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超快激光在精密加工及微纳制造领域的广泛应用

2022-11-08

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“快的刀”、“准的尺”、“亮的光”。如今激光在日常生活中已经有诸多应用,例如激光切割、激光测距、激光雷达、激光矫视、激光美容等等。特别是在加工制造领域,相比于传统加工方式,激光快速和精细的优势更为显著。

超快激光


飞秒激光可以高效实现微米级尺寸、特殊形状、精度的加工,材料表面无熔化痕迹,边缘光滑、清洁,无飞溅物。


08:35

应用举例


1)锂离子电池电极材料精密切割;


2)锂离子电池焊具材料的精密刻蚀;


3)血管支架的精密切割;


4)飞机发动机叶片精密打孔;


5)手机面屏的精密切割;


6)陶瓷面板的精密切割与刻蚀;


超快激光:未来精细加工新趋势


快激光与传统激光还是有所区别。传统激光是利用光的热效应对材料进行加工,而快激光采用的超短脉冲激光是利用场效应进行加工,不仅可以达到更高的精度,并且不会对材料表面造成损伤,超短脉冲激光的整个加工过程中理论上不产生热,因此称为“冷加工”。超短脉冲激光另一个特性是瞬时功率非常高,高到可以直接使材料电离,打断材料的分子键。这种瞬时功率可以达到甚至超过全世界电网的平均功率。


由于上述特点,赋予了快激光在精细加工方面的突出优势。不仅可以实现高加工精度,并且由于无损加工,可以达到很高的表面精度和质量。对超硬、耐高温等众多传统方式难以加工的材料也具有极好的适用性,同时可以加工一些极其复杂的微结构。


快激光微纳加工是一种特种超精细加工技术,由于具有极大瞬态功率的超短脉冲光与物质强烈的非线性相互作用,使加工技术适用于各种材料,对于透明介质,可以在其内部制备三维结构。其“特”就表现在可以加工特种材料、可以实现特殊结构和特定的光、电、机械等性能。精密微细、低损低热、三维选择,这些优势,使得快激光微加工在航空航天、生物医疗、信息技术、新能源、新材料等产业日益得到应用。


我国制造业整体呈现出由低端走向高端的趋势,因此快激光每年增长率要比传统激光更高,它代表着未来的一个发展方向。


装备制造业是国民经济发展的基础性产业,制造业的未来趋势必将是智能化、自动化,而以激光、机器人、3D打印、大数据、云计算等新兴技术为核心的智能制造将是未来制造业发展的必然趋势,并将在传统产业的转型升级和结构性调整中扮演十分重要的角色。快激光作为激光微加工2.0的标配利器,在近几年工业界越来越受重视。其特殊的冷加工和非线性吸收机理使得激光加工对材料的适用性大大增强。


超快激光

快激光产业化应用已经越来越广泛,比如半导体行业,电子消费领域等。多种激光技术已经整合进入许多重要的半导体工艺中,受母版推动的包括激光切割、通孔、焊接/接合、剥离、标记、图案形成、测量、沉积。它们广泛用于加工半导体器件,高密度互联(HDI)印刷电路板(PCB),以及集成电路(IC)封装应用等。当前智能手机设计潮流向着全面屏的方向不断演进,屏占比数值明显提升,但是由于前置摄像头、听筒、距离传感器等部件的存在,出现了“刘海屏”、“挖孔屏”等多种异形屏,如何对蓝宝石等硬度高且热脆性的面板材质进行加工,成为考验加工工艺的难题,而快激光加工则可以提供良好的解决方案。


 

包括在食品加工设备、船舰水下部分以及医疗植入物等领域,快激光也被广泛应用于抗菌抑菌表面。微生物粘附在材料表面并生长形成生物被膜(biofilm)的现象,会对人们的生命和财产安全造成威胁。例如,在医疗植入物中,细菌倾向于附着在植入材料上,不仅会导致感染、排斥,严重时甚至会直接导致患者死亡。即使可以通过二次手术对植入材料进行替换,但这不仅会造成医疗资源的浪费,也会给患者的身体和经济上带来压力。


生物被膜一旦形成就难以根除,因此,防止细菌的初始粘附才是解决生物被膜的根本方法。细菌粘附的影响因素有很多,包括细菌和材料的种类、外界环境等,但更重要的是材料表面的化学成分、润湿性、粗糙度和表面形貌等,因此,可以通过对材料表面进行化学改性和物理改性来得到抗菌表面。化学改性有着本质缺点,例如存在潜在毒性和使细菌产生耐药性等。相比而言,对材料表面形貌的物理改性更加根本、长久、环保、生物相容性好。


自然界中一些生物表面具有独特的、有着抗菌效果的微纳结构,例如蝉翅表面的纳米锥结构、蜻蜓翅膀的纳米团簇结构、蛾眼的纳米主结构等,如图1所示。



图1 自然界中的抗菌表面


人们利用仿生学手段,基于上述结构,构建了多种具有良好抗菌性能的微纳结构表面,例如纳米管、纳米线、纳米尖刺等。随着超快激光制备技术的发展,其强大的微米结构制备能力和可以同时诱导出多种纳米结构的能力,使其在众多物理改性方法中脱颖而出,成为制备抗菌表面有效的手段之一。例如,激光诱导周期性表面结构(LIPSS)以及LIPSS与微米沟槽的复合结构等均具有良好的抗菌性能,如图2所示。而这主要是由于细菌粘附在微纳结构表面时,细菌膜由于拉伸作用破裂,导致细菌死亡,从而抑制生物被膜的形成,如图3所示。


