一种激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的装置及方法

摘要

本发明公开了一种激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的装置及方法，涉及激光制造领域，该装置包括工件加工系统，激光辐照系统，工作液循环系统和控制系统；该方法通过激光击穿溶液产生等离子体气泡冲击压电陶瓷表面，从而导致压电陶瓷在形变处产生电荷聚集，利用压电陶瓷的压电效应进行定域微细电沉积。由于激光焦点处的能量密度高，激光击穿溶液产生等离子体气泡，压电陶瓷被激光产生的等离子体气泡冲击产生弹性形变导致极化，压电陶瓷产生变形后，会在表面聚集负电荷，形变区域会产生负电荷聚集且电势变低，溶液中的金属阳离子被吸附还原以实现高定域性的微细沉积。本发明主要用于微纳零件的制造。

说明书

技术领域

本发明涉及特种加工技术中定域微细加工领域，特指一种激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的方法和装置，适用于微小金属零件的加工和制造。

背景技术

微细电沉积技术是基于阴极沉积原理的增材制造技术，加工过程以金属离子在阴极表面发生还原反应的形式进行。在电化学制造过程中，材料的转移是以离子尺度进行，金属离子的尺寸在十分之一纳米甚至更小，因此电化学制造技术使得它在微细制造领域、以至于纳米制造领域有着很大的发展潜能。虽然电化学加工在原理上具有优势，但是它的另一特点定域性差，带来的问题必须加以解决。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。当压电陶瓷受外力作用产生形变时，变形部位将会产生电极化，聚集一定的负电荷。可以利用这种压电效应吸附电沉积溶液中的金属阳离子发生还原反应，实现增材制造。

国内外利用激光在非导体基体表面诱导化学沉积金属的研究颇多，中国专利“激光诱导液相沉积制作印制板导电线路的工艺方法”，专利号为CN1377220A提出：将环氧树脂、聚醯亚胺、陶瓷、P型硅等非导电基体放入盛有可溶性金属盐：铜盐、镍盐、金盐等的水溶液的液槽中，运用CO₂激光器，从其正面进行照射扫描，可在环氧树脂等非导电基板表面沉积出具有催化活性的结晶中心，再将基板放入碱性化学镀铜液中进行化学镀，获得均匀致密的铜导电图案。中国专利“一种液相脉冲激光诱导制备纳米晶二氧化钛薄膜的方法”，专利号为CN101712450A提出：将衬底基片浸泡在TiCl₄溶液中，利用脉冲激光诱导合成纳米晶二氧化钛，之后静置24～72小时，可以较低成本地制备出性能优良的二氧化钛薄膜。

激光诱导化学沉积有其一定的优异性，但往往操作流程复杂，工序繁多。将压电陶瓷作为沉积基底，利用其特殊的压电效应，配合激光冲击，可以方便有效地实现定域微细沉积。

发明内容

本发明的目的是提出一种激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的装置，提供一套完整的加工平台，实现复杂图形的沉积，也可沉积多种金属如铜、镍等。

本发明的另一目的是提出一种激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的方法，将压电陶瓷置于电沉积溶液中，利用脉冲激光击穿溶液产生高温高压的等离子体，等离子体膨胀产生冲击波使压电陶瓷表面产生弹性变形，压电陶瓷在变形部位将聚集一定的负电荷，吸附溶液中的金属阳离子。由于脉冲电源提供了电压，使得溶液与压电陶瓷变形处产生电势差，金属阳离子将会在该处发生还原反应。所用激光器为脉冲激光，“冲击-变形-沉积-恢复-再冲击”，如此循环往复，通过三维平台的运动沉积复杂图形，实现微细定域沉积的目的。

一种激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的装置，包括工件加工系统，激光辐照系统，工作液循环系统和控制系统：

