一種實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法
【專利摘要】本發明提供了一種實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法，屬于材料表面改性工藝【技術領域】。采用具有不同成分和活性粒子濃度的等離子體，對脆性材料的表面進行實時的可選擇性的改性。將等離子體噴向脆性材料，活性粒子附著于材料表面，降低晶體內聚力和表面張力。活性粒子滲入材料表面的微裂紋內，促進晶格間隙和內部裂紋進一步擴展，促使內部位錯向表面移動，使得表面更易于變形。等離子體不斷滲入材料表面，改善材料表面的性能，以達到改善脆性材料表面塑性和脆塑轉變厚度的目的。
【專利說明】一種實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法，屬于材料表面改性工藝【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著光通信、光電子、航空航天、受控核聚變、激光和紅外等技術的快速發展，多種光學脆性材料，如石英、光學玻璃、Sic、硅片、鍺片和人工晶體等，在高精密儀器儀表、非線性頻率轉換器件、慣性制導平臺、真空紫外望遠鏡、激光反射鏡及多種光學零件的制造上得到廣泛應用。然而，這些光學材料不僅脆性高，而且塑性和斷裂韌性低，彈性極限和強度非常接近，當其承載超過彈性極限時就會發生斷裂破壞，產生表面凹坑、裂紋、崩裂等缺陷，嚴重影響表面質量和性能，可加工性很差。
[0003]脆性材料的去除過程中，在一定條件下存在著一個臨界深度，當劃痕深度小于臨界深度時材料發生塑性去除，當劃痕深度大于臨界深度則發生脆性去除，此現象被稱為脆性材料的脆塑轉變。脆塑轉變現象的發現，使光學脆性材料的塑性域去除成為可能。
[0004]等離子體是部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質。由于等離子體富含活性粒子，在脆性材料去除時采用等離子體對去除區域實時改性比采用冷卻液等方式的滲透性更強。同時，采用具有不同成分和活性粒子濃度的等離子體，可以對脆性材料的表面進行選擇性的改性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法，采用有不同成分和活性粒子濃度的冷等離子體，對脆性玻璃類材料的表面進行實時的可選擇性的改性。
[0006]用于實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法的設備為等離子體射流發生裝置，等離子體射流發生裝置包括氣源、等離子體發生器和等離子體電源。氣源將氣體輸送至等離子發生器中，等離子體電源與等離子體發生器的電極相連接。
[0007]所采用的氣源為純度99.99 %以上的高純氮氣、氦氣、二氧化碳等，流量為
0.6-1.0m3/h。打開氣源，調整氣體流量和氣壓；打開等離子體電源，將頻率調整至50-65kHz、電壓從零開始逐步增大到650-850V直至等離子體發生器噴出明顯的冷等離子體射流。等離子體發生器采用裸電極結構，可避免電極與其他金屬部件發生擊穿。
[0008]所產生的等離子體為大氣壓下宏觀溫度為15_35°C的冷等離子體，可避免對工件表面產生熱沖擊并造成熱損傷。
[0009]冷等離子體射流直接噴向待處理的脆性玻璃類材料表面并不斷滲入脆性材料表面，改善脆性材料表面的性能，改善脆性材料表面塑性和脆塑轉變厚度；調節等離子體電源的頻率和電壓，獲得不同活性粒子濃度的等離子體射流，不同活性粒子濃度的等離子體射流應用于不同深度的脆性材料表面改性；高活性粒子濃度的等離子體用于深度較大的脆性材料表面改性和表面材料去除；低活性粒子濃度的等離子體用于深度較小的脆性材料表面改性。本發明適用于實時調控石英玻璃，K9玻璃等硅酸鹽類非金屬材料的脆塑轉變厚度。若脆性材料的待處理區域尺寸小于等離子體射流的區域尺寸，將脆性材料表面用掩膜覆蓋，掩膜上的鏤空區域大小即為脆性材料的待處理區域大小，等離子體射流直接噴向鏤空區域的脆性材料表面并不斷滲入脆性材料表面，改善脆性材料表面塑性和脆塑轉變厚度。改變掩膜的形狀，可以選擇性的對材料表面進行改性。無需對材料表面預處理，改性過程可以實時進行。
