光或飞秒激光，所述感器包括氧化锆基体、第一腔室、第二腔室、阻挡层、外电极、栗氧电极、测试电极、参比电极、空气通道、加热器和导电引脚，其特征在于:
所述的纳秒、皮秒、飞秒激光集成于一台多波长光纤激光器内，根据需要选择提供三种激光中的一种或多种；所述实时监控系统包括红外摄像仪、扫描电镜、X射线衍射仪等可以检测NOx传感器表面形貌和微观结构的仪器；
所述NOx传感器的进一步特征在于，第一腔室和第二腔室位于氧化锆基体的上部，所述阻挡层分别位于第一、第二腔室的外部；所述外电极位于氧化锆基体的最上部，所述栗氧电极有两个，分别位于第一和第二腔室的顶部；所述测试电极位于第二腔室的底部，所述参比电极位于氧化锆基体的内部空气通道顶部；所述空气通道时位于两个腔室的下方，所述加热器位于空气通道的下方；所述导电引脚位于NOx传感器的下方，多个导电引脚分别于上述各电极相连；
所述光纤激光器所提供激光的最小可加工特征尺寸在Ium以内，精度在10nm以内，最好可以达到0.1nm ；
所述纳秒激光来完成NOx传感器主体结构的烧结熔化；