一种多孔陶瓷的准分子激光抛光及检测方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔陶瓷的准分子激光抛光和检测方法，其特征在于，包括以下步骤：利用表面粗糙度分析设备扫描多孔陶瓷待加工面的表面轮廓，使用光束均匀器和聚焦透镜实现准分子激光光束的聚焦和匀化，确定抛光用准分子激光的离焦量，规划表面的扫描路径，调整准分子激光的参数，测定多孔陶瓷的烧蚀阈值Fth，调节准分子激光的输出能量对多孔陶瓷进行抛光，计算抛光前多孔陶瓷的表面凸出粗糙度，计算抛光后多孔陶瓷的表面凸出粗糙度。本发明专利技术的方法对多孔陶瓷的热力影响小，不会引起陶瓷材料颗粒剥落、脆断等问题，对抛光材料的尺寸、形状无要求，能够实现薄膜、曲面甚至部分内部结构的抛光，提高了多孔陶瓷抛光效果的辨识度和准确度。

A method of excimer laser polishing and detection for porous ceramics

The present invention discloses excimer laser polishing and detection method of porous ceramic, characterized by comprising the following steps: the surface profile of machined surface roughness analysis using scanning equipment of porous ceramics, focus and the homogenization of the excimer laser beam using beam homogenizer and focusing lens polishing determined by excimer laser defocus the amount of surface, scanning path planning, adjusting the parameters of excimer laser ablation threshold, Fth determination of porous ceramics, the output energy regulation of excimer laser polishing of porous ceramics were calculated before polishing and convex surface of porous ceramic roughness, roughness calculation and convex surface of the porous ceramics after polishing. The method of the invention of porous ceramic thermal effects of small particles of a ceramic material, will not cause spalling, brittle fracture and other issues, the size and shape of polishing material is not required, can realize the polishing film, surface and even part of the internal structure, improve the porous ceramic polishing effect and accuracy of identification.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔陶瓷的准分子激光抛光及检测方法
本专利技术涉及激光加工领域，具体涉及多孔陶瓷的抛光。
技术介绍
多孔陶瓷具有透过性好、密度低、硬度高、耐磨性好、热导率低等特点，可实现减重、隔热、吸声、过滤、催化等作用，在航空航天、机械、化工、光电、能源、生物等诸多领域应用广泛。陶瓷材料硬度高、脆性大的特点使其加工困难，但是，多孔陶瓷的表面粗糙度影响着多孔陶瓷零件的表面附着性、透过性、振动和噪声等性能，尤其对于多孔陶瓷轴承与轴套、电子发射器件等，直接影响转动噪声、膜层结合能力等重要参数。目前常用的陶瓷抛光方法包括机械法、化学法、激光抛光等。由于多孔陶瓷材料孔隙间的结合相比致密陶瓷更为薄弱，机械法等接触法在加工过程中更容易造成颗粒剥落、局部脆断，容易造成表面缺陷或划痕等，剥落的颗粒还可能进入孔隙形成杂质物。化学法等反应抛光的方式不仅会腐蚀陶瓷表面突出结构，还会腐蚀孔隙，影响孔隙结构，难以实现多孔陶瓷表面的抛光。