【摘 要】
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聚合物材料被广泛用于微流控设备、微电子机械系统等领域,由于良好的生物相容性,低芯片制作成本等特性及优点,尤其在微流控封装领域具有广泛的商用前景。虽然传统聚合物连接技术存在很多优势,但仍面临着微细精密加工时潜在的热影响风险。相较于传统聚合物连接技术,超短脉冲激光连接可有效抑制热量向加工区域周围的扩散,并且连接时无需在连接界面处添加吸收层,具有连接接头强度高、稳定性好、热影响区小、加工精度高且加工柔性
【基金项目】
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第十五批“六大人才高峰”高层次人才选拔培养资助,大型塑料件智能化激光精密焊接成形关键技术研究,GDZB-075,2019.01-2021.12； 张家港市“青博荟”企业创新顾问项目-江苏普格机械有限公司,曲面自动焊接技术研究,202164,2021.10-2023.10； 江苏大学工业中心创新实践基金:超短脉冲激光透射连接微流控芯
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聚合物材料被广泛用于微流控设备、微电子机械系统等领域,由于良好的生物相容性,低芯片制作成本等特性及优点,尤其在微流控封装领域具有广泛的商用前景。虽然传统聚合物连接技术存在很多优势,但仍面临着微细精密加工时潜在的热影响风险。相较于传统聚合物连接技术,超短脉冲激光连接可有效抑制热量向加工区域周围的扩散,并且连接时无需在连接界面处添加吸收层,具有连接接头强度高、稳定性好、热影响区小、加工精度高且加工柔性高等突出优点。本文结合理论推导、试验研究和数值模拟,选取聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为研究对象,开展皮秒激光透射连接微流控芯片聚合物的非线性吸收效应与工艺研究,研究内容主要如下:（1）系统研究聚合物在超短脉冲激光作用下的能量传输和吸收机制,包括超短脉冲激光通过晶格传输能量的动力学和热力学过程,聚合物对超短脉冲激光的非线性吸收效应,导带电子吸收多光子能量产生雪崩电离和等离子体的过程,在此基础上,探索超短脉冲激光与PMMA聚合物的相互作用机理。（2）开展多工艺参数下典型PMMA聚合物的皮秒激光透射连接试验,并对连接接头的剪切强度、三维形貌、微观组织结构及气密性等后续性能进行测试。结果发现,焊缝平均剪切强度为17.1 MPa,焊缝平均宽度为347.08μm,焊缝边缘平整,并且可以通过降低激光的脉冲能量来改善焊接质量;在皮秒激光照射期间,PMMA材料的元素迁移主要以C元素和O元素为主,并对连接区域的显微硬度起到了增益效果;对焊缝区域的静态泄漏测试,验证了焊缝良好的密封性能。（3）基于Design-Expert V12.0平台对PMMA聚合物皮秒激光连接进行多工艺参数设计及响应曲面（RSM）分析,筛选出对工艺变化有重要影响的参数,获得皮秒激光连接聚合物连接接头性能的工艺准则。结果表明,重复频率和焦距的交互作用对焊缝宽度及剪切强度影响最大,激光功率和重复频率的交互作用对焊缝宽度及剪切强度影响最小。通过随机选取工艺参数组合对优化数学模型进行验证,并根据不同的优化准则,获取符合实际需求的优化工艺参数组合。（4）基于ANSYS APDL平台建立聚合物超短脉冲激光连接过程的瞬态温度场有限元模型,研究超短脉冲激光作用下多工艺参数对材料传热行为的影响及焊接温度场的演变规律。发现焊缝宽度随着激光功率和重复频率呈正相关,与激光焦距呈负相关。通过比较焊缝宽度在同一工艺参数下各个数值的试验与模拟值,证明了所建立的温度场模型的可行性。
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