用高能辐射加工材料的方法技术

本发明专利技术提供用高能辐射加工材料的方法，其中用高能辐射，具体地用激光束（９）照射聚合物基体（１），其中辐射聚焦于焦点（１１），设置焦点（１１）以使其位于面向辐射的聚合物基体表面之后，并引起聚合物基体（１）的材料去除，从而在聚合物基体（１）内形成反应空间（１３）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，其中用高能辐射，具体地用激光束照射聚合物基体。
技术介绍
用激光束加工材料是工业上现有的方法并特别用于焊接、切割、钻孔和去除各种 材料。用激光束加工材料所涉及的作用机理的多样性和复杂性是以已试验确定或模拟确定 的工艺参数使用激光束的原因。在参数与所用激光的可调变量和所得加工产物如何关联方 面，激光强度和经受辐射作用的时间特别重要。 已知在借助激光加工材料时将聚焦激光束射在待加工工件的表面上。通常对聚 焦位置进行选择，以便聚焦透镜相对于工件表面的距离使获得最小激光束径向范围成为可 能。由此在工件表面上提供最大的激光强度。 由于激光功率与焦点范围的特定比例，传递给工件的能量密度急剧增加。激光能 量的耦合在工件表面引起相变过程，进而可获得特定的加工结果。 在表面处理领域中，将借助脉冲激光束通过轰击从工件表面除去材料称为激光烧 蚀。 传递给工件的激光光子能量可造成化学键断开，在非金属的情况下短激光脉冲还 可引起库仑爆炸。这意味着电子离开固体(solid body)，库仑斥力使一部分剩余的正离子 加速离开表面。 使用纳秒范围的激光脉冲时，在激光脉冲持续过程中激光能量致使表面升温(在 原子热运动的意义上)。由于有限的热传导仅允许向体内缓慢地传递能量，因而辐射能量集 中于非常小的区域。因而，工件在该区域达到非常高的温度，可能出现材料的急剧气化。使 用大功率密度的激光时，通过热电离或直接由激光光子引起的电离，可产生被去除材料的 电子和离子的等离子体，等离子体离子可加速达到超过100eV的能量。 将可实现烧蚀的最小功率或能量密度(在给定的波长和脉冲宽度下)称为烧蚀阈 值。采用高于该阈值的能量密度时，烧蚀速度明显提高。 因而，激光烧蚀例如可代替硬质材料的机械刻印用于材料的目标去除或用于钻出 极小的孔洞。作为选择，被去除的材料还可用于涂覆另一工件的表面，这些技术称为脉冲激 光沉积(Pulsed Laser D印osition) (PU))或激光转印膜(Laser Transfer Film) (LTF)。 激光烧蚀的缺点在于在激光烧蚀过程中以及之后不久，被抛起的熔体、飞溅物和 冷却凝固产生的物质的细小颗粒常常作为堆积物沉积在加工区周围。可通过工艺气体将这 些分解产物从加工位置除去。然而，通常，在采用激光工艺进行加工的过程中这些分解产物 表现出负面效应并构成加工结果质量的决定性因素。 通常，通过设定激光参数以及与工艺气体反应努力使这些效应最小化。在多种材 料待加工的情况下，可利用吸收特性，在短时间内采用高的激光强度照射所述材料。通常， 通过将激光聚焦于工件表面，来实现激光能量的最大耦合。辐射向热量的能量转换具有在那里形成热影响区的效应，其中热效应造成所需的加工结果。然而，由此，热传导和对流造成的强烈热过程以及气化和等离子体的形成可能对周围区域造成负面效应。 在材料的比导热系数小而导致热量分布不佳的情况下，在边界面和/或周围区域可能出现过热，结果使得材料经历不期望的结构变化。特别是在非晶态和结晶材料(例如玻璃、陶瓷和结晶金属如硅)的情况下，问题在于这种高能输入可造成负面效应例如应力和开裂，从而损害待加工材料的质量。 如果激光束以基谐模式(TEM00模式)振荡，则激光束可以最佳的可行方式聚焦，且其能量分布遵循高斯曲线。通过借助聚焦透镜适当地设定焦距，可实现40ym至120ym的最小光束直径并使光束射向工件表面。按照常规，当焦点设置在工件表面上时，最大激光束脉冲功率密度(J/cm2)作用于工件。如果激光束的焦平面没有位于工件表面上，则脉冲功率密度可能过低，结果激光束仅仅使表面升温，而没有在材料中引起任何永久性的变化。 如果在聚焦于表面时吸收能超过阈值，则能量输入引起材料的相变。