所述工件加工系统包括x-y-z三轴工作台、直流脉冲电源、示波器、工作槽、压电陶瓷基板和阳极工具；所述示波器与直流脉冲电源相连；所述阳极工具与直流脉冲电源正极相连，所述直流脉冲电源负极接地，所述压电陶瓷基板和阳极工具均置于工作槽中，且阳极工具置于压电陶瓷基板的上方，阳极工具上开设有孔；所述工作槽置于x-y-z三轴工作台上；

所述激光辐照系统包括脉冲激光器、反射镜和聚焦透镜；所述脉冲激光器发出的激光束经过45°设置的反射镜反射后经聚焦透镜聚焦后经阳极工具上开设的孔照射到压电陶瓷基板上；

所述工作液循环系统包括储液槽、微型泵、过滤器和溢流阀；所述微型泵输入端接储液槽，输出端通过管道接工作槽，所述过滤器与溢流阀串联，且过滤器的输入端通过管道与工作槽相通；

所述控制系统包括计算机和运动控制卡；所述计算机控制脉冲激光器、直流脉冲电源和运动控制卡，所述运动控制卡控制x-y-z三轴工作台。

进一步的，所述压电陶瓷基板极化方向为竖直方向，并具有高压电常数和居里点温度，极化后去除导电电极金属。

进一步的，所述阳极工具为钻有通孔的难溶惰性金属板，上下表面均做绝缘处理，通孔内壁导电，通孔直径1～5mm，与激光传输路径同轴。

一种激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的方法，具体步骤如下：

步骤一)根据加工图形编程，并输入到计算机控制软件中；

步骤二)将压电陶瓷基板固定在工作槽中，阳极工具接直流脉冲电源正极并置于工作槽中，直流脉冲电源负极接地；

步骤三)将工作槽置于x-y-z三轴工作台上，调节x-y-z三轴工作台高度，使激光聚焦于压电陶瓷基板上方；

步骤四)加入沉积液，使压电陶瓷基板和阳极工具全部浸入沉积液中；

步骤五)开启微型泵进行循环换液，保证工作槽中溶液的浓度均匀；

步骤六)开启脉冲激光器，同时根据所编代码通过运动控制卡控制x-y-z三轴工作台运动以沉积所需形状。

进一步的，所述沉积液液面高于压电陶瓷基板2～5mm，沉积液温度保持在40～50℃。

进一步的，所述脉冲激光器激光焦点应聚焦于压电陶瓷基板上方0.2～1mm，脉冲激光器发出的激光功率密度略大于沉积液击穿阈值，频率10Hz～0.4MHz。

进一步的，所述直流脉冲电源提供的电压为0～10V可调，占空比为0～80％，频率与激光参数一致。

进一步的，所述微型泵工作压力小于2bar，流速小于0.5L/min，溶液流动对于沉积液液面扰动极小。

本发明的技术优势和有益效果如下：

1.脉冲激光击穿溶液产生的等离子热力作用冲击压电陶瓷，利用压电陶瓷的变形产生压电效应吸附金属离子发生还原反应，实现金属零件的定域微细沉积，有效解决了微细沉积技术定域性差的问题；

2.相对于其他激光诱导金属结晶化学沉积，省去了前期表面粗化、敏化等复杂的工艺流程，操作简单。沉积的定域性与激光参数以及聚焦位置有关，工艺参数可控性强。

3.所用沉积液可继续回收利用，利用激光引导金属微细沉积，整个加工过程绿色无污染，且成本较低。

附图说明

图1是激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的系统图；

图2是激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的加工原理图。

附图标记如下：

1.计算机 2.直流脉冲电源 3.示波器 4.运动控制卡 5.反射镜 6.脉冲激光器 7.聚焦透镜 8.压电陶瓷基板 9.阳极工具 10.工作槽 11.微型泵 12.过滤器 13.储液槽 14.溢流阀 15.x-y-z三轴工作台 16.电场线 17.等离子体气泡 18.等离子体冲击波 19.金属阳离子。

