[发明专利]聚合物涂层在露天环境中的激光碳化

说明书

本发明涉及聚合物涂层在露天环境中的激光碳化。用于使基底上的聚合物涂层选择性碳化的系统包括激光器、存储器和控制器。该存储器存储与具有包含聚合物材料的涂层的基底的至少一个特征相关的数据。该控制器可操作地连接到激光器，并被配置为基于所述数据控制激光器，以使得在露天环境中，激光和聚合物材料之间的相互作用使该涂层的一部分碳化，但是不维持该聚合物材料的燃烧。通过选择性碳化的涂层而产生制品的方法包括控制激光系统以使得激光和在基底上形成涂层的聚合物材料之间的相互作用使该涂层的一部分碳化，但是不维持该聚合物材料在露天环境中的燃烧。

技术领域

本申请要求2017年9月8日提交的名称为“聚合物涂层在露天环境中的激光碳化”的美国临时申请62,556,139的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开内容涉及碳化，特别是聚合物材料涂层的激光碳化。

背景技术

基于碳化聚合物的电子器件对于包括用作电极、电化学传感器和导电触点的多种多样的用途而言已经越来越普及。这可能部分地归因于这样的器件表现出有利的性能，如生物相容性、高电化学性能、化学惰性、机械鲁棒性和大的有效接触表面积。

碳化是通过热解将至少一部分材料转化为碳或含碳残余物的过程。典型的热解过程涉及在惰性环境中使用高温炉。所涉及的高温限制了可用于制造的材料和工艺。由于整个制品放置在炉内，因此该制品的任何特定部分的选择性碳化是极其困难或不可能的。然而，许多器件受益于选择性碳化，如在未碳化和相对惰性的材料层内选择性地形成细丝、导电迹线或感测区域。

选择性碳化的一种方法利用光刻技术。虽然能够通过掩模或图案化而实现选择性碳化，但是这样的光刻技术通常需要洁净室环境，这可能显著增加这类工艺的成本和复杂性。

激光热解作为不需要洁净室环境的选择性碳化技术已经出现。通常，将要选择性碳化的制品放入具有激光系统的密封容器中。激光系统选择性地操作激光，以沿着制品的表面形成碳化路径。在现有系统中，容器的内部保持为惰性环境，以降低燃烧制品材料的风险。在碳化工艺完成后，来自碳化工艺的有害副产物从容器中排出，并取回物品。对于密封容器和惰性环境的需要以及在取回碳化制品之前将容器通风的需要显著增加了通过这类工艺制造制品的时间、费用和复杂性。

基于前述内容，降低燃烧风险的选择性激光碳化方法将是有益的。减少制造时间、费用或复杂性的方法也将是有益的。

发明内容

用于使基底上的聚合物涂层选择性碳化的系统包括激光器、存储器和控制器。存储器存储与具有包含聚合物材料的涂层的基底的至少一个特征相关的数据。控制器可操作地连接到激光器，并被配置为基于所述数据控制激光器，以使得在露天环境中，激光和聚合物材料之间的相互作用使该涂层的一部分碳化，但是不维持聚合物材料的燃烧。

在一些实施方案中，数据包括基底的热特征。控制器被配置为通过基于基底的热特征调谐激光器的至少一个参数而控制激光器。

在一些实施方案中，激光器的至少一个参数包括功率级、移动速度、脉冲宽度和波长中的至少一个。

在一些实施方案中，基底的热特征包括由基底提供的热绝缘。

在一些实施方案中，数据包括涂层的厚度。

在一些实施方案中，控制器被配置为控制激光器，以使得涂层的一部分的厚度整体被碳化。

在一些实施方案中，激光器是光纤激光器。

在一些实施方案中，数据包括聚合物材料的材料组成。

在一些实施方案中，控制器被配置为控制激光器，以使涂层的一部分碳化以具有约97重量％或更高的碳含量。