一种基于激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光微成形领域，特指一种基于激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法。
【背景技术】
[0002]随着现代社会的发展，以形状尺寸微小或操作尺寸极小为特点的微细加工技术成为人类认识和把握微观世界的一种高新技术。其中微机电系统MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)的产业化极大地推动了微细加工技术的研究发展。激光冲击微成形(Microscale laser peen forming, uLPF)是利用激光诱导等离子体冲击波产生的力学效应，使材料发生动态塑性变形而获得期望的微成形件。目前激光冲击微成形技术主要以各种薄膜为主要加工对象，加工方法主要为激光冲击微胀形、微拉深和微弯曲成形等工艺技术，成形器件为金属薄膜构成的微零件。
[0003]在各类微器件中，有很多微器件为附着于基体表面的凸起空腔结构或者空心结构，如微静电电机、微齿轮、微流体通道、振动传感器中的微桥接片。目前主要使用牺牲层技术，其基本加工工艺为:在硅基板上，用化学沉积法形成微器件，在部件周围空隙上填入分离层材料，最后以溶解法或者刻蚀法去除分离层，使得微型机械与基板分离，或者制造与基板略为连接的微机械。这种方法制造工艺复杂，存在环境污染。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下。
[0006]一种基于激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007](1)在基体表面上贴覆一层与所述基体声阻抗不匹配的金属膜层，然后，依次在金属膜层2上覆盖一层吸收层和约束层；
[0008](2)使用激光光束照射基体，激光光束透过约束层作用于吸收层，吸收层吸收激光能量后气化电离产生等离子体，被约束层约束的等离子体产生冲击波，该冲击波以应力波形式向金属膜层内部传播；当冲击波传输至金属膜层-基体界面时，由于金属膜层和基体声阻抗不匹配，冲击波分解为入射应力波和反射应力波，入射应力波透射进入基体，反射应力波与冲击波的卸载部分相遇形成拉伸脉冲，激光冲击区域的金属膜层被该拉伸脉冲向上拉起，所述金属膜层与基体发生层裂分离，最终在金属膜层与基体之间形成凸起微空腔。
[0009]优选地，所述的金属膜层的厚度在5微米至100微米之间。
[0010]优选地，所述的金属膜层通过胶粘或者镀膜贴覆于基体1表面。
[0011]优选地，所述吸收层的厚度在10微米至30微米之间。
[0012]优选地，所述的约束层为透明柔性树脂或者水，厚度在1毫米至3毫米之间。
[0013]优选地，所述的激光光束的脉冲宽度为在1纳秒至100纳秒之间，入射到吸收层表面的能量密度大于70J/cm2。
[0014]与现有技术相比，本发明的优点和效果:本发明提出了一种利用激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法，与现有激光冲击微成形技术相比，现有激光加工对象为金属薄膜，而本发明加工对象覆盖在金属基体表面的金属膜层；现有加工成形结构为薄膜材料成形结构，本发明加工成形结构为附着于基体表面的凸起空腔结构或者空心结构；与其他制造该结构方法相比，如化学沉积法，该方法工艺简单，操作方便，无环境污染；由于能量源为激光，特别易于实现自动化生产，特别易于实现复杂的二维空腔结构。
【附图说明】
[0015]图1为本发明所述基于激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法的原理图。
[0016]图2为金属膜层-基体界面处层裂过程示意图。
[0017]图3为凸起微空腔成形示意图。
[0018]图4为铝箔-铜块凸起微空腔三维形貌图。
[0019]图中:
[0020]1-基体，2-金属膜层，3-吸收层，4-约束层，5-激光光束，6_等离子体，7_冲击波，8-入射应力波，9-反射应力波，10-凸起微空腔。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0022]如图1所示，本发明所述的一种基于激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法，首先，在基体1表面上贴覆一层与所述基体1声阻抗不匹配的金属膜层2，然后，依次在金属膜层2上覆盖一层吸收层3和约束层4。优选地，所述的金属膜层2
[0023]再使用的脉冲宽度为在1纳秒至100纳秒之间激光光束5照射基体1，激光光束5透过约束层4作用于吸收层3，激光光束5入射到吸收层表面的能量密度大于70J/cm2。吸收层3吸收激光能量后气化电离产生等离子体6，被约束层4约束的等离子体6产生冲击波7，该冲击波7以应力波形式向金属膜层内部传播；如图2所示，当冲击波7传输至金属膜层-基体界面时，由于金属膜层2和基体1声阻抗不匹配，冲击波7分解为入射应力波8和反射应力波9，入射应力波8透射进入基体1，反射应力波9与冲击波7的卸载部分相遇形成拉伸脉冲，激光冲击区域的金属膜层2被该拉伸脉冲向上拉起，所述金属膜层2与基体1发生层裂分离，最终在金属膜层2与基体1之间形成凸起微空腔10，如图3所示。
