專利名稱：強(qiáng)激光輻照碳納米管連續(xù)合成制備金剛石薄膜方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工制造金剛石薄膜領(lǐng)域，特指一種強(qiáng)激光輻照碳納米管連續(xù)制備金剛石薄膜的方法和裝置。
背景技術(shù)：
納米金剛石因其具有優(yōu)異的機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性能引起了人們的廣泛關(guān)注。 隨著認(rèn)識的深入，納米金剛石在金屬鍍層、潤滑油、磁性記錄系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了實際應(yīng)用。由于激光能在極短的時間內(nèi)使材料加熱、熔化、氣化或者發(fā)生相變，國內(nèi)外正在進(jìn)行激光法合成納米金剛石的研究。1992年Ogale等將強(qiáng)激光誘導(dǎo)液固界面反應(yīng)法應(yīng)用到金剛石合成，即利用紅寶石激光輻照浸泡在苯中的石墨靶，產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了金剛石相。自從1955年美國通用電氣公司首次合成金剛石以來，金剛石的人工合成方法和技術(shù)有了很大的發(fā)展。目前，人類已掌握了多種金剛石的合成方法，按其原理來分，基本上可以分為兩類一類是在高溫高壓條件下金剛石穩(wěn)定區(qū)內(nèi)非金剛石碳向金剛石的轉(zhuǎn)變，如靜壓觸媒法、爆炸合成法；另一類是低壓條件下金剛石亞穩(wěn)定區(qū)內(nèi)激活的碳基團(tuán)重新聚集而形成金剛石，如化學(xué)氣相沉積法等。近年來王金斌和楊國偉等使用強(qiáng)激光輻照在水或丙酮中的石墨靶也成功合成了金剛石。他們均采用納秒脈沖激光器，雖然其功率密度超過IO9 ff/cm2，但限定在高溫高壓下，且只通過收集激光與液體介質(zhì)中的固定石墨靶作用時的飛濺產(chǎn)物得到納米金剛石顆粒，合成效率低，主要用于理論研究。馮鐘潮等人申請的名為“一鐘復(fù)合激光化學(xué)氣相沉積金剛石膜的方法”的發(fā)明專利(公開號為CN1221806A)，其方法是在真空條件下用XeCl 準(zhǔn)分子激光作為激光源同時復(fù)合紅外激光輻照，在襯底表面沉積出金剛石薄膜，該方法最大優(yōu)點是不需要給襯底加熱，沉積溫度低，膜層純度高，但缺點是沉積的金剛石薄膜較薄， 由于該裝置要在真空條件下進(jìn)行，這對裝置的操作帶來一定的困難，同時向真空的反應(yīng)室通入能吸收激光波長的碳?xì)浠衔锓磻?yīng)氣和氫氣的流量比例應(yīng)嚴(yán)格控制，所以實現(xiàn)該方法的設(shè)備復(fù)雜，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對以上技術(shù)的不足，提供一種在常溫常壓下強(qiáng)激光輻照碳納米管合成金剛石薄膜的方法，該方法合成效率高，工藝簡單，設(shè)備成本低，能連續(xù)合成并獲得高質(zhì)量的金剛石薄膜。強(qiáng)激光輻照碳納米管連續(xù)合成金剛石薄膜的具體方法是反應(yīng)容器中通入適量的水，將碳納米管粉末懸浮于水中，用電磁震動攪拌使其均勻分散，通過電泵和流量控制裝置使水溶液以一定速度循環(huán)流動。高功率脈沖激光裝置發(fā)出強(qiáng)激光束經(jīng)過分光鏡反射和分光成激光束Gl和激光束G2，激光束Gl直接通過激光加工頭里的聚焦透鏡和保護(hù)鏡聚焦于距基底表面上方的適當(dāng)位置，水溶液中的碳納米管粉末吸收激光能量瞬間氣化、電離，產(chǎn)生大量的高速等離子體，激光束G2經(jīng)45°全反鏡反射到安裝在旋轉(zhuǎn)支架上的全反鏡上，經(jīng)全反鏡輻射到激光束Gl聚焦點正下方的基底表面上，激光束Gl和激光束G2的復(fù)合作用在基底表面形成一個瞬間高溫高壓的微區(qū)，激光束Gl誘導(dǎo)的高速等離子體轟擊基材表面，在基底表面形成高質(zhì)量的金剛石薄膜。