[发明专利]激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种制备表面结构化镀层的方法及其装置，特别是一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置。

技术背景

随着科学技术及人类社会的发展，摩擦学材料的服役条件越来越极端化、复杂化，这对材料的耐磨性、减摩性等提出了越来越高的要求。在传统摩擦学材料的基础上，通过表面工程技术研发，表面减摩耐磨镀层为优化机械系统摩擦学性能、解决材料磨损提供了一条有效、也是极具生命力的方案和途径。

金属电沉积是制备复合镀层最有效的方法——它是将一种或数种不溶性的固体惰性颗粒、纤维等均匀地夹杂到金属沉积层中所形成的特殊表面层。其主要成分为：通过阴极还原得到的基质金属（由其形成均匀连续相)与不溶性固体微粒（不连续地分散在基质金属中)，这种复合材料具有基质金属与不溶性固体微粒两类物质的综合性能。采用电沉积方法获得复合材料镀层，工艺设备简单、耗能少，而且不改变基体金属的性能和外形尺寸。

目前，利用材料表面结构化技术实现材料减摩抗磨的研究才刚刚起步。例如，通过仿生的方法，采用YAG 纳秒激光器对材料表面进行织构处理，实现了织构表面更好的摩擦学性能。

发明内容

本发明的目的是要提供一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法及其装置，解决现有表面镀层技术存在的强度低、组织松散、与基体结合性能差的问题。

本发明的目的是这样实现的：制备微织构的方法，采用脉冲激光光刻技术对预先旋涂了光刻胶的金属材料表面进行光刻，然后浸入显影液中除去曝光的光刻胶，继而采用电化学沉积技术对材料表面进行复合镀层的可控电沉积，最后再清除未被曝光的光刻胶，在金属材料表面得到带有规则微观织构的表面复合镀层，实现表面摩擦学性能的最大化；

具体步骤如下：

1、             前期准备：准备材料样品及相关器材，建立所用脉冲激光光刻系统装置和电化学沉积装置；衬底材料表面光刻胶的旋涂：匀胶机进行旋涂、烘干，在70~110℃下烘干20min；调配电沉积所需的溶液，药品：硫酸镍200~300 g/L、硫酸钴20~50 g/L、氯化镍30~50 g/L、硼酸25~45g/L、去离子水作为溶剂； 

2、             激光光刻：调节激光的平均功率，范围在设在5~100mW，设定光闸的开闭，通过计算机控制移动平台，使激光在样品表面形成干涉条纹；关闭脉冲激光系统，取出样品，在80~100℃下烘干20min；

3、             显影：将样品放入显影液中，当光刻胶上曝光的部分被显影液溶解后，取出样品，以去离子水冲洗净显影液，自然干燥；

4、             电化学沉积：设定电化学工作站的各项参数，采用周期换向脉冲电沉积的工作模式，设定正反向脉冲工作时间5ms~1s、频率0~200Hz、电流密度10~50mA/cm²、工作比1~10，保持适宜的镀液温度30°C~60°C、ph值3~5、搅拌速度30~90r/min；

5、后处理：关闭电化学工作站，取出样品，以去离子水冲洗样品，自然干燥；然后放入有机溶液中除去未曝光的光刻胶，再以去离子水冲洗样品，自然干燥，得到最终样品。

现实制备方法的装置为脉冲激光光刻系统和电化学沉积装置，所述的激光光刻系统由脉冲激光模块、光路传输模块和三维移动模块依次顺序连接；

所述的脉冲激光模块由脉冲激光器和控制器组成，控制器与脉冲激光器连接，脉冲激光器输出到达全反镜；控制器的输出功率在零和最大功率范围内连续调节；脉冲激光器采用氟化氩，氟化氩产生的波长为193nm的紫外冷激光，重复频率50HZ，平均功率6W，脉宽17ns；

所述的光路传输模块由全反镜、扩束镜、分束镜和光闸依次顺序连接，光闸的缴光束输出至三维平台； 

所述的三维移动模块包括三维移动平台、步进电机和计算机，三维移动平台、步进电机和计算机依次顺序连接。

所述的电化学沉积装置主要由计算机、电化学工作站、阳电极、阴电极、烧杯、磁力搅拌加热装置、连接组成；计算机与电化学工作站连接，电化学工作站的阳电极和阴电极的输出端分别与阳电极和阴电极连接，阳电极和阴电极插入至烧杯中，烧杯置于磁力搅拌加热装置中，在烧杯内有磁力转子。

有益效果，由于采用了上述方案，首先建立脉冲激光光刻系统装置，按照脉冲激光模块、光路传输模块、三维移动模块依次连接。其中，光路传输模块按照全反镜、扩束镜、分束镜、光闸的顺序依次连接。