激光透射连接PET薄膜与镀钛玻璃基片的工艺研究与数值模拟

摘要

在生物医学领域,用于治疗人体各种疾病的生物植入体必需利用生物相容性的材料进行连接与封装以适应人体内复杂的生理环境。激光透射连接技术作为异种生物相容性材料连接中的一种新型连接技术,已经成为当前国内外的一个研究热点。
　　 本文选择具有生物相容性的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜与镀钛薄膜的高硼硅酸盐玻璃片作为试验材料。采用基于统计方法的试验设计和数值模拟相结合的方法,针对0.1mmPET薄膜与0.5mm镀钛玻璃基片之间的激光透射连接工艺进行了系统的研究。
　　 首先,应用振镜扫描激光连接系统,采用单因素工艺和基于试验设计的响应曲面法对激光透射连接PET薄膜与镀钛玻璃基片的连接工艺进行了研究。通过单因素工艺研究了激光功率、扫描速度和镀钛薄膜的厚度等主要工艺参数对连接宽度与连接强度的影响,探讨了玻璃基片的表面粗糙度对镀钛薄膜的粗糙度以及其连接强度的影响,得到了激光透射连接PET薄膜和镀钛玻璃之间的工艺参数窗口,确定了激光透射连接PET薄膜和镀钛玻璃基片之间合理的工艺参数范围;通过响应曲面法建立主要工艺参数与连接强度和连接宽度之间的数学模型,采用方差分析方法研究主要的工艺参数以及它们之间的相互作用对连接质量的影响,采用数值优化方法对主要的工艺参数进行了优化,从而为提高激光透射连接PET薄膜与镀钛玻璃的连接质量提供了保障。
　　 其次,使用光学显微镜对不同的工艺参数情况下的连接接头形貌进行观测并进行宽度测量,使用光学轮廓仪对玻璃镀钛薄膜的厚度与粗糙度进行测量,使用真彩共聚焦材料显微镜对拉伸失效后的表面进行观测和失效分析,使用X射线光电子能谱对PET与镀钛玻璃接触界面进行化学键分析,发现在PET与镀钛玻璃连接界面处有Ti-C和Ti-O化学键的存在。从而在化学反应原理上揭示形成高质量的激光透射连接奠定理论基础。
　　 最后,采用商业化软件ABAQUS建立了三维热传导有限元模型,通过子程序DFLUX和FORTRAN语言编程实现超高斯型热源的动态加载,有限元分析得到激光透射连接过程中温度场的分布,并分析了主要工艺参数激光功率、扫描速度对连接强度与连接宽度的影响,分析得到不同工艺参数组合下的连接宽度。与试验结果进行对比,发现两者趋势比较吻合,证明了有限元模型的可靠性,为通过有限元分析方法进行工艺参数的优化奠定了基础。本文研究为激光透射连接PET薄膜与镀钛玻璃在生物医学植入体中的应用奠定了基础。