水介質(zhì)載著碳納米管粉末循環(huán)流動，激光在不同時間輻照著不同的碳納米管粉末，從而實現(xiàn)金剛石薄膜在常溫常壓下的連續(xù)合成。本發(fā)明的裝置包括三個系統(tǒng)激光發(fā)生系統(tǒng)、工件系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。所述的激光發(fā)生系統(tǒng)包括計算機(jī)、高功率脈沖激光裝置、分光鏡、激光加工頭、45°全反鏡、全反鏡和旋轉(zhuǎn)支架，計算機(jī)控制高功率脈沖激光裝置，45°全反鏡位于全反鏡的正上方，全反鏡固定在旋轉(zhuǎn)支架上，通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)支架來調(diào)節(jié)激光束G2的反射方向，所述的激光加工頭包括聚焦透鏡和保護(hù)鏡，聚焦透鏡在保護(hù)鏡的上方；所述的工件系統(tǒng)包括工作臺、夾具和基底，所述的基底為鎳基合金。基底通過夾具固定在工作臺上，計算機(jī)控制工作臺來調(diào)節(jié)基底的運(yùn)動軌跡；所述的輔助系統(tǒng)包括流量調(diào)節(jié)裝置、儲液箱和電泵。電泵一端與水箱下部的出水口相連，一端與儲液箱相連。流量調(diào)節(jié)裝置一端與水箱左邊的入水口相連，一端與儲液箱相連。通過電泵使溶液循環(huán)流動，流量調(diào)節(jié)裝置用于控制水溶液的流動速度。本發(fā)明的具體實施步驟如下
A.基底進(jìn)行表面打磨拋光，然后用丙酮、酒精清洗，并用夾具加緊固定在工作臺上；
B.反應(yīng)容器中通入適量的水，將碳納米管粉末懸浮于水中，電磁震動攪拌使其均勻分
散；
C.打開電泵電源使水溶液循環(huán)起來，調(diào)節(jié)流量控制裝置，使溶液循環(huán)速度在0.3 0. 6ml/s 之間；
D.打開高功率脈沖激光裝置，由計算機(jī)設(shè)置參數(shù)，脈沖寬度為IOns 20ns，脈沖頻率為20Hz，功率密度為IO8 W/cnTlO9 W/cm2。高功率脈沖激光裝置發(fā)出的激光7經(jīng)分光鏡反射和分光，激光束Gl直接反射通過激光加工頭聚焦于距基底表面正上方2mm 4mm處，同時激光束G2經(jīng)45°全反鏡反射到安裝在旋轉(zhuǎn)支架上的全反鏡上，經(jīng)全反鏡輻射到激光束 Gl聚焦點正下方的基底表面上，激光束Gl輻照均勻分散在水中的碳納米管粉末，并誘導(dǎo)高速等離子體轟擊基底表面，在基底表面形成高質(zhì)量的金剛石薄膜；
E.移動工作臺，使基底處于不同的位置。待反應(yīng)完后，關(guān)閉所有電源，取下基底。本發(fā)明技術(shù)的創(chuàng)新，在于克服了現(xiàn)有技術(shù)合成效率低，反應(yīng)條件特殊和裝置操作困難且設(shè)備貴的問題，實現(xiàn)了金剛石薄膜在宏觀常溫常壓下的連續(xù)合成，獲得了厚度較厚的高純度金剛石薄膜。利用高功率脈沖激光裝置發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡反射和分光后產(chǎn)生的兩條激光束Gl和G2，激光束Gl聚焦于基底上表面正上方的適當(dāng)位置，溶液中的碳納米粉末管吸收激光能量瞬間氣化、電離，產(chǎn)生大量的高速等離子體，同時在激光G2復(fù)合作用下，在基底表面產(chǎn)生瞬間的高溫高壓微區(qū)，高速等離子體轟擊基底表面形成金剛石薄膜。流動的水介質(zhì)載著碳納米管粉末，使激光能夠循環(huán)作用，實現(xiàn)金剛石薄膜的連續(xù)合成。由于水溶液的流動，使激光產(chǎn)生的微區(qū)高溫高壓位置不斷更新，為金剛石薄膜的生成提供了有利的空間環(huán)境，同時提高了碳納米管粉末的利用率。