专利名称：强激光辐照碳纳米管连续合成制备金刚石薄膜方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及人工制造金刚石薄膜领域，特指一种强激光辐照碳纳米管连续制备金刚石薄膜的方法和装置。
背景技术：
纳米金刚石因其具有优异的机械、热学、光学和化学性能引起了人们的广泛关注。 随着认识的深入，纳米金刚石在金属镀层、润滑油、磁性记录系统和医学等领域已经得到了实际应用。由于激光能在极短的时间内使材料加热、熔化、气化或者发生相变，国内外正在进行激光法合成纳米金刚石的研究。1992年Ogale等将强激光诱导液固界面反应法应用到金刚石合成，即利用红宝石激光辐照浸泡在苯中的石墨靶，产物中发现了金刚石相。自从1955年美国通用电气公司首次合成金刚石以来，金刚石的人工合成方法和技术有了很大的发展。目前，人类已掌握了多种金刚石的合成方法，按其原理来分，基本上可以分为两类一类是在高温高压条件下金刚石稳定区内非金刚石碳向金刚石的转变，如静压触媒法、爆炸合成法；另一类是低压条件下金刚石亚稳定区内激活的碳基团重新聚集而形成金刚石，如化学气相沉积法等。近年来王金斌和杨国伟等使用强激光辐照在水或丙酮中的石墨靶也成功合成了金刚石。他们均采用纳秒脉冲激光器，虽然其功率密度超过IO9 ff/cm2，但限定在高温高压下，且只通过收集激光与液体介质中的固定石墨靶作用时的飞溅产物得到纳米金刚石颗粒，合成效率低，主要用于理论研究。冯钟潮等人申请的名为“一钟复合激光化学气相沉积金刚石膜的方法”的发明专利(公开号为CN1221806A)，其方法是在真空条件下用XeCl 准分子激光作为激光源同时复合红外激光辐照，在衬底表面沉积出金刚石薄膜，该方法最大优点是不需要给衬底加热，沉积温度低，膜层纯度高，但缺点是沉积的金刚石薄膜较薄， 由于该装置要在真空条件下进行，这对装置的操作带来一定的困难，同时向真空的反应室通入能吸收激光波长的碳氢化合物反应气和氢气的流量比例应严格控制，所以实现该方法的设备复杂，成本高。
发明内容
本发明的目的是针对以上技术的不足，提供一种在常温常压下强激光辐照碳纳米管合成金刚石薄膜的方法，该方法合成效率高，工艺简单，设备成本低，能连续合成并获得高质量的金刚石薄膜。强激光辐照碳纳米管连续合成金刚石薄膜的具体方法是反应容器中通入适量的水，将碳纳米管粉末悬浮于水中，用电磁震动搅拌使其均勻分散，通过电泵和流量控制装置使水溶液以一定速度循环流动。高功率脉冲激光装置发出强激光束经过分光镜反射和分光成激光束Gl和激光束G2，激光束Gl直接通过激光加工头里的聚焦透镜和保护镜聚焦于距基底表面上方的适当位置，水溶液中的碳纳米管粉末吸收激光能量瞬间气化、电离，产生大量的高速等离子体，激光束G2经45°全反镜反射到安装在旋转支架上的全反镜上，经全反镜辐射到激光束Gl聚焦点正下方的基底表面上，激光束Gl和激光束G2的复合作用在基底表面形成一个瞬间高温高压的微区，激光束Gl诱导的高速等离子体轰击基材表面，在基底表面形成高质量的金刚石薄膜。水介质载着碳纳米管粉末循环流动，激光在不同时间辐照着不同的碳纳米管粉末，从而实现金刚石薄膜在常温常压下的连续合成。本发明的装置包括三个系统激光发生系统、工件系统和辅助系统。所述的激光发生系统包括计算机、高功率脉冲激光装置、分光镜、激光加工头、45°全反镜、全反镜和旋转支架，计算机控制高功率脉冲激光装置，45°全反镜位于全反镜的正上方，全反镜固定在旋转支架上，通过旋转旋转支架来调节激光束G2的反射方向，所述的激光加工头包括聚焦透镜和保护镜，聚焦透镜在保护镜的上方；所述的工件系统包括工作台、夹具和基底，所述的基底为镍基合金。基底通过夹具固定在工作台上，计算机控制工作台来调节基底的运动轨迹；所述的辅助系统包括流量调节装置、储液箱和电泵。电泵一端与水箱下部的出水口相连，一端与储液箱相连。流量调节装置一端与水箱左边的入水口相连，一端与储液箱相连。通过电泵使溶液循环流动，流量调节装置用于控制水溶液的流动速度。本发明的具体实施步骤如下
