基于飞秒激光表面修饰的熔石英润湿性研究

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熔石英具有优异的光学性能、机械性能和化学性能,被广泛用于制备光纤探头、微陀螺等元器件的封装壳体。然而,熔石英表面润湿性差,导致封装温度高,降低了被封装器件的使用寿命。本文提出基于飞秒激光表面修饰的熔石英表面润湿性调控方法,通过调整熔石英表面形貌,提升其润湿性,降低封装温度,提升被封装器件的使用寿命。结合数值计算和试验分析手段,研究飞秒激光工艺参数对熔石英表面形貌的影响规律,阐明飞秒激光高速扫描下激光诱导表面周期性结构(LIPSS)的形成机理。在此基础上,在熔石英表面制备多级微纳结构,研究微纳结构形态对润湿性的影响。主要研究内容和结论如下:首先,通过对温度的数值计算,建立了高速扫描条件下LIPSS形成与单点加工时的关系,研究了飞秒激光高速扫描(1000 mm/s)LIPSS的工艺窗口及高速扫描时LIPSS的形成机理,阐明飞秒激光高速扫描熔石英表面微纳结构形成机制。结果显示当以1000 mm/s高速扫描时对于较低输入功率更易形成纳米级的LIPSS。然后,在上述基础上,通过飞秒激光制备基于纳米级LIPSS和微米级线槽的多级微纳结构,研究了多级微纳结构对水润湿性的影响及表面润湿性提升机理,得出表面积变化是影响多级微纳结构表面润湿性的根本原因。当多级微纳结构阵列间距过小时,后加工线槽对先加工线槽的重熔作用减小了界面扩展面积,表面润湿性提升较小。采用两向阵列的方式可大幅提升界面扩展面积,进而提升对水的润湿性能。最终得到润湿性最好的阵列参数为阵列间距20μm,正交阵列。最后,为验证熔石英表面修饰的多级微纳结构对降低封装温度的有效性,通过高温润湿试验测量了不同温度下(Ag72Cu28)97Ti3(wt.%)钎料在最佳工艺参数修饰前后熔石英表面的润湿铺展情况,发现钎料在修饰后的熔石英表面润湿性获得较大提升。当加热温度相同时,相较于未修饰熔石英,润湿角降低12°;当润湿角相同时,加热温度降低22℃。并通过对微纳结构化学成分及润湿铺展后界面的检测,研究了钎料在未修饰及多级微纳结构修饰后的熔石英上的润湿铺展机理。
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