专利名称：一种改善层基或膜基结合状态的飞秒激光表面预处理方法
技术领域：
本发明属于飞秒激光技术应用领域，特别涉及一种材料表面飞秒激光预处理的方法。
背景技术：
表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。由于其可以在廉价芯材表面获得具有耐磨、耐蚀、抗疲劳、高强度、耐冲压、高温热障等特殊性能的涂层，具有“低投入，高产出”的特点，从而在钢铁材料、海洋工程、航空航天领域、汽车制造领域、油田化工、仪器仪表、生物医学等众多领域中得到广泛应用。常用的获得表面涂、镀层，薄膜和改性层的技术包括:热喷涂、堆焊、电镀、化学镀、电化学沉积、气相沉积和涂装技 术、热喷涂、热扩渗、激光束表面改性、电子书表面改性和离子束表面改性等。众所周知，界面是复合材料中极为重要的微结构，它反应了层和基体的密着情况，是决定复合材料的综合性能发挥的首要指标。无论是要在基体表面制备层还是薄膜，在制备过程中都需要层或者膜与基体之间保持一定的结合力。对于某些基体材料，如不对其作预处理，则很难保证两者之间的结合强度，所以基体表面的预处理对层或膜的质量和寿命都有很大的影响。虽然上述表面技术中使用的预处理技术得到了广泛应用，但是仍然存在许多问题。举例来说，陶瓷表面化学镀的前处理为化学粗化，其实质是对陶瓷表面进行刻蚀，使表面形成无数凹槽、微孔，造成表面微观粗糙以增大基体的表面积，确保化学镀所需要的锁扣效应，从而提高镀层与基体的结合强度；化学粗化还可去除基体上的油污和氧化物及其他的粘附或吸附物，使基体露出新鲜的活化组织，提高对活化液的浸润性，有利于活化时形成尽量多的分布均匀的催化活性中心。该前处理过程中涉及到粗化化学溶液配比、粗化温度控制等，程序复杂，操作不便。另外，粗化液对人体和环境存在污染，需要后续处理，镀层和基体的结合强度也有待进一步提高。再比如，电沉积医用镁合金制备生物陶瓷涂层之前要对镁合金进行过饱和Ca(OH)2溶液和阳极氧化预处理，汽车制造涂装前需要进行磷化处理等。这些预处理方法均涉及溶液的配制、辅助设备的运行和废水处理。
飞秒激光由于其独特的特点，可以在材料表面获得微纳米结构。相关研究已有专利报道。申请号为200810152327.5的专利公布了一种利用飞秒激光在金属材料表面制备微/纳结构的方法，在T1-Ni合金表面制得了微纳结构。专利号为200810037730.3的专利公布了一种飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法，在锡化锌晶体表面制得了长程纳米结构，在氧化锌晶体表面制得了具有周期性结构的纳米光栅。申请号为201110302853.7的专利公布了一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法，可以在有机玻璃表面制得不同尺寸和图案的疏水性微结构，该周期性线阵微结构的条纹宽度为10-30 μ m，条纹之间的距离为10-30 μ m。但是上述三种方法都未涉及到将飞秒激光作为材料预处理的手段。
发明内容
本发明的目的是针对上述预处理方法中存在的不足，提供一种工艺简单、方便实用、无污染的飞秒激光预处理基体表面的方法，来代替目前制层和制膜过程中使用的预处理方法。实施本发明方法的装置包括飞秒激光器及其控制系统、工作台和计算机编程系统。实施不同的后续处理分别采用不同的设备。本发明技术方案是:利用飞秒激光对需要在其表面制备层或者膜的基体进行辐照预处理，在其表面获得自组织生长的长程纳米微结构。其中辐照预处理步骤如下:(I)将待处理表面用砂纸初步打磨；(2)将待处理试样放置在工作台上，打开飞秒激光器，按照预设程序进行表面辐照预处理；(3)其具体工艺参数如下:飞秒激光波长为1045nm光斑尺寸为30-50 μ m脉冲宽度为500fs
重复频率为500_1000kHz脉冲能量为2-8 μ J光强分布为高斯分布扫描速度为120_2400mm/s重复扫描次数为30-1200次。所述的利用飞秒激光制备的自组织生长的长程微纳米结构包括由基本平行的纳米组织构成的微米凸起圆峰、或者具有周期性结构的平行微米条痕。本发明的优点是:1.利用飞秒激光器对需要在其表面制膜或制层的试样进行预处理可以得到微纳米结构。从而充分发挥纳米结构的小尺寸效应、表面效应和界面效应，从而提高涂层、镀层和薄膜制备过程中原子的吸附率、催化率和扩散率。2.相对于传统制膜或制层技术中使用的预处理方法，如化学镀中的酸洗、碱洗和活化工艺，该方法工艺简单、方便实用且无污染，可有效替代制层或制膜工艺的预处理工艺。3.该预处理方法可以改善层基或膜基结合状态，提高层基或膜基结合强度。
图1是未经飞秒激光预处理的激光沉积4340钢化学镀N1-P后，膜基结合处横截面的显微形貌。(a)测试硬度前，(b)测试硬度后。图2(a)和(b)是激光沉积4340钢经飞秒激光预处理层的显微形貌，图2 (C)是预处理层膜基结合处横截面经过硬度测试后的显微形貌。处理工艺参数为:激光重复频率1000kHz，脉冲能量8μ J，扫描速度480mm/s，重复扫描次数120次。图3 (a)和(b)是激光沉积4340钢经飞秒激光预处理层的显微形貌，图3 (C)是预处理层膜基结合处横截面经过硬度测试后的显微形貌。处理工艺参数为:激光重复频率1000kHz，脉冲能量8μ J，扫描速度1200mm/s，重复扫描次数300次。图4(a)和(b)是激光沉积4340钢经飞秒激光预处理层的显微形貌，图4(c)是预处理层膜基结合处横截面经过硬度测试后的显微形貌。处理工艺参数为:激光重复频率500kHz，脉冲能量2 μ J，扫描速度120mm/s，重复扫描次数180次。