A.基底进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗，并用夹具加紧固定在工作台上；
B.反应容器中通入适量的水，将碳纳米管粉末悬浮于水中，电磁震动搅拌使其均勻分
散；
C.打开电泵电源使水溶液循环起来，调节流量控制装置，使溶液循环速度在0.3 0. 6ml/s 之间；
D.打开高功率脉冲激光装置，由计算机设置参数，脉冲宽度为IOns 20ns，脉冲频率为20Hz，功率密度为IO8 W/cnTlO9 W/cm2。高功率脉冲激光装置发出的激光7经分光镜反射和分光，激光束Gl直接反射通过激光加工头聚焦于距基底表面正上方2mm 4mm处，同时激光束G2经45°全反镜反射到安装在旋转支架上的全反镜上，经全反镜辐射到激光束 Gl聚焦点正下方的基底表面上，激光束Gl辐照均勻分散在水中的碳纳米管粉末，并诱导高速等离子体轰击基底表面，在基底表面形成高质量的金刚石薄膜；
E.移动工作台，使基底处于不同的位置。待反应完后，关闭所有电源，取下基底。本发明技术的创新，在于克服了现有技术合成效率低，反应条件特殊和装置操作困难且设备贵的问题，实现了金刚石薄膜在宏观常温常压下的连续合成，获得了厚度较厚的高纯度金刚石薄膜。利用高功率脉冲激光装置发出的激光经分光镜反射和分光后产生的两条激光束Gl和G2，激光束Gl聚焦于基底上表面正上方的适当位置，溶液中的碳纳米粉末管吸收激光能量瞬间气化、电离，产生大量的高速等离子体，同时在激光G2复合作用下，在基底表面产生瞬间的高温高压微区，高速等离子体轰击基底表面形成金刚石薄膜。流动的水介质载着碳纳米管粉末，使激光能够循环作用，实现金刚石薄膜的连续合成。由于水溶液的流动，使激光产生的微区高温高压位置不断更新，为金刚石薄膜的生成提供了有利的空间环境，同时提高了碳纳米管粉末的利用率。通过移动工作台，激光束在基底表面不同位置的扫描，可获得大面积的金刚石薄膜。待反应完成后，只需将水溶液储存在储液箱里，安装新的基底，然后使水溶液循环流动，重复其他操作步骤，实现批量生产。本发明具有如下优点可以在常温常压下获得高纯度的金刚石薄膜，且薄膜层厚度厚，分布均勻。由于该方法能实现连续合成，故合成效率高。此外，本发明方法工艺简单，反应过程安全可控，装置易操作，设备成本低。
图1 强激光辐照碳纳米管连续合成金刚石薄膜的装置原理图。附图中标号1.电泵；2.储液箱；3.流量控制装置；4.进水口 ；5.计算机；6.高功率脉冲激光装置；7.激光；8.激光束Gl ；9.激光加工头；10.聚焦透镜；11.保护镜；12.夹具；13.基底；14.分光镜；15.激光束G2 ；16.金刚石薄膜；17. 45°全反镜；18.反应容器； 19.全反镜；20.旋转支架；21.水溶液；22.工作台；23.出水口。
具体实施例方式下面结合附图并使用实例来详细说明本发明提出的方法和装置的工作情况，但不用来限制本发明。具体实施例1
将镍基合金进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗，并用夹具12加紧固定在工作台上22，然后反应容器18中通入适量的水，将碳纳米管粉末悬浮于水中，用电磁震动搅拌使其均勻分散。打开电泵1电源使水溶液循环起来，调节流量控制装置3，使水溶液循环速度为0. 45ml/s。打开高功率脉冲激光装置6，由计算机5设置参数，脉冲宽度为IOns 20ns，脉冲频率为20Hz，功率密度为IO8 W/cm2。高功率脉冲激光装置6发出的激光7经分光镜反射和分光，激光束G18直接反射通过激光加工头9聚焦于距镍基合金表面正上方3mm 处，同时激光束G215经45°全反镜17反射照射到安装在旋转支架20上的全反镜19上，经全反镜19辐射到镍基合金上，调节旋转支架20使激光束G215辐射到激光束G18聚焦点正下方的镍基合金表面上。激光束G18和激光束G215的复合作用在镍基合金表面形成一个瞬间高温高压的微区，激光束G18诱导的高速等离子体轰击镍基合金表面，在镍基合金表面形成高质量的金刚石薄膜16。带反应完后，关闭所有电源，取下镍基合金。