图2 快激光制备的抗菌表面



图3 微纳结构抗菌的物理机制


激光在各个行业有很多较强的应用场景,研究发现,物质的表面成分和微观结构能够明显影响界面结合情况。界面处成分相容性好,可以发生化学反应生成界面产物时,界面通过化学键力相结合,能够获得极大的结合强度;相容性不佳时,界面只能依靠粗糙界面的机械咬合作用和分子间作用力结合,结合相对较弱。在物质表面引入微观结构,在两种材料能够充分接触时,能够在增强机械咬合的同时明显增大物质间实际接触面积,从而增强界面结合;而在材料不能接触充分时,将极大地减小实际接触面积,对界面结合起到削弱效果。


图二 表面结构对界面结合的影响


(1)光滑表面物质接触情况;(2)表面结构存在,物质微观充分接触时,实际接触面积更大,界面结合较强;(3)表面结构存在,物质微观接触不良时,实际接触面积更小,存在薄弱部位,界面结合较弱


快激光是一种高效强大的表面制备改性手段,几乎可以作用于所有固体,在微纳结构制备上拥有明显优势。它具有可控改变物质表面成分并同时制备图案化微结构表面的能力,对界面结合能够起到显著的调节效果,是调整界面结合强有力的手段。利用快激光表面改性调控界面间的结合已在焊接、减阻、传热、脱模等多个领域得到充分的研究与应用,具有巨大的潜力,有望得到大规模的普遍应用。



图三 超快激光处理增强界面结合的实例


铜与钨之间因快激光制备得到的表面结构增大了实际接触面积,而有了更强的机械结合强度和更高的导热能力,界面结合强度超过铜基体的拉伸强度



图四 激光制备微结构表面减少界面处材料间的实际接触面积,从而减弱界面结合粘附作用的实例


在目前众多材料制备手段中,快激光作为一种可以快速、可调控地制备精细微纳结构的工具,成为了目前微纳结构的主流方法和热点之一。经快激光刻蚀后,材料表面具有丰富的微米-纳米分级结构。其中微米结构通过“几何陷光”和多次内反射来提高光的吸收,而纳米结构则通过增强等离激元共振来进一步促进吸光。这种微纳复合结构极大地增强了光吸收率,通过将吸收的光转变为电能或热能,可以大幅度地提升材料的光电和光热转变率。



通过一种基于快激光脉冲注入调控的金属表面微米-纳米双尺度复合结构双级调控制备新方法,通过对快激光加工过程中脉冲注入数量和注入方式的灵巧控制,实现了对微米尺度结构和纳米尺度结构的分别有效调控,从而可以同时发挥微米尺度结构的几何陷光效应和纳米尺度结构的等效介质效应,终达到优异的高效抗反射性能。该方法对于Cu、Ti、W等多种金属均有效,可在其表面分别获得1.4%,0.29%,2.5%的已知低金属表面反射率,是一种在金属表面可控构建微纳米复合功能结构的通用方法。


表面微纳米复合结构在抗反射、自清洁、高效催化等领域具有重要应用,而表面微纳米结构的可控制备是其中的核心问题。快激光加工作为一种微纳米制造方法,已为人们所熟知,并在微米尺度结构的高效灵活可控加工方面具有突出优势,但其所形成的纳米结构多为微米结构加工过程中诱导而成,无法对其进行有效的控制。其他纳米制造手段,如电子束光刻、化学合成等,虽然可以形成可控的纳米结构,但无法有效构建出微纳米复合的结构特征。本应用方法,打破了之前快激光只能可控加工微米尺度结构的限制,在微米-纳米双尺度结构的双级分别可控制备方面迈出扎实一步,为表面微纳米复合功能结构的有效构建提供了新的思路和方法。





“以高科技技术为驱动力,在快激光与纳米新材料应用领域深耕挖掘,将创造良好的社会效益和经济价值,愿为中国向高端制造转型提供技术支持和保障。


拥有自行研发的国际领先的专利技术,已获批与申请18项目发明专利,形成50多项专门诀窍,构成系统自主知识产权,产生重要国际影响,形成了强大的技术储备、知识产权储备和综合实力。“镭纳激光”基于一系列核心技术,开拓消费电子、检测、航天航空、医疗、新能源、安防、汽车等众多行业的产业应用。


首席科学家为国际知名的激光加工专家,拥有国际和国内行业资源,目前已与国际国内知名合作机构建立了12个快激光联合实验室,实现软硬件的强强联合,共同致力于快激光的工业化前沿创造应用与市场发展。


拥有国际一流的快激光装备(百瓦级高功率三波长飞秒激光器、百瓦级高功率皮秒激光器、绿光和紫外皮秒激光器、多种纳秒激光器),配套数控精密加工系统,拥有20多年宏观激光加工和微纳米精密激光加工研究积累,具有强大的快激光精密加工实力,承接快激光精密加工对外技术服务,包括激光表面微纳结构化(超疏水)、激光精密加工、激光精密钻孔、激光精密切割、激光精密焊接、激光烧蚀成形(激光精密雕刻)、激光精密清洗和激光精密抛光等业务。


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