尽管由此引起的变化不一定伴随材料聚集状态的改变，但材料表面的升温导致在工件中形成温度场。大的温度梯度引起热应力，冷却阶段之后热应力常常作为残余应力保留在工件中。然而，由于升温阶段热膨胀引起的塑性变形(低于450°C的温度下)，机械应力也可能保留在固体中。然而，热影响区中形成的结构变化还可留下光学可见的缺陷，例如形成弧坑、空腔和微裂纹。 所有用激光束加工材料的已知方法的共同特征在于使激光束射在材料表面上，所述材料吸收激光波长并允许尽可能少的光穿过。由此产生的效果是光仅仅透过材料到达较小的深度且热影响区由受辐照表面决定。热影响区的局部限定还具有限制向材料进行绝对能量传递的作用。另外，单位时间可去除的材料量取决于热影响区的大小。另一方面，通常不期望增大受辐照表面并且不期望通过提高激光功率对此进行补偿来获得所需的脉冲功率密度。原因在于当将要获得特别精密的加工结果时，例如在极精细或微观切口、孔洞、标记等的情况下，用激光束加工材料通常精确地进行。
技术实现思路
因而，本专利技术的目的是提供用高能辐射加工材料的改进方法，其中在不明显损害加工结果的情况增大热影响区。 根据本专利技术，提供，其中用高能辐射，具体地用激光束照射聚合物基体，其中辐射聚焦在焦点上，设置所述焦点以使其位于面向辐射的聚合物基体表面之后，并在聚合物基体上引起材料的去除，从而在聚合物基体内形成反应空间。 在这种情况下，待加工材料可以是聚合物基体本身或与聚合物基体接触且可透过辐射波长的工件，优选玻璃基材。 用于实现该目的的聚合物基体是基于聚合物成分的任意基体。除了聚合物成分以外，基体还可包括任意所需的非聚合物成分，仅要求主要成分应在性质上为聚合的。具体地，术语"聚合物基体"还表示基础聚合物的混合物。在特别优选的实施方案中，聚合物基体为热固性聚合物基体。已证实热固性材料特别适用于形成反应空间。 本专利技术的方法引起聚合物基体的材料去除，进而形成反应空间。本申请中的术语"反应空间"是适于容纳可能在该反应空间中发生的所需反应的反应物的空腔。在反应空间形成过程中这些反应物优选由形成反应空间的聚合物基体区域的材料形成。 反应空间的形成具有增大热影响区的作用，而加工没有因此明显受损。这是因为 辐射射入反应空间区域的深度大于射入不含反应空间的聚合物基体的深度。优选地，在形 成反应空间之后，粉状反应物存在于反应空间内，反应空间内粉状反应物与聚合物基体中 的结合形式的(bound form)反应物相比更大程度地吸收辐射。 出于多种原因，有利的是反应空间在空间上由聚合物基体和接触聚合物基体并可 透过辐射波长的工件(优选玻璃基材)两者限定。 一方面，工件可以是待加工例如待标记 或标注的实际材料。另一方面，反应空间因此在空间上完全封闭，没有对聚合物基体的表面 开放。因而，反应物不能够离开反应空间，从而在反应空间形成之后可全部用于在反应空间 内进行所需的反应。可能期望，在材料去除之后反应物存在于反应空间内，且反应空间内的 反应物在用高能辐射(具体地用激光束)照射反应空间的条件下反应形成产物。 聚合物基体例如可具有钛供体以及碳供体。适宜的钛供体有纯钛或含钛化 合物，所述含钛化合物具有经受能量作用时在短时间内提供游离钛作为反应物的能力 (affinity)。在适当的情况下，还可经由含钛中间体提供游离钛。碳供体提供游离碳(特别 是在能量辐射下)。碳供体可以是含碳化合物和/或未结合的游离碳。可通过聚合物基体 本身提供碳供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用高能辐射加工材料的方法，其中用高能辐射，具体地用激光束（９）照射聚合物基体（１），其中所述辐射聚焦于焦点（１１），设置所述焦点（１１）以使其位于面向所述辐射的聚合物基体表面（３）之后，并引起所述聚合物基体（１）的材料去除，从而在所述聚合物基体（１）内形成反应空间（１３）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿恩库普斯，斯文雷特，
申请(专利权)人：蒂萨公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]