本发明专利技术公开了一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置及方法，包括激光器、金属纳米线及在线监测系统；正向脉冲激光束对所述金属纳米线进行冲击作业；同时反向加热激光束对所述金属纳米线进行加热作业；金属纳米线上部从上到下依次设有约束层、吸收层和保护层，金属纳米线下部设有约束层；在线监测系统用于实时监测金属纳米线的焊接情况。本发明专利技术通过等离激元进行金属纳米线节点区域的有效加热，并借助脉冲激光冲击纳米线，缩短相邻纳米线间距，减少虚搭现象，强化加热效果，可在金属纳米线整体不熔化的情况下，实现空间交错纳米线的高可靠性焊接作业，是一种新颖的、可行性高、适用范围广的金属纳米线焊接方法。适用范围广的金属纳米线焊接方法。适用范围广的金属纳米线焊接方法。
【技术实现步骤摘要】
一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置及方法
[0001]本专利技术涉及纳米材料焊接
，具体涉及一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置及方法。
技术介绍
[0002]伴随着科学技术的迅猛发展，相对于传统电子，具备高灵动性、高形变率的柔性电子器件，如触摸屏、太阳能电池及发光二极管等，逐步迈入电子领域的大门。柔性电子是一种将有机及无机材料电子器件制备在柔软且具备可延性基板上的新型电子技术。新型柔性电子器件应当具备优异的光电性能、高透明度、高导电性及良好的稳定性。透明导电电极是柔性电子器件的核心结构件，合理选择透明导电电极的制备材料，对于充分发挥柔性电子器件的功能特性具备十分重要的工程意义。氧化铟锡做为传统工业用的透明导电材料，因其材料资源匮乏、材料脆性大及制备成本高等诸多弊端，被逐渐