基于納秒激光的金屬微流道成型及質(zhì)量研究.pdf

1、微流控芯片技術(shù)是一種在微米甚至納米尺度的低微通道結(jié)構(gòu)中控制體積為皮升甚至納升的流體進(jìn)行流動(dòng)并傳質(zhì)、傳熱的技術(shù)，是工程、物理、化學(xué)、生物、納米技術(shù)等眾多學(xué)科交叉的技術(shù)領(lǐng)域。目前，微流控芯片的制備主要使用光刻工藝來保證微米級(jí)的尺寸精度，而光刻工藝環(huán)節(jié)眾多，操作和制備手段極其復(fù)雜且繁瑣。本課題組提出了微流控芯片的快速批量化制造，而模具是工業(yè)中批量化制造的最佳方案，因此在金屬材料上加工出形貌規(guī)則的微結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。材料微結(jié)構(gòu)的制備主要使用了微細(xì)加

2、工技術(shù)，包括精密機(jī)械加工、電火花加工、微細(xì)電解加工、LIGA技術(shù)和激光加工等多種加工方法。由于微流芯片多在一百微米尺度下，相比于上述其他加工方法，激光加工具有光斑尺寸小、無需制備電極和刀具、無需配置溶液等特點(diǎn)，所以對(duì)激光加工微流道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究很有必要。
　　本文以激光微加工技術(shù)和激光拋光技術(shù)為基礎(chǔ)，以制備形貌規(guī)則、底部平滑的微流道為目標(biāo)，提出了激光加工微流道和流道底部表面質(zhì)量改善的復(fù)合工藝方案。主要研究方法和結(jié)論如下：
　

3、?。?）從激光微加工的機(jī)理出發(fā)，概述了激光與材料相互作用的機(jī)理，分析了本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的合理性。介紹了激光加工的表面效應(yīng)，并通過數(shù)值分析，計(jì)算Fe對(duì)波長(zhǎng)為1064nm的紅外激光的吸收率，求得吸收率理論值約為0.36。結(jié)合激光作為電磁波對(duì)電子和離子的影響，在激光材料產(chǎn)生的熱效應(yīng)方面分析了納秒激光和飛秒激光的區(qū)別，得出納秒激光必然存在明顯熱傳導(dǎo)效應(yīng)的結(jié)論。由材料的熱物理性質(zhì)出發(fā)，考慮金屬材料發(fā)生相變時(shí)的熔化潛熱和氣化潛熱，在不考慮脈寬影響的前提下

4、，粗略估算了加工過程中使用的最小單脈沖能量。
　?。?）對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行激光微加工單因素實(shí)驗(yàn)，然后繪制流道寬度/深度趨勢(shì)圖，展示代表性的流道形貌，用以研究激光微加工中尺寸和形貌的規(guī)律。結(jié)果表明：掃描速度過低，流道出現(xiàn)過熔和加工表面兩側(cè)的燒蝕現(xiàn)象，速度過低，流道直線度下降；脈沖寬度越小，加工得到的形貌越規(guī)律；掃描次數(shù)越多，流道形貌越差，流道底部的波動(dòng)越明顯。
　?。?）借助激光拋光技術(shù)，對(duì)單脈沖能量和掃描速度進(jìn)行流道底部表

5、面質(zhì)量改善的單因素實(shí)驗(yàn)，然后測(cè)量流道底部表面粗糙度Rt的值，并繪制相應(yīng)的曲線。結(jié)果表明：隨著單脈沖能量的增大，流道底部表面粗糙度Rt值先下降后上升；隨著掃描速度的逐漸增大，流道底部的表面粗糙度Rt值同樣先下降后上升。
　　（5）在 COMSOL軟件環(huán)境中使用固體熱傳導(dǎo)模塊，將激光模擬為高斯熱源，對(duì)單脈沖激光加工過程中材料表面的溫度場(chǎng)分布、氣化寬度和激光作用后的冷卻過程進(jìn)行仿真模擬。結(jié)果表明：相鄰兩個(gè)激光脈沖的時(shí)間間隔內(nèi)，材料表面光