相比之下，激光抛光对多孔陶瓷具有显著的优势，其中CO2、YAG等激光抛光方式会在材料表面生产大量的热量，引起材料的熔化与烧结，使少量尖峰材料熔化填入到波谷使表面变得光滑，虽能达到抛光的效果，但热影响区大，反应产物可能阻塞材料原本的孔隙，会影响多孔陶瓷材料的性能，而准分子激光具有输出能量更高、波长更短、激光单光子能量更大的优势，容易通过破坏材料表面的化学键实现对材料的冷抛光，是进行多孔陶瓷抛光的理想光源之一。同时，目前对材料粗糙度表征的方式虽然包括了轮廓算术平均偏差Ra、轮廓最大高度Rz、轮廓单元平均宽度Rsm等，但这些参数均根据材料表面轮廓的峰值与谷值计算。受多孔陶瓷材料表面大量分布的孔隙影响，其计算结果对陶瓷表面凸起部分的检测程度是有限的，降低了多孔陶瓷表面孔隙外部分平整程度检测的辨识度。基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种多孔陶瓷抛光和检测的方法。
技术实现思路
为了实现多孔陶瓷的有效抛光和检测，减少对孔隙的影响及孔隙存在对粗糙度检测的影响，本专利技术提出了一种利用准分子激光抛光多孔陶瓷的方法及其检测方式。通过检测多孔陶瓷的表面轮廓，分析其孔隙尺寸、间距等信息，对准分子激光光束进行匀化和聚焦处理，根据孔隙尺寸、间距和扫描光斑的尺寸确定多孔陶瓷抛光的扫描路径，通过实验测定实验条件下多孔陶瓷的烧蚀阈值，调节准分子激光的离焦量、能量密度、入射角度，利用略高于陶瓷烧蚀阈值的能量对激光进行抛光，使陶瓷表面的尖峰位于准分子激光烧蚀的区域内通过汽化去除，而尽力降低对波谷的影响；通过分析抛光前陶瓷的表面轮廓确定陶瓷表面的基准线，利用该基准线上方的尖峰面积计算抛光前后陶瓷的表面粗糙度。由于准分子激光烧蚀热影响区很小，通过合理调整入射角度、扫描路径，该方法可实现多孔陶瓷材料的抛光，并计算抛光前后多孔陶瓷的表面粗糙度，尽力降低对孔隙结构和孔隙对粗糙度表征的影响。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种多孔陶瓷的准分子激光抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：①利用表面粗糙度分析设备扫描多孔陶瓷待加工面的表面轮廓，作基准线将一定长度的轮廓分成两部分，使上、下两部分轮廓线与基准线之间所包含的面积相等，定义上部分为峰值，下部分为谷值，确定孔隙的平均尺寸和间距；②使用光束均匀器和聚焦透镜实现准分子激光光束的聚焦和匀化，得到均匀光束，根据多孔陶瓷的孔隙尺寸和孔隙间距确定抛光用准分子激光的离焦量；若孔隙尺寸大于聚焦光斑的长度且孔隙平均间距大于聚焦光斑的长度，则调整离焦量使扫描光斑长度不大于孔隙间距，规划多孔陶瓷表面扫描路径，使光斑不扫描孔隙；其他情况下，规划表面的完整扫描路径；③调整准分子激光的参数，测定多孔陶瓷的烧蚀阈值Fth；④调节准分子激光的输出能量对多孔陶瓷进行抛光，使陶瓷基准线所处平面的激光能量密度为1～1.5倍Fth，陶瓷表面的尖峰位于准分子激光烧蚀区域内通过汽化去除，降低激光能量对孔隙的影响。优选地，准分子激光的波长为涵盖陶瓷材料能够吸收的波段。优选地，准分子激光的波长193nm，248nm或308nm，激光能量0.1～100mJ，重复频率1～100Hz，入射角度为0-60°。一种多孔陶瓷抛光前后的粗糙度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1分析多孔陶瓷抛光前的表面轮廓，以基准线为x轴，垂直于基准线为y轴建立直角坐标系，记录基准线与谷值的平均距离y0，计算抛光前多孔陶瓷的表面凸出粗糙度其中l为取样长度，y为基准线上方的轮廓距基准线的距离；S2分析抛光后多孔陶瓷的表面轮廓，作一条基准线，使其与谷值的平均距离为y0+y’，其中y’为抛光前后孔隙深度的变化值；根据多孔陶瓷表面轮廓位于基准线上方的峰面积和取样长度计算抛光后多孔陶瓷的表面凸出粗糙度r。优选地，y’在入射角度较大的情况下近似为0。采用本专利提出的方案，实现对多孔陶瓷的抛光与检测，具有如下优势：一、准分子激光输出能量高、波长短、激光单光子能量大，容易通过破坏材料表面的化学键实现对材料的冷抛光，热影响区小，基本不存在材料熔融的情况，减少了材料熔融阻塞孔隙、影响材料性能的情况。二、通过调整准分子激光的参数和扫描路径，可最大限度内降低抛光过程对孔隙结构、尺寸的影响，提高抛光的质量。三、本专利技术的方法对多孔陶瓷的热力影响小，不会引起陶瓷材料颗粒剥落、脆断等问题，对抛光材料的尺寸、形状无要求，能够实现薄膜、曲面甚至部分内部结构的抛光。四、通过分析抛光前陶瓷的表面轮廓确定陶瓷表面的基准线，利用该基准线上方的尖峰面积计算抛光前后陶瓷的表面粗糙度，降低了表面孔隙对多孔陶瓷粗糙度检测的影响，提高了多孔陶瓷抛光效果的辨识度和准确度。