通過移動工作臺，激光束在基底表面不同位置的掃描，可獲得大面積的金剛石薄膜。待反應(yīng)完成后，只需將水溶液儲存在儲液箱里，安裝新的基底，然后使水溶液循環(huán)流動，重復(fù)其他操作步驟，實現(xiàn)批量生產(chǎn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點可以在常溫常壓下獲得高純度的金剛石薄膜，且薄膜層厚度厚，分布均勻。由于該方法能實現(xiàn)連續(xù)合成，故合成效率高。此外，本發(fā)明方法工藝簡單，反應(yīng)過程安全可控，裝置易操作，設(shè)備成本低。


圖1 強(qiáng)激光輻照碳納米管連續(xù)合成金剛石薄膜的裝置原理圖。附圖中標(biāo)號1.電泵；2.儲液箱；3.流量控制裝置；4.進(jìn)水口 ；5.計算機(jī)；6.高功率脈沖激光裝置；7.激光；8.激光束Gl ；9.激光加工頭；10.聚焦透鏡；11.保護(hù)鏡；12.夾具；13.基底；14.分光鏡；15.激光束G2 ；16.金剛石薄膜；17. 45°全反鏡；18.反應(yīng)容器； 19.全反鏡；20.旋轉(zhuǎn)支架；21.水溶液；22.工作臺；23.出水口。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并使用實例來詳細(xì)說明本發(fā)明提出的方法和裝置的工作情況，但不用來限制本發(fā)明。具體實施例1
將鎳基合金進(jìn)行表面打磨拋光，然后用丙酮、酒精清洗，并用夾具12加緊固定在工作臺上22，然后反應(yīng)容器18中通入適量的水，將碳納米管粉末懸浮于水中，用電磁震動攪拌使其均勻分散。打開電泵1電源使水溶液循環(huán)起來，調(diào)節(jié)流量控制裝置3，使水溶液循環(huán)速度為0. 45ml/s。打開高功率脈沖激光裝置6，由計算機(jī)5設(shè)置參數(shù)，脈沖寬度為IOns 20ns，脈沖頻率為20Hz，功率密度為IO8 W/cm2。高功率脈沖激光裝置6發(fā)出的激光7經(jīng)分光鏡反射和分光，激光束G18直接反射通過激光加工頭9聚焦于距鎳基合金表面正上方3mm 處，同時激光束G215經(jīng)45°全反鏡17反射照射到安裝在旋轉(zhuǎn)支架20上的全反鏡19上，經(jīng)全反鏡19輻射到鎳基合金上，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)支架20使激光束G215輻射到激光束G18聚焦點正下方的鎳基合金表面上。激光束G18和激光束G215的復(fù)合作用在鎳基合金表面形成一個瞬間高溫高壓的微區(qū)，激光束G18誘導(dǎo)的高速等離子體轟擊鎳基合金表面，在鎳基合金表面形成高質(zhì)量的金剛石薄膜16。帶反應(yīng)完后，關(guān)閉所有電源，取下鎳基合金。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)激光輻照碳納米管連續(xù)合成制備金剛石薄膜的方法，其特征在于，具體實施步驟為A.基底(13)進(jìn)行表面打磨拋光，然后用丙酮、酒精清洗，并用夾具(12)加緊固定在工作臺上(22);B.反應(yīng)容器(18)中通入水，將碳納米管粉末懸浮于水中，電磁震動攪拌使碳納米管粉末均勻分散；C.打開電泵(1)電源使水溶液(21)循環(huán)起來，調(diào)節(jié)流量控制裝置(3)，使水溶液(21) 循環(huán)速度在0. 3 0. 6ml/s之間；D.打開高功率脈沖激光裝置，由計算機(jī)(5)設(shè)置參數(shù)，脈沖寬度為IOns 20ns，脈沖頻率為20Hz，功率密度為108W/cm2 ^lO9 ff/cm2 ；高功率脈沖激光裝置(6)發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡(14)反射和分光，激光束Gl (8)直接反射通過激光加工頭(9)聚焦于距基底(13)表面正上方2mm 4mm處，同時激光束G2 (15)經(jīng)45°全反鏡(17)反射到安裝在旋轉(zhuǎn)支架(20) 上的全反鏡(19)上，經(jīng)全反鏡(19)輻射到激光束Gl (8)聚焦點正下方的基底表面上，激光束Gl (8)輻照均勻分散在水中的碳納米管粉末，并誘導(dǎo)高速等離子體轟擊基底(13)表面， 在基底(13)表面形成高質(zhì)量的金剛石薄膜(16)；E.