脈沖激光加工高分子材料

袁梟（湖北工程學院，湖北 孝感 432000）

脈沖激光加工高分子材料

袁梟（湖北工程學院，湖北 孝感 432000）

隨著社會的發展，在醫療以及光學等一些領域，高分子材料得到了越來越廣泛的應用，同時對高分子材料的加工要求也越來越高。激光加工技術因為它自身獨有的特點也越來越受到關注。在很多的領域中運用了脈沖激光加工技術，此項技術在今后的工業發展中會起到重要作用，為我國工業的發展做出一定的貢獻。

脈沖激光；加工；高分子材料

高分子材料因其良好的透明性、耐腐蝕性以及生物相容性而在很多工業方面得到廣泛應用，而且已經走進了很多的家庭，在我們身邊隨處可見，例如塑料、合成纖維、合成橡膠等。通過激光加工高分子材料，使得高分子材料在很多領域得到更好的應用。

1 脈沖激光折射率改性

高分子材料的折射率是和它的化學組成、分子取向、鏈間結合力以及熱歷史有關，和它的密度是成正比的。激光來誘導高分子材料的改性技術和其他改性技術相比較，會對材料的性能產生最小的影響，特別是那些力學性能較優異但是表面性能不好的生物材料，激光技術加工能夠在材料的表面打破原來的化學鍵，形成新的化學鍵，通過這種方式來改變材料的特性。

1993年研究者發現激光輻照玻璃后導致了折射率的升高，他們一致認為這是一種光化學反應，是因為分子側鏈分離，使得局部的密度升高，造成折射率升高的情況。超短脈沖激光的峰值功率非常高，能夠實現多光子的吸收，研究者使用飛秒激光通過較低能流密度對有機玻璃進行改性，達到了提高折射率的目的，從而得出結論，高分子解聚和交聯會導致折射率提高。還有一些研究者飛秒激光改性機制是化學鍵弱化或應力相關機制。還有的研究者發現折射率是激光輻照形成的應力改變的。

綜上所訴，飛秒激光提高折射率有三方面原因：一、飛秒激光提高了高分子材料對光的吸收，使得折射率提高了；二、斷鏈產生的不飽和末端基提高了折射率；三、激光輻照提高了熱穩定性，也導致了折射率的提高。

2 激光燒蝕產生表面周期結構

脈沖激光輻照在高分子材料表面會形成表面周期結構，這種現象存在波長效應。高分子材料大多是不吸收長的波長激光的，只有在激光強度極高時才能進行多光子吸收。表面周期結構是通過改變激光波長與偏振態等來改變表面結構的。研究者發現非晶態殼聚糖表面非常容易形成LIPSS，它是可以有效吸收激光的。研究者研究高分子材料表面的化學改性，得出結論，193nm波長激光對于殼聚糖的微觀結構是沒有作用的，不會導致機構的改變，但是對于聚乙烯吡咯烷酮表面產生了作用，出現了碳化的問題。這些表面激光改性對于高分子材料的表面影響是非常小的，因此不是在化學作用下形成的LIPSS，導致LIPSS形成的機理為：其一，在入射激光束和散射光的共同作用下，在高分子材料的表面產生激光的調制；其二，激光的強度調制轉化成高分子材料表面結構改性的物理過程。這兩個過程形成了一個反饋的機制。激光輻照導致材料表面的熱化，致使高分子鏈產生擴散，在激光脈沖的作用下熱化與冷卻交替產生，形成了LIPSS。

3 激光燒蝕產生表面多孔結構

高分子材料表面的孔洞是負壓在材料表面的熱化層形成的。孔洞的形成主要是應力在其中起的作用，應力使得高分子材料的粘度下降了。高分子材料自身的孔洞在溫度上升與盈利下降的情況下變大了。研究者發現248nm激光輻照能夠使得膠原薄膜的鏈結構穩定性發生改變，膠原主鏈產生光熱分解，激光燒蝕通過光機械作用，還有少量的熱分解以及光化學反應。

紫外激光燒蝕技術能夠產生表面重組以及極性基團，如羥基、羧基等，提高了高分子材料表面的潤濕性，會對蛋白質的吸附和生物接觸性能產生一定影響，從而提高了材料表面的活性，改善了生物的相容性。

4 激光加工塊體材料

激光加工的能力決定于高分子材料對不同波長光的吸收特性，大部分的透明高分子材料的吸收能力很弱，如果入射激光的光子能量大于高分子材料的化學鍵能，就能夠打破化學鍵材料，被分解成單體，進行燒蝕，這是光化學反應，產生最小的熱影響。研究人員發現248nm波長激光可以使高分子材料產生分解，是一種熱特性。還有研究者發現激光加工邊緣有著熱退伙產生的球晶以及快速冷卻產生的非晶熱影響區。還有人發現激光加工會產生熱膨脹、熱累積效應。綜上所訴，激光燒蝕過程會有一個高溫過程，有熱影響區，透明的高分子材料通過激光后會產生光熱效應，對于光化學燒蝕來說，波長和能量密度是非常重要的。

5 應用

脈沖激光加工高分子材料在微光機電系統和醫療領域有非常廣泛的應用，可以制備相關的的器械。激光加工高分子材料產生的LIPSS在塑料太陽電池、醫用植入體及生物芯片等器件上都有廣泛的應用；激光燒蝕產生的多孔表面在電子、能源及醫療保健中有廣泛的應用；材料表面的潤濕性能夠影響流體的阻力，從而影響微通道里的分離比；激光能量能夠得到有效的吸收，且對材料的熱損傷最小，能夠實現精密加工等。

6 結語

脈沖激光加工高分子材料的機理是非常復雜的，每個不同的加工工藝需要不同的激光加工條件，激光燒蝕加工還是有些爭議的，不同的高分子材料有著和自身性能相關的混合特征。短波長激光可以打破高分子化學鍵，可以降解透明高分子材料；而縮短脈沖寬度能夠增加多光子吸收的面積，能夠大大提高加工的效率。由此可見，今后真空紫外激光與飛秒激光在工業上的應用會越來越多。

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