[发明专利]一种激光冲击压电陶瓷定域微细电沉积的装置及方法

说明书

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。

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；