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为多孔陶瓷表面轮廓及粗糙度示意图；图2为准分子激光抛光多孔陶瓷的示意图；图3为抛光后多孔陶瓷表面轮廓及粗糙度示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本专利技术的示例性实施方式。虽然附图中显示了本专利技术的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本专利技术，并且能够将本专利技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。本专利技术旨在提出一种多孔陶瓷的准分子激光抛光及检测方法，以实现多孔陶瓷的有效抛光和检测，减少抛光对孔隙的影响及孔隙存在对粗糙度检测的影响。以ArF准分子激光抛光多孔SiC陶瓷为例，结合附图及具体实施例，对本专利技术作进一步的详细描述。实施例一一种多孔陶瓷的准分子激光抛光方法，包括如下步骤：①如图1所示，利用Zygo表面粗糙度分析设备扫描SiC多孔陶瓷待加工面的轮廓，作基准线(1)将一定长度的轮廓分成两部分，使基准线上、下两部分轮廓线与基准线之间所包含的面积相等，定义上部分为峰值(2)，下部分为谷值(3)，测量得到多孔陶瓷表面的孔隙平均尺寸(4)约15μm，孔隙间距(5)约50μm。②如图2所示，使ArF准分子激光器光束依次通过光束均匀器(6)和聚焦透镜(7)实现激光束的聚焦和匀化，得到均匀光束(8)，根据多孔陶瓷的孔隙尺寸(4)和孔隙间距(5)调整准分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔陶瓷的准分子激光抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：①利用表面粗糙度分析设备扫描多孔陶瓷待加工面的表面轮廓；②使用光束均匀器和聚焦透镜实现准分子激光光束的聚焦和匀化，确定抛光用准分子激光的离焦量，规划表面的扫描路径；③调整准分子激光的参数，测定多孔陶瓷的烧蚀阈值Fth；④调节准分子激光的输出能量对多孔陶瓷进行抛光。

【技术特征摘要】
1.一种多孔陶瓷的准分子激光抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：①利用表面粗糙度分析设备扫描多孔陶瓷待加工面的表面轮廓；②使用光束均匀器和聚焦透镜实现准分子激光光束的聚焦和匀化，确定抛光用准分子激光的离焦量，规划表面的扫描路径；③调整准分子激光的参数，测定多孔陶瓷的烧蚀阈值Fth；④调节准分子激光的输出能量对多孔陶瓷进行抛光。2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤①包括利用表面粗糙度分析设备扫描多孔陶瓷待加工面的表面轮廓，作基准线将一定长度的轮廓分成两部分，使上、下两部分轮廓线与基准线之间所包含的面积相等，定义上部分为峰值，下部分为谷值，确定孔隙的平均尺寸和间距。3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，步骤②包括使用光束均匀器和聚焦透镜实现准分子激光光束的聚焦和匀化，得到均匀光束，根据多孔陶瓷的孔隙尺寸和孔隙间距确定抛光用准分子激光的离焦量；若孔隙尺寸大于聚焦光斑的长度且孔隙平均间距大于聚焦光斑的长度，则调整离焦量使扫描光斑长度不大于孔隙间距，规划多孔陶瓷表面扫描路径，使光斑不扫描孔隙；其他情况下，规划表面的完整扫描路径。4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，步骤④包括调节准分子激光的输出能量对多孔陶瓷进行抛光，使陶瓷基准线所处平面的激光能量密度为1～1.5倍Fth，陶瓷表面的尖峰位于准分子激光烧蚀区域内通过汽化去除，降低激光能量对孔隙的影响。5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，准分子激光的波长193nm、248nm或308nm，激光能量0.1～100mJ，重复频率1～100Hz，入射角度为0-60°。6.一种多孔陶瓷的粗糙度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1分析多孔陶瓷抛光前的表面轮廓，以基准线为x轴，垂直于基准线为y轴建立直角坐标系，记录基准线与谷值的平均距离y0，计算抛光前多孔陶瓷的表面凸出粗糙度其中l为取样长度，y为基准线上方的轮廓距基准线的距离；S2分析抛光后多孔陶瓷的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭馨，王宇，丁金滨，刘斌，张立佳，周翊，赵江山，齐威，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11