一种利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法。该方法包括如下步骤：(1)用超短脉冲激光烧蚀材料A，经过激光烧蚀去除，在所述材料A的表面得到微纳米结构；(2)用腐蚀液去除所述材料A的具有所述微纳米结构的表面上的杂质；(3)在惰性气氛或真空环境中，使材料B发生变形进而发生并流动填充所述材料A的所述微纳米结构，然后通过机械结合的方式使所述材料A与所述材料B进行结合，即实现两种材料之间的连接；所述材料A的熔点和硬度均高于所述材料B。本发明专利技术方法为一种灵活、高效率、适用范围广的增强材料连接强度的新方法。本发明专利技术的应用包括但不限于核聚变反应堆面向等离子体材料、电接触材料、热沉材料、电子封装和新型复合材料的开发。

【技术实现步骤摘要】
一种利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法
本专利技术涉及一种利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法，属于材料连接领域。
技术介绍
表面微纳米结构是通过特定的加工方法，在材料表面制备的具有微米、纳米或微纳米复合尺度的规则结构，常见的结构形式有条纹、突起(半球状、锥状、棒状)和凹坑等，以及上述结构的复合形式。表面微纳米结构具有超疏水、超黏滞、抗光反射、选择性光吸收等特性，在工业、军事、航空、航天和医疗等各个领域都有广阔的应用前景。常用的表面微纳米结构制备方法有CVD法，溶胶-凝胶法、模版法、自组装法、电纺法、激光刻蚀法等。超快激光具有极高的峰值能量密度、极短的脉冲宽度，与材料作用的热影响很小，能实现高精度材料加工，能加工高熔点、高硬度等几乎所有的材料，是一种高能量密度、高精度的先进加工手段。超快激光可以在材料表面制备出功能化微米、纳米级结构，例如，激光烧蚀制备金属表面仿“荷叶”表面结构，具备超疏水特性；激光烧蚀制备金属表面微纳米结构，具备抗反射特性和超宽谱带吸收特性等。材料的连接是一种应用广泛的材料加工技术，包括铆接、焊接、胶接等工艺。与铆接和胶接工艺相比，焊接工艺具有连接强度高、接头密封性好、节省材料等优势，广泛应用于各种材料的连接。但是对于常温下固溶度很小，也不形成化合物的异种材料，如W/Cu、Mo/Cu、陶瓷/Al，由于两种材料之间很难形成冶金结合，此类材料的连接十分困难，连接强度极低。考虑到此类异种材料的连接件在某些特殊场合的应用(如W/Cu连接件作为热核聚变反应堆中面向等离子体材料)，提高此类难连接材料的连接强度具有重要的研究意义和应用价值。专利
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法，本专利技术利用超快脉冲激光烧蚀一种材料，在其表面制备微纳米结构，然后与另一种材料进行连接，实现了两种难连接材料之间的连接强度。本专利技术所提供的利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法，包括如下步骤：(1)用超短脉冲激光烧蚀材料A，经过激光烧蚀去除部分材料，在所述材料A的表面得到微纳米结构；(2)用腐蚀液去除所述材料A的具有所述微纳米结构的表面上的杂质；(3)在惰性气氛或真空环境中，使材料B发生变形进而发生并流动填充所述材料A的所述微纳米结构，然后通过机械结合的方式使所述材料A与所述材料B进行结合，即实现两种材料之间的连接；所述材料A的熔点和硬度均高于所述材料B。上述的方法中，所述材料A可为钨、钼、铬、铼、高速钢和陶瓷中任一种；所述材料B可为铜、铝、金、银和塑料中任一种。上述的方法中，步骤(1)中，所述超短脉冲激光可为纳秒激光、皮秒激光和/或飞秒激光；所述超短脉冲激光为可见光(如532nm)或红外光(如1030nm或1064nm等)，光束能量分布为高斯模或其他分布。上述的方法中，所述纳秒激光的脉冲宽度可为10纳秒，重复频率可为1kHz～30kHz，平均功率可为1W～20W；所述皮秒激光的脉冲宽度可为15皮秒，重复频率可为100kHz～2MHz，平均功率可为5W～100W；所述飞秒激光的脉冲宽度可为800飞秒，重复频率可为200kHz～800kHz，如400kHz～800kHz、400kHz或800kHz，平均功率为2W～40W，如2W～20W、2W或20W。上述的方法中，所述微纳米结构为平行沟槽、突起阵列或凹坑阵列；其中所述突起阵列包括半球状阵列、锥状阵列或棒状阵列等；所述微纳米结构中的微米结构的尺寸为30～300μm，如30μm或200μm；所述微纳米结构中的纳米结构的尺寸为200～600nm，如实施例1制备的W棒表面微纳米结构中的微米突起表面分布着丰富的微米/亚微米条纹和纳米颗粒，其扫描电镜照片如图2所示，实施例2制备的W棒表面微纳米结构中的凹坑表面分布着丰富的微米/亚微米条纹和纳米颗粒，其扫描电镜照片如图4所示。上述的方法中，步骤(2)中，可利用扫描振镜实现所述微纳米结构的制备，这样可根据连接件的力学性能需要制备特定形状的微米结构，并在其表面诱导出丰富的纳米结构。