具体实施例方式下面结合图1-图4详细说明本发明的实施情况。
实施例一:用砂纸初步打磨激光直接沉积的4340钢；打开飞秒激光器激光器，对4340钢表面进行预处理。具体工艺参数如下:激光重复频率1000kHz，脉冲能量8 μ J，扫描速度480mm/s，重复扫描次数120次。然后不经任何其它预处理，对飞秒激光预处理后的4340钢进行化学镀N1-P实验。金相制样后观察预处理后和化学镀后其横截面结合情况，如图2所示。为便于比较，将未经处理的4340钢进行化学镀来做对比试样，横截面结合情况示于图1。可见，未经处理的4340钢化学镀层与基体结合情况不连续，某些区域未完全结合。经过，硬度测试后，膜基出现分离。图2(a)和(b)所示4340钢经过飞秒激光预处理后，表面形成了很多由平均宽度为279.5nm的近乎平行条纹组成的尺寸不均的微米级圆峰。该处理层化学镀后，经过和未经处理试样相同的硬度测试后，膜基并未分离，说明膜基结合强度得到提高。实施例二:用砂纸初步打磨激光直接沉积的4340钢；打开飞秒激光器激光器，对4340钢表面进行预处理。具体工艺参数如下:激光重复频率1000kHz，脉冲能量8 μ J，扫描速度1200mm/s，重复扫描次数300次。然后不经任何其它预处理，对飞秒激光预处理后的4340钢进行化学镀N1-P实验。金相制样后观察预处理后和化学镀后其横截面结合情况，如图3所示。为便于比较，将未经处理的4340钢进行化学镀来做对比试样，横截面结合情况示于图1。可见，未经处理的4340钢化学镀层与基体结合情况不连续，某些区域未完全结合。经过，硬度测试后，膜基出现分离。图3(a)和(b)所示4340钢经过飞秒激光预处理后，表面形成了很多由平均宽度为370.2nm的近乎平行条纹组成的微米级圆峰，而且圆峰尺寸差别不太大。该处理层化学镀后，经过和未经处理试样相同的硬度测试后，膜基并未分离，说明膜基结合强度得到提高。实施例三:用砂纸初步打磨激光直接沉积的4340钢；打开飞秒激光器激光器，对4340钢表面进行预处理。具体工艺参数如下:激光重复频率500kHz，脉冲能量2 μ J，扫描速度120mm/s，重复扫描次数180次。然后不经任何其它预处理，对飞秒激光预处理后的4340钢进行化学镀N1-P实验。金相制样后观察预处理后和化学镀后其横截面结合情况，如图4所示。为便于比较，将未经处理的4340钢进行化学镀来做对比试样，横截面结合情况示于图1。可见，未经处理的4340钢化学镀层与基体结合情况不连续，某些区域未完全结合。经过，硬度测试后，膜基出现分离。图4(a)和(b)所示4340钢经过飞秒激光预处理后，表面形成了很多由平均宽度为579.2nm的近乎平行条纹组成的微米级微凸圆峰，而且圆峰尺寸差别不太大，凸度也较低。该处理层化学镀后，经过和未经处理试样相同的硬度测试后，膜基并未分离，说明膜基结合强度得到提 高。
权利要求
1.一种改善层基或膜基结合状态的飞秒激光表面预处理方法，其特征在于利用飞秒激光对需要在其表面制备层或者膜的基体进行辐照预处理，在其表面获得自组织生长的长程纳米微结构。
2.根据权利要求1所述的一种改善层基或膜基结合状态的飞秒激光表面预处理方法，其特征在于所述辐照预处理步骤为:将待处理表面用砂纸初步打磨，之后将打磨后的试样放置在工作台上，打开飞秒激光器，利用飞秒激光对试样表面进行辐照；所述的飞秒激光波长为1045nm，脉冲宽度为500fs，光斑尺寸为30-50 μ m,重复频率为500-1000kHz，脉冲能量为2-8 μ J，光强分布为高斯分布，扫描速度为120-2400mm/s，重复扫描次数为30-1200次。
3.根据权利要求1所述的一种改善层基或膜基结合状态的飞秒激光表面预处理方法，其特征在于所述的利用飞秒激光制备的自组织生长的长程微纳米结构包括由基本平行的纳米组织构成的微 米凸起圆峰、或者具有周期性结构的平行微米条痕。
全文摘要
本发明属于飞秒激光技术应用领域，特别涉及一种材料表面飞秒激光预处理的方法。本发明利用利用飞秒激光对需要在其表面制备层或者膜的基体进行辐照预处理，在其表面获得自组织生长的长程纳米微结构。对飞秒激光处理后形成的微纳米表面进行化学镀实验，表明，相对于传统化学镀，该方法省去了酸洗、碱洗和活化等预处理工序，所形成的镀膜与基体的结合强度高于未进行飞秒激光预处理的表面。本发明工艺简单、方便实用且无污染，可有效替代制层或制膜工艺的预处理工艺，改善层基或膜基结合状态，提高层基或膜基结合强度。
文档编号C23C4/18GK103146892SQ20131007259
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者孙桂芳, 周瑞, 张永康, 张满奎, 冯爱新, 王昆, 丁吉 申请人:江苏大学