权利要求
1.一种强激光辐照碳纳米管连续合成制备金刚石薄膜的方法，其特征在于，具体实施步骤为A.基底(13)进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗，并用夹具(12)加紧固定在工作台上(22);B.反应容器(18)中通入水，将碳纳米管粉末悬浮于水中，电磁震动搅拌使碳纳米管粉末均勻分散；C.打开电泵(1)电源使水溶液(21)循环起来，调节流量控制装置(3)，使水溶液(21) 循环速度在0. 3 0. 6ml/s之间；D.打开高功率脉冲激光装置，由计算机(5)设置参数，脉冲宽度为IOns 20ns，脉冲频率为20Hz，功率密度为108W/cm2 ^lO9 ff/cm2 ；高功率脉冲激光装置(6)发出的激光经分光镜(14)反射和分光，激光束Gl (8)直接反射通过激光加工头(9)聚焦于距基底(13)表面正上方2mm 4mm处，同时激光束G2 (15)经45°全反镜(17)反射到安装在旋转支架(20) 上的全反镜(19)上，经全反镜(19)辐射到激光束Gl (8)聚焦点正下方的基底表面上，激光束Gl (8)辐照均勻分散在水中的碳纳米管粉末，并诱导高速等离子体轰击基底(13)表面， 在基底(13)表面形成高质量的金刚石薄膜(16)；E.移动工作台(22)，使基底(13)处于不同的位置，待反应完后，关闭所有电源，取下基底(13)。
2.根据权利要求1所述的一种强激光辐照碳纳米管连续合成金刚石薄膜的方法，其特征在于，所述的基底为镍基合金；所述的激光加工头在液面以下，所述的碳纳米管粉末粒度为IOnm 20nm。
3.实施权利要求1所述的一种强激光辐照碳纳米管合成金刚石薄膜的方法的装置， 其特征在于，所述装置由激光发生系统、工件系统和辅助系统组成；所述激光发生系统包括计算机(5)、高功率脉冲激光装置(6)、分光镜(14)、激光加工头(9)、45°全反镜(17)、全反镜(19)和旋转支架(20)，计算机(5)控制高功率脉冲激光装置(6)，45°全反镜(17)位于全反镜(19)的正上方，全反镜(19)固定在旋转支架(20)上， 所述的激光加工头(9)包括聚焦透镜(10)和保护镜(11)，聚焦透镜(10)在保护镜(11)的上方；工件系统包括工作台(22)、夹具(12)和基底(13)，基底(13)通过夹具(12)固定在工作台(22)上，计算机控制工作台(22)来调节基底(13)的运动轨迹；辅助系统包括流量调节装置(13)、储液箱(13)和电泵(13)，电泵(13) —端与水箱下部的出水口相连，一端与储液箱相连，流量调节装置一端与水箱左边的入水口相连，一端与储液箱相连，通过电泵(13)使溶液循环流动，流量调节装置用于控制水溶液的流动速度。
4.根据实施权利要求3所述的一种强激光辐照碳纳米管合成金刚石薄膜的方法的装置，其特征在于，所述的基底为镍基合金。
全文摘要
本发明涉及一种强激光辐照碳纳米管连续合成金刚石薄膜的方法和装置，其特征在于合成金刚石薄膜装置由激光发生系统、工件系统和辅助系统组成。高功率脉冲激光装置发出的激光经分光镜反射和分光后产生两条激光束G1和G2，激光束G1聚焦于基底上表面正上方的适当位置，溶液中的碳纳米管粉末吸收激光能量瞬间气化、电离，产生大量的高速等离子体，同时在激光G2复合作用下，在的基底表面的产生瞬间的高温高压微区，高速等离子体轰击基底表面形成金刚石薄膜。本发明克服了合成效率低、反应条件特殊和装置操作困难且设备贵的问题，创新实现了金刚石薄膜在宏观常温常压下的连续合成，获得了厚度较厚的高纯度金刚石薄膜。
文档编号C23C14/06GK102409292SQ201110367288
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者任旭东, 占秋波, 周建忠, 孙桂芳, 张永康, 戴峰泽, 杨慧敏, 皇甫喁卓, 阮亮 申请人:江苏大学