[0010]本發明的有益之處在于:
[0011]1、在大氣壓下，采用氮氣、氦氣、二氧化碳等氣體的冷等離子體氛圍實時調控脆性材料的表面塑性和脆塑轉變厚度。
[0012]2、不同活性粒子濃度的等離子體可應用于不同深度的表面改性。高活性粒子濃度的等離子體用于深度較大的表面改性和表面材料去除；活性粒子濃度較低的等離子體用于深度較小的表面改性。較低的宏觀溫度沒有熱沖擊，不會對表面造成熱損傷。
[0013]3、將脆性材料表面用掩膜覆蓋，可以對尺度小于等離子體射流的區域進行改性。改變掩膜的形狀，可以選擇性的對材料表面進行改性。
[0014]4、無需對材料表面預處理，改性過程可以實時進行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的裝置示意圖。
[0016]圖2為采用掩膜的選擇性改性示意圖。
[0017]圖中:1氣源；2等離子體發生器；3等離子體電源；4冷等離子體射流；
[0018]5工件；6掩膜。
【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0020]本發明涉及實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法，使用此方法的設備為等離子體射流發生裝置。如圖1所示，連接好氣源1、等離子體發生器2、等離子體電源3。打開氣源1，調整流量和氣壓；打開等離子電源3，調整頻率和電壓至等離子體發生器2產生明顯的冷等離子體射流4 ;移動等離子體發生器2或者工件5，可以實現對不同區域改性。
[0021]針對不同的脆性材料，可以更換氣源1，產生不同的冷等離子體射流4;針對不同的脆塑轉變厚度，可以更換不同的等離子體電源3和參數，改變等離子體射流4的濃度，或者采用不同的處理時間。
[0022]實施例
[0023]如圖2所示，氣源I為99.999%高純氮氣，等離子體發生器2為裸電極結構，掩膜6有Imm寬的曲線鏤空區域，工件5為K9玻璃、厚度為2mm。
[0024]打開氣源1，調整氣體流量為0.SmVh0打開等離子體電源3，調整輸出電壓Vp為750V左右、頻率為60kHz，即可獲得冷等離子體射流4。在等離子體射流4和工件5之間增加掩膜6。掩膜6可以阻擋冷等離子體射流4，等離子體射流4透過掩膜6上的窄縫到達工件5，就可以對微區域進行改性。
[0025]針對異形的面域，可以制作出相應的掩膜，等離子體射流在掩膜上方移動，即可按要求對工件5進行改性。
【權利要求】
1.一種實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法，其特征在于: 用于實時調控脆性材料脆塑轉變厚度的方法的設備為等離子體射流發生裝置，等離子體射流發生裝置包括氣源、等離子體發生器和等離子體電源；氣源將氣體輸送至等離子發生器中，等離子體電源與等離子體發生器的電極相連接；所采用的氣源為純度99.99%以上的氮氣、氦氣或二氧化碳，氣體流量為0.6-1.0mVh ;打開氣源，調整氣體流量和氣壓；打開等離子體電源，將頻率調整至50-65kHz、電壓從零開始逐步增大到650-850V直至等離子體發生器噴出明顯的冷等離子體射流，等離子體發生器采用裸電極結構； 所產生的等離子體為大氣壓下溫度為15-35°C的冷等離子體； 不同活性粒子濃度的等離子體射流應用于不同深度的脆性材料表面改性；高活性粒子濃度的等離子體用于深度較大的脆性材料表面改性和表面材料去除；低活性粒子濃度的等離子體用于深度較小的脆性材料表面改性。
【文檔編號】C03C21/00GK104445998SQ201410690682
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】劉新, 黃帥, 陳發澤, 楊曉龍, 徐文驥, 金洙吉 申請人:大連理工大學