脉冲激光热力冲击效应对材料电极反应的作用及微刻蚀研究

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随着科学技术的发展,人们对于微小型产品的需求日益迫切。发展能够满足尺寸与精度要求的微细加工技术已成为国内外学者研究的重点。激光电化学复合刻蚀技术是基于激光热力冲击与电化学阳极溶解的共同作用以实现材料去除的一种微细加工技术。激光电化学复合加工不仅可以提高电化学反应速率,降低杂散腐蚀,而且能够有效避免激光加工过程中存在的再铸层、溅射残渣以及毛刺等缺陷。该技术为微细制造提供了新的加工途径与发展方向。  本文以研究脉冲激光热力冲击效应对材料电极反应的作用和复合微刻蚀加工为目的,对复合刻蚀技术进行了理论与试验研究,主要研究内容如下:  1.研究了脉冲激光电化学复合刻蚀机理。分析了复合加工中材料的去除过程与机理。研究了溶液中激光对材料的热力效应,脉冲电化学刻蚀机理以及电化学光整效应。分析了激光热力效应与电化学耦合刻蚀机理,包括:激光热力效应促进电极反应的机理,电极反应对激光热力作用的影响,研究表明:激光热力冲击效应和电极反应之间相互作用,彼此促进。  2.构建了脉冲激光电化学复合刻蚀试验系统,采用高频脉冲光纤激光器作为能量源提高了复合加工的效率,以透光的ITO(氧化铟锡)导电玻璃作为工具阴极,保证了激光能量与电化学体系的高效复合。  3.在对比复合刻蚀与激光直刻铝合金微槽形貌的基础上,验证了复合加工的可行性及优越性。分析了加工过程中的试验现象,包括:气泡的产生及其对复合加工定域性的影响,加工电流的变化及激光能量对加工电流的影响。研究了激光光斑搭接率、电解液浓度、加工时间对槽深、槽宽、深宽比的影响,最终加工出深宽比达6.20的微槽结构,并实现了复杂微结构的加工。  4.研究了激光热力冲击效应对不同材料电化学刻蚀形貌的作用。在相同的工艺参数下,分别对不锈钢、铝合金、纯铝和硅进行了复合加工试验,测量了不同金属材料的极化曲线,对比分析了不同材料复合加工表面的微观形貌。研究表明:可以通过金属材料极化曲线的分析,合理选择复合刻蚀工艺参数。在激光热力作用和材料自身物理化学特性的影响下,铝合金的复合刻蚀质量和表面形貌较好;脆性材料存在冲击崩离现象,电化学腐蚀只能部分改善其加工形貌。  根据以上理论分析与试验研究,表明脉冲激光热力冲击电化学刻蚀工艺能够实现形状精度高、表面质量好、深宽比大的微结构的加工,为微细零件的加工提供了新的技术途径。
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