移動工作臺(22)，使基底(13)處于不同的位置，待反應(yīng)完后，關(guān)閉所有電源，取下基底(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)激光輻照碳納米管連續(xù)合成金剛石薄膜的方法，其特征在于，所述的基底為鎳基合金；所述的激光加工頭在液面以下，所述的碳納米管粉末粒度為IOnm 20nm。
3.實施權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)激光輻照碳納米管合成金剛石薄膜的方法的裝置， 其特征在于，所述裝置由激光發(fā)生系統(tǒng)、工件系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成；所述激光發(fā)生系統(tǒng)包括計算機(jī)(5)、高功率脈沖激光裝置(6)、分光鏡(14)、激光加工頭(9)、45°全反鏡(17)、全反鏡(19)和旋轉(zhuǎn)支架(20)，計算機(jī)(5)控制高功率脈沖激光裝置(6)，45°全反鏡(17)位于全反鏡(19)的正上方，全反鏡(19)固定在旋轉(zhuǎn)支架(20)上， 所述的激光加工頭(9)包括聚焦透鏡(10)和保護(hù)鏡(11)，聚焦透鏡(10)在保護(hù)鏡(11)的上方；工件系統(tǒng)包括工作臺(22)、夾具(12)和基底(13)，基底(13)通過夾具(12)固定在工作臺(22)上，計算機(jī)控制工作臺(22)來調(diào)節(jié)基底(13)的運(yùn)動軌跡；輔助系統(tǒng)包括流量調(diào)節(jié)裝置(13)、儲液箱(13)和電泵(13)，電泵(13) —端與水箱下部的出水口相連，一端與儲液箱相連，流量調(diào)節(jié)裝置一端與水箱左邊的入水口相連，一端與儲液箱相連，通過電泵(13)使溶液循環(huán)流動，流量調(diào)節(jié)裝置用于控制水溶液的流動速度。
4.根據(jù)實施權(quán)利要求3所述的一種強(qiáng)激光輻照碳納米管合成金剛石薄膜的方法的裝置，其特征在于，所述的基底為鎳基合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)激光輻照碳納米管連續(xù)合成金剛石薄膜的方法和裝置，其特征在于合成金剛石薄膜裝置由激光發(fā)生系統(tǒng)、工件系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。高功率脈沖激光裝置發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡反射和分光后產(chǎn)生兩條激光束G1和G2，激光束G1聚焦于基底上表面正上方的適當(dāng)位置，溶液中的碳納米管粉末吸收激光能量瞬間氣化、電離，產(chǎn)生大量的高速等離子體，同時在激光G2復(fù)合作用下，在的基底表面的產(chǎn)生瞬間的高溫高壓微區(qū)，高速等離子體轟擊基底表面形成金剛石薄膜。本發(fā)明克服了合成效率低、反應(yīng)條件特殊和裝置操作困難且設(shè)備貴的問題，創(chuàng)新實現(xiàn)了金剛石薄膜在宏觀常溫常壓下的連續(xù)合成，獲得了厚度較厚的高純度金剛石薄膜。
文檔編號C23C14/06GK102409292SQ201110367288
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者任旭東, 占秋波, 周建忠, 孫桂芳, 張永康, 戴峰澤, 楊慧敏, 皇甫喁卓, 阮亮 申請人:江蘇大學(xué)