孔令瑞，張 菲，段 軍，羅瑞峰，曾曉雁

(華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

引 言

氧化鋁陶瓷是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的陶瓷材料之一，在生物、電子等領(lǐng)域已成為不可或缺的材料［1-2］。然而，氧化鋁陶瓷存在著抗熱震性差和斷裂韌性低的缺點(diǎn)［3］，這使其在傳統(tǒng)機(jī)械加工中遇到較大困難。傳統(tǒng)的車(chē)削、銑削等加工方式無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代科技對(duì)高精密復(fù)雜零件的加工要求。機(jī)械方法對(duì)氧化鋁陶瓷的切割、打孔等都被限制在直線型、較大尺寸以及簡(jiǎn)單圖形等的加工，這限制了氧化鋁陶瓷在微納制造領(lǐng)域的應(yīng)用。目前除了機(jī)械刻蝕加工的方法外，還有電火花加工、超聲波加工等方法。然而，陶瓷材料的電火花加工技術(shù)難度遠(yuǎn)大于一般金屬材料，因?yàn)樘沾刹牧暇哂休^大的電阻率，超出電火花可加工范圍。超聲加工則存在效率低和工具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題［4］。近年來(lái)，隨著激光器件和加工技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到各種金屬和非金屬板材的加工，應(yīng)用規(guī)模也迅速擴(kuò)展，解決了許多傳統(tǒng)切削加工無(wú)法解決的問(wèn)題［5］。紫外激光由于其波長(zhǎng)短、光子能量大，易獲得較小聚焦光斑，可以直接破壞被加工聚合物材料的化學(xué)鍵來(lái)達(dá)到精微加工目的，實(shí)現(xiàn)“冷加工”的過(guò)程，因此在精密切割和微加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［6］。然而紫外激光也不能完全避免熱效應(yīng)的存在，陶瓷在受到高功率激光輻照后會(huì)出現(xiàn)由于氧化或者相變?cè)斐傻陌l(fā)黑、變質(zhì)層積累的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響微加工的質(zhì)量和精度。而水下輔助激光加工由于水的流動(dòng)作用和隔絕空氣的作用對(duì)激光作用結(jié)果在一定程度上可以產(chǎn)生積極的影響。曾經(jīng)有學(xué)者對(duì)水下激光切割陶瓷、硅片等做過(guò)一些理論上的研究，在一定的條件下有助于提高切割質(zhì)量［7-8］。目前對(duì)于水輔助激光刻蝕陶瓷方面的研究較少。作者在前人利用激光加工陶瓷材料的基礎(chǔ)上，采用紫外激光在水下進(jìn)行了氧化鋁陶瓷的表面刻蝕方面的研究，對(duì)比了在水下與在空氣中刻蝕加工的結(jié)果，研究了激光參量對(duì)水下刻蝕的影響因素。

1 水下激光傳輸特性

圖1是純凈水對(duì)不同波長(zhǎng)激光吸收的曲線［9］。橫坐標(biāo)為激光的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為吸收長(zhǎng)度，吸收長(zhǎng)度即激光被完全吸收所穿過(guò)的溶液長(zhǎng)度。

Fig.1 Absorption curve with different wavelength laser of pure water

當(dāng)激光射入水中時(shí)，水會(huì)吸收一部分激光而造成其能量的衰減，這可以由Lambert-Beer定律計(jì)算得到［10］:

式中，I0(λ)為傳輸前的激光初始輻照度，Ix(λ)為在液體中傳輸路程為x后的激光輻照度;μ(λ)為光束衰減系數(shù)，表示激光傳輸1m距離后能量衰減的對(duì)數(shù)值(自然對(duì)數(shù))，單位是 m－1。Δ =1/μ(λ)，Δ 為激光在溶液中的吸收長(zhǎng)度，即激光被完全吸收穿過(guò)的溶液長(zhǎng)度，則Beer-Lambert法則還可寫(xiě)為:

由(2)式可以方便地估算出不同水深激光的衰減比例。從圖1中可以看出，對(duì)不同波長(zhǎng)的激光，水的吸收長(zhǎng)度Δ不同。對(duì)355nm紫外光的吸收長(zhǎng)度約為5m，本文中采用的水深為5mm，此時(shí)紫外激光被吸收了約0.1%。相對(duì)于其它多數(shù)波長(zhǎng)水對(duì)紫外激光的吸收率較小，因此紫外激光較適合做水下激光加工的光源。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用的激光加工設(shè)備為多功能紫外激光微加工系統(tǒng)。紫外激光加工系統(tǒng)主要由激光器、冷卻系統(tǒng)、紫外光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、CCD定位系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成。激光器是美國(guó)OPTOWAVE(光波)公司的AWave355系列355nm三倍頻全固態(tài)調(diào)Q紫外激光器，可以輸出納秒脈沖或者連續(xù)紫外波長(zhǎng)，激光光斑為T(mén)EM00模式，光束質(zhì)量因子M2＜1.1。激光平均功率為0 W～10W，脈沖寬度為10ns～40ns，重復(fù)頻率為10kHz～100kHz，出口光斑0.85mm，經(jīng)透鏡聚焦后的焦點(diǎn)光斑直徑約為10μm。使用振鏡掃描配合加工平臺(tái)X-Y-Z 3維運(yùn)動(dòng)方式，加工平面尺寸可達(dá)460mm×310mm。加工系統(tǒng)示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中所用材料為含氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.96的陶瓷片，厚度為0.5mm，導(dǎo)熱系數(shù)為25W/(m·K)，絕緣強(qiáng)度為12kV/mm。

Fig.2 Schematic diagram of laser machining system

2.2 實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容與方案

實(shí)驗(yàn)主要研究在空氣中與水中刻蝕加工后氧化鋁陶瓷片的表面形貌以及激光主要參量對(duì)水下和空氣中刻蝕深度和質(zhì)量的影響規(guī)律。刻蝕圖形為1mm×0.5mm的矩形槽，采用線填充掃描加工，填充掃描線間距固定為5μm，激光聚焦平面位于氧化鋁陶瓷片表面上。在空氣中加工只需將氧化鋁陶瓷樣品放在加工平臺(tái)上直接按設(shè)定參量進(jìn)行加工，如圖3a所示。而水輔助刻蝕加工需要燒杯及固定裝置，加工樣品放置如圖3b所示。刻蝕結(jié)果采用Dektak150探針式臺(tái)階儀進(jìn)行檢測(cè)，得出刻蝕深度以及粗糙度數(shù)據(jù)信息。采用維視圖像光電成像顯微鏡和Quanta 200掃描電子顯微鏡進(jìn)行刻蝕區(qū)域表面微觀形貌的觀察與分析。

Fig.3 Schematic diagram of laser etching in air and In water a—in air b—in water

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig.4 Effect of laser parameters on the etching depth D

本文中分別對(duì)激光刻蝕參量在水下和空氣中刻蝕氧化鋁陶瓷的深度影響規(guī)律進(jìn)行了研究(如圖4所示)。主要的研究的參量有:水下光程、激光的脈沖能量密度、重復(fù)頻率和掃描速率。實(shí)驗(yàn)中研究水下與空氣中加工對(duì)比時(shí)保證除了水的因素外其它參量完全一致。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的參量變化范圍如下:水下光程為2mm～12mm;激光重復(fù)頻率為30kHz～100kHz;激光脈沖能量密度為 48.0J/cm2～85.5J/cm2;激光掃描速率為40mm/s～180mm/s。得到的數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

由圖4a可知，在激光脈沖能量密度為78.5J/cm2、掃描速率為100mm/s和頻率為60kHz的條件下，刻蝕深度隨著水下光程的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樗畬?duì)激光的吸收作用所致。由第一部分的介紹可知，水下光程越大，激光損耗越大，而且水的散射作用也更加明顯，因此刻蝕去除便會(huì)降低。當(dāng)水下光程為5mm不變時(shí)，無(wú)論水下和空氣中，激光刻蝕深度隨著激光脈沖能量密度的增加而增加(見(jiàn)圖4b)，隨著激光重復(fù)頻率的上升而下降(見(jiàn)圖4c)，隨著掃描速率的增加而下降(見(jiàn)圖4c)。顯然，激光脈沖能量密度的增加會(huì)使材料的去除率增加，而重復(fù)頻率增加會(huì)使激光的峰值功率下降導(dǎo)致刻蝕深度下降緣故，掃描速率的增加造成材料表面單位面積作用的激光脈沖數(shù)下降，去除效率也會(huì)下降。從對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的激光刻蝕參量條件下，水下刻蝕的深度要比在空氣中刻蝕要大，如圖4b～圖4d中曲線對(duì)比所示。

Fig.5 Micrograph of etched samples

Fig.6 Scanning electron microscope picture of etched samples

利用顯微鏡和掃描電鏡分別對(duì)空氣中和水中的刻蝕樣品進(jìn)行微觀形貌觀察，二者的對(duì)比照片如圖5和圖6所示。圖5中分別給出激光脈沖能量密度78.5J/cm2、掃描速率 100mm/s和頻率 60kHz 條件下，在空氣中(見(jiàn)圖5a)和在水深5mm(見(jiàn)圖5b)時(shí)進(jìn)行激光刻蝕氧化鋁陶瓷結(jié)果顯微照片。從圖5a中可以明顯地發(fā)現(xiàn)加工區(qū)域出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，且有較嚴(yán)重的殘?jiān)啬龑印６趫D5b中則基本上沒(méi)有變色和殘?jiān)啬F(xiàn)象。

圖6為空氣中和水下激光刻蝕樣品的掃描電鏡照片。在圖6a中可以明顯地發(fā)現(xiàn)刻蝕底面較為粗糙，刻蝕痕跡明顯，有較多的殘?jiān)啬龑?。而在圖6b中的刻蝕底表面相對(duì)平整，無(wú)明顯刻蝕痕跡和殘?jiān)啬龑?。?duì)圖6中樣品分別進(jìn)行粗糙度的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，空氣中直接刻蝕后陶瓷表面平均粗糙度為7.53μm，而水下刻蝕的平均粗糙度為3.25μm。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 激光刻蝕氧化鋁陶瓷機(jī)理分析

激光加工中材料的去除機(jī)制隨著激光波長(zhǎng)的不同而有所不同。當(dāng)激光波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，由于光子能量較低，與材料相互作用機(jī)理是光熱作用，材料吸收激光光子能量后轉(zhuǎn)化為熱能而被熔化甚至汽化，通過(guò)激光脈沖本身壓力和材料汽化蒸發(fā)產(chǎn)生的反作用力來(lái)達(dá)到去除的目的。當(dāng)激光波長(zhǎng)較短時(shí)，在一定的條件下可以發(fā)生光化學(xué)作用。當(dāng)光化學(xué)作用發(fā)生時(shí)，材料被去除機(jī)制是由激光直接破壞材料結(jié)合的分子鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于氧化鋁陶瓷來(lái)說(shuō)，其分子鍵為共價(jià)鍵，鍵能值約為9.1eV，屬于絕緣體材料，而355nm紫外激光所放出的光子能量可由下式得出:

式中，E為單光子能量，h為普朗克常數(shù)，c為光在真空中的傳播速度，λ為激光的波長(zhǎng)，ν為激光的頻率。將紫外激光波長(zhǎng)355nm代入(3)式可知，紫外激光光子能量約為3.5eV。顯然，紫外激光單光子能量小于氧化鋁陶瓷的分子鍵能，不能直接破壞材料結(jié)合的分子鍵，理論上單個(gè)光子是不能發(fā)生光化學(xué)作用的。但BRANNON指出［11］，寬能帶的材料可能因?yàn)椴牧蠐诫s和自身缺陷的存在，在原來(lái)無(wú)法停留電子的能帶中產(chǎn)生新的能帶結(jié)構(gòu)。這種新的能帶一般出現(xiàn)在靠近常規(guī)能帶的中間位值。其作用就如同在單晶硅中摻雜硼或磷充當(dāng)受體，來(lái)幫助價(jià)電子吸收光子能量，從而激發(fā)到存在能帶中的“缺陷能帶”中做短暫停留，隨即再吸收第2個(gè)光子的能量，然后躍遷到導(dǎo)帶。這種因?yàn)槲諆蓚€(gè)以上的光子能量才能發(fā)生的反應(yīng)，稱為“多光子吸收”。在多光子吸收過(guò)程中，材料分子必須同時(shí)或連續(xù)吸收多個(gè)光子才能發(fā)生斷裂。通常多光子現(xiàn)象是觀察不到的，只有當(dāng)激光脈沖的功率密度足夠大時(shí)(I＞106W/cm2)，才可能出現(xiàn)比較明顯的多光子吸收現(xiàn)象［12］。本文中使用的紫外激光器功率可達(dá)10W，其光斑直徑約為10μm，其平均最大脈沖功率密度可達(dá)1.3×107W/cm2，峰值功率密度還要更高。故當(dāng)紫外激光作用于氧化鋁陶瓷表面時(shí)，滿足產(chǎn)生多光子吸收條件，可以發(fā)生光化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)材料的去蝕。