具体实施方式

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。

结合附图1，计算机1与激光器6、直流脉冲电源2、运动控制卡4相连，计算机1可控制脉冲激光器6的激光参数和直流脉冲电源2电源参数，还可将所编代码传输到运动控制卡4。示波器3与直流脉冲电源2相连，实时监测电流参数；工作槽10置于x-y-z三轴工作台15上，压电陶瓷基板8和阳极工具9都置于工作槽10中；激光束从激光器6发射，经反射镜5反射改变传输方向，再经过聚焦透镜7聚焦穿过阳极工具9的通孔聚焦于压电陶瓷8上方。运动控制卡4控制x-y-z三轴工作台15的运动轨迹已实现不同图形的沉积；沉积液储存于储液槽13中，由微型泵11提供动力将沉积液从储液槽13输送到工作槽10中，沉积液又经过滤器12和溢流阀14回流到储液槽13中实现循环。

结合附图2所示，激光聚焦于压电陶瓷基板8上方，当溶液发生光学击穿被电离会产生高温高压的等离子体气泡17，等离子体向外膨胀产生等离子体冲击波18，该冲击波压力可达几十至几百兆帕，冲击波到达压电陶瓷基板8表面时足以使压电陶瓷基板8在被冲击区域产生形变。压电陶瓷基板8产生形变后，内部晶体发生变化，负电荷聚集于形变区域，吸附溶液中金属阳离子19。由于该处负电荷聚集，电势较低，溶液电势较高，所以金属离子易于在此处发生还原反应。阳极工具9上下表面都做了绝缘处理，只有通孔内壁导电，形成的电场较为集中，有益于增强沉积的定域性。当冲击波消失后，压电陶瓷基板8恢复原来形状，当下一个脉冲激光发射时，压电陶瓷基板8又再次变形，金属离子再次沉积；以此往复，从而沉积出所需要的金属层。

本发明具体实施方法如下：

步骤一)将压电陶瓷基板8固定在工作槽10中；

步骤二)利用软件编写控制代码，以保证得到想要的图形，编写代码时应注意采用较小的运动加速度，防止溶液晃动影响加工效果；

步骤三)配置电化学沉积液。选择电沉积的镀液种类，用纯净蒸馏水配置溶液，并加入少量能显著改善镀层性能和沉积速度的添加剂，包括能促进阳极活化的阳极活化剂，以提高阳极开始钝化的电流密度，从而保证阳极处于活化状态而能正常地溶解；能提高沉积层材料质量的光亮剂、整平剂等；以及用于提高电铸液导电性的碱金属或碱土金属盐类；

步骤四)将工作槽10置于x-y-z三轴工作台15上，通过调节x-y-z三轴工作台15上z轴高度，使得激光焦点位于压电陶瓷基板8上方0.2～1mm，如果焦点处距离压电陶瓷基板8太近，压电陶瓷基板8容易被刻蚀，且温度超过压电陶瓷基板的居里点温度，压电陶瓷基板8会失效，如果距离太远，难以使压电陶瓷基板8产生局部形变，不能保证定域性；

步骤五)将阳极工具9接直流脉冲电源2正极，固定在压电陶瓷基板8上方，使激光恰好能从阳极工具9通孔中穿过，由于阳极工具9上下表面都被绝缘处理，只有通孔内壁导电，电场集中，有益于提高沉积的定域性；

步骤六)加入沉积液，使沉积液液面高于压电陶瓷基板8的2～5mm，如果液面太低，溶液易飞溅，冲击力难以输送到压电陶瓷基板8上，如果液面太高，大量激光能量在传输过程中被溶液吸收，效率较低；通过计算机调节激光参数和直流脉冲电源2参数，电压大小为0～10V可调，占空比为0～80％频率与激光参数一致，示波器3与直流脉冲电源2相连，实时监测电源参数，确保加工过程中电源的稳定性；将所编代码输入到运动控制卡4的控制软件；开启微型泵13，使沉积液开始循环；利用计算机1同时开启脉冲激光器6、直流脉冲电源2以及运动控制卡4，x-y-z三轴工作台15开始运动，沉积所需图形。

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。