上述的方法中，步骤(2)中，所述腐蚀液为稀盐酸、稀硝酸、氨水溶液或双氧水溶液。上述的方法中，步骤(3)中，所述机械结合的方式为热压、压铸、热喷涂、电镀或电阻焊等；本专利技术方法是通过加热、加压等工艺使所述材料B(熔点较低的材料)具有良好的塑性和流动性，充分变形、流动以填充所述微纳米结构内的空隙，从而形成良好的机械结合以获得高的材料连接强度。上述的方法中，在步骤(1)之前，所述方法还包括对所述材料A和所述材料B的表面进行处理的步骤，最后用酒精、丙酮等有机溶剂进行超声清洗，最后用高压气流吹干或烘干；所述处理的步骤包括依次进行的去除杂质(氧化物、油污等)的步骤和磨抛，所述去除杂质的步骤包括机械加工(车削、磨削等)或化学腐蚀。本专利技术提供的制备方法中的“激光烧蚀去除部分材料”是指当脉冲激光能量密度超过某种材料的烧蚀阈值时，激光作用区内材料表面出现蒸发现象，形成材料的去除，去除量取决于激光参数；材料的烧蚀阈值与材料特性和脉冲激光参数如脉冲宽度等有关，如在70飞秒激光作用下，Cu、Al、Fe、Ni和Mo等金属的烧蚀阈值分别为0.25、0.25、0.28、0.20和0.40J/cm2；在10皮秒激光作用下，H13热作模具钢的烧蚀阈值为0.9J/cm2，而高速钢的烧蚀阈值为1.02J/cm2。本专利技术由于采取以上技术方案，具有如下优点：(1)本专利技术使用超短脉冲激光烧蚀材料制备表面微纳米结构；超短脉冲激光具有脉宽窄、功率密度大的特点。脉宽窄可以缩短激光脉冲与材料的作用时间，降低输入的总能量，抑制热积累，减少相邻区域的材料的熔化，基本消除热影响区，提高加工精度，达到近似于“冷加工”的效果；功率密度大可以用于加工各种高熔点、高硬度等传统方法难以加工的材料，并提高加工效率，是一种高精度、高效率、适用范围广的表面微纳米结构制备方法。(2)本专利技术使用超短脉冲激光烧蚀材料制备表面微纳米结构，激光的重复频率很高，为几千赫兹到几兆赫兹，能在金属材料表面诱导出形式丰富、高密度的纳米结构，极大地提高材料的比表面积，进而提高材料的连接强度。(3)本专利技术使用超短脉冲激光烧蚀材料制备表面微纳米结构，配合扫描振镜，可根据连接件的力学性能需要制备特定形状的微米结构，并在其表面诱导出丰富的纳米结构，是一种灵活的、柔性的连接方法。(4)本专利技术使用超短脉冲激光烧蚀材料制备表面微纳米结构，然后将另一种材料与之连接，不要求两种材料间形成冶金结合，仅通过两种材料表面形成的嵌套、机械咬合就能实现两种金属材料的连接，是一种广泛适用的连接方法。(5)本专利技术使用超短脉冲激光制备材料表面微纳米结构增强材料的连接强度，可用于强化多种材料连接方法的连接强度，包括热压、压铸、火焰喷涂、等离子喷涂、超音速喷涂、电镀、电阻焊等，是一种广泛适用的连接方法。综上所述，本专利技术提供了一种灵活、高效率、适用范围广的增强材料连接强度的新方法。本专利技术的应用包括但不限于核聚变反应堆面向等离子体材料、电接触材料、热沉材料、电子封装和新型复合材料的开发。附图说明图1为本专利技术利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法的示意图。图2为本专利技术实施例1制备的W表面突起阵列(图2(a))和突起表面的纳米结构(图2(b))。图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法，包括如下步骤：(1)用超短脉冲激光烧蚀材料A，经过激光烧蚀去除，在所述材料A的表面得到微纳米结构；(2)用腐蚀液去除所述材料A的具有所述微纳米结构的表面上的杂质；(3)在惰性气氛或真空环境中，使材料B发生变形进而发生并流动填充所述材料A的所述微纳米结构，然后通过机械结合的方式使所述材料A与所述材料B进行结合，即实现两种材料之间的连接；所述材料A的熔点和硬度均高于所述材料B。

【技术特征摘要】
1.一种利用超快激光实现难连接材料之间连接的方法，包括如下步骤：(1)用超短脉冲激光烧蚀材料A，经过激光烧蚀去除，在所述材料A的表面得到微纳米结构；利用扫描振镜实现所述微纳米结构的制备；所述材料A为钨、钼、铬、铼、高速钢和陶瓷中任一种；所述超短脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光；所述超短脉冲激光为可见光或红外光；所述纳秒激光的脉冲宽度为10纳秒，重复频率为1kHz～30kHz，平均功率为1W～20W；所述皮秒激光的脉冲宽度为15皮秒，重复频率为100kHz～2MHz，平均功率为5W～100W；所述飞秒激光的脉冲宽度为800飞秒，重复频率为200kHz～800kHz，平均功率为2W～40W；所述微纳米结构为平行沟槽、突起阵列或凹坑阵列；所述微纳米结构中的微米结构的尺寸为30～300μm；所述微纳米结构中的纳米结构的尺寸为200～600n...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟敏霖，江大发，张红军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11