3.2 水輔助激光刻蝕與空氣中直接刻蝕對(duì)比分析

通過(guò)前面分析可知，紫外激光可以通過(guò)“多光子吸收”產(chǎn)生光化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)材料的去除。然而在實(shí)際加工過(guò)程中，由于高功率密度激光的照射，在空氣中直接刻蝕時(shí)材料表面的溫度迅速升高，材料發(fā)生熔化或者氣化，此時(shí)材料主要實(shí)現(xiàn)的是光熱作用去除。有研究指出，氧化鋁陶瓷材料在2050K～2980K的熔化過(guò)程會(huì)引起氧化鋁陶瓷的晶相變化，形成黑色的變質(zhì)層，并通過(guò)晶相分析可知，黑色變質(zhì)層以α-Al2O3和γ-Al2O3混合相為主［13］。因此在空氣中直接加工氧化鋁陶瓷會(huì)由于陶瓷相變而產(chǎn)生發(fā)黑變質(zhì)的現(xiàn)象，并且重凝層較為明顯，如圖5a所示。在水下進(jìn)行刻蝕加工時(shí)，由物理學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，水的比熱遠(yuǎn)大于陶瓷材料，因此，水下加工時(shí)由于水的冷卻作用而使陶瓷材料表面的溫度很難達(dá)到其熔點(diǎn)，此時(shí)材料的去除方式應(yīng)以光化學(xué)作用去除為主。此外，由于陶瓷在較低的溫度時(shí)難以發(fā)生相變，因而發(fā)黑變質(zhì)現(xiàn)象也就可以避免(見(jiàn)圖5b)。同時(shí)，當(dāng)激光在水下與材料相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“空泡”這一物理現(xiàn)象。如果空泡周?chē)嬖诠腆w壁面，那么在潰滅階段還會(huì)形成指向靶面的高速射流。該高速射流所產(chǎn)生的沖擊力往往可達(dá)到兆帕的數(shù)量級(jí)［14］。由于空泡的產(chǎn)生與破裂，形成對(duì)材料基體的強(qiáng)沖擊作用，使因激光作用去蝕的材料迅速脫離，因此，提高了激光刻蝕深度，并且由于水的阻礙作用使去蝕后的材料無(wú)法重新黏附在基體表面，這樣既保證了刻蝕后的陶瓷表面不受殘?jiān)啬挠绊?，又可以加快材料的去蝕速率。

4 結(jié)論

(1)空氣中激光直接刻蝕氧化鋁陶瓷容是以光熱去除機(jī)制為主，易產(chǎn)生變質(zhì)發(fā)黑現(xiàn)象和較多的殘?jiān)啬龑?，這是陶瓷在高溫狀態(tài)下出現(xiàn)的相變?cè)斐傻?。水輔助激光刻蝕加工后表面無(wú)發(fā)黑變質(zhì)層的出現(xiàn)。

(2)水下激光刻蝕時(shí)，刻蝕深度隨激光參量的變化規(guī)律與空氣中直接刻蝕的變化趨勢(shì)基本一致，但水下刻蝕的深度比空氣中刻蝕深度大，表面粗糙度小。

(3)水下激光加工時(shí)降低了陶瓷表面的溫度，使激光刻蝕過(guò)程以光化學(xué)去除機(jī)制為主，避免了陶瓷的相變發(fā)黑現(xiàn)象。水下激光加工時(shí)空泡的產(chǎn)生與潰裂對(duì)材料形成較強(qiáng)的沖擊作用，使分解、熔化后的材料迅速脫離基體，防止其重凝。因此陶瓷表面刻蝕質(zhì)量大幅改善，刻蝕深度也有所增加。

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