[0024]本发明适用于任意固体材料的基体1，所述的金属膜层2的厚度在5微米至100微米之间；在保证声阻抗与基体1声阻抗不相等的前提下，可以为任何金属材料；所述的金属膜层2可以以任何能够使其紧密贴覆于基体上的方式贴覆于基体1表面，例如胶粘或者镀膜。所述的吸收层3的厚度在10微米至30微米之间，可以为任何能够强烈吸收入射激光的材料，例如黑漆。所述的约束层4的厚度在1毫米至3毫米之间，可以选用任何对入射激光透明的柔性材料或者流体材料，例如透明柔性树脂或者水。
[0025]实施例一:
[0026]激光冲击能量源为Nd3+: YAG输出的1064nm的激光，其脉冲宽度为10ns，能量为9J，光斑大小为3_ ;水作为约束层，黑漆作为吸收层，金属膜层为30 μ m的铝箔，基体为1cm厚的铜块，铝箔通过硅胶粘接紧密贴覆于痛快表面。
[0027]具体实施过程:在铜块表面涂刷一层厚度约为10 μπι的硅胶，然后在涂刷了硅胶的铜块表面上贴覆一层铝箔，最后在铝箔上喷涂一层黑漆作为吸收层，黑漆厚度约为20 μπι。将喷涂了黑漆的铜块沉浸于水中，水面距离工件表面距离约2mm，即约束层厚度约为2mm。打开激光器，调整参数，一个激光脉冲透过水约束层作用于工件表面。激光束透过水约束层直接作用于黑漆上，黑漆吸收激光能量后气化电离产生等离子体，被水约束层约束的等离子体产生冲击波，该冲击波穿过剩余黑漆传输至铝箔内部。当冲击波传输至铝箔与铜块基体界面时，由于铝箔和铜块声阻抗不匹配，应力波分解为入射应力波和反射应力波，入射应力波透射进入铜块，反射应力波改变传输方向进入铝箔，与入射波的卸载部分相遇形成拉应力，激光冲击区域的铝箔被该拉应力向上拉起，最终与铜块分开，在铝箔与铜块之间形成凸起微空腔，凸起空腔的凸起高度超过430 μπι，如图4所示。
[0028]所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，包括以下步骤: 51:在基体(I)表面上贴覆一层与所述基体(I)声阻抗不匹配的金属膜层(2)，然后，依次在金属膜层(2)上覆盖一层吸收层(3)和约束层(4); 52:使用激光光束(5)照射基体(I)，激光光束(5)透过约束层(4)作用于吸收层(3)，吸收层(3)吸收激光能量后气化电离产生等离子体￠)，被约束层(4)约束的等离子体(6)产生冲击波(7)，该冲击波(7)以应力波形式向金属膜层内部传播；当冲击波(7)传输至金属膜层-基体界面时，由于金属膜层(2)和基体(I)声阻抗不匹配，冲击波(7)分解为入射应力波(8)和反射应力波(9)，入射应力波(8)透射进入基体(I)，反射应力波(9)与冲击波(7)的卸载部分相遇形成拉伸脉冲，激光冲击区域的金属膜层(2)被该拉伸脉冲向上拉起，所述金属膜层(2)与基体(I)发生层裂分离，最终在金属膜层(2)与基体(I)之间形成凸起微空腔(10)。2.根据权利要求1所述的在基体表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述的金属膜层(2)的厚度在5微米至100微米之间。3.根据权利要求1所述的在基体表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述的金属膜层(2)通过胶粘或者镀膜贴覆于基体(I)表面。4.根据权利要求1所述的在基体表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述吸收层(3)的厚度在10微米至30微米之间。5.根据权利要求1所述的在基体表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述的约束层(4)为透明柔性树脂或者水，厚度在I毫米至3毫米之间。6.根据权利要求1所述的在基体表面制造凸起空腔的方法，其特征在于，所述的激光光束(5)的脉冲宽度为在I纳秒至100纳秒之间，入射到吸收层(3)表面的能量密度大于70J/cm2o
【专利摘要】本发明提供了一种基于激光冲击层裂在基体表面制造凸起空腔的方法，在基体表面紧密贴覆一层金属膜层，依次在贴覆于基体的金属膜层上覆盖一层吸收层和约束层。金属膜层声阻抗不能与基体声阻抗相等。激光光束透过约束层作用于吸收层，吸收层吸收激光能量后气化电离产生等离子体，被约束的等离子体产生冲击波，该冲击波以应力波形式向金属膜层内部传播。当其传输至金属膜层-基体界面时，该应力波发生透射和反射，反射应力波与初始冲击波的卸载部分相遇形成拉伸脉冲，激光冲击区域的金属膜层被该拉伸脉冲向上拉起，所述金属膜层与基体发生层裂分离，最终在金属膜层与基体之间形成凸起微空腔。
【IPC分类】B23K26/55
【公开号】CN105328352
【申请号】CN201510849225
【发明人】叶云霞, 左慧, 赵抒怡, 周建忠
【申请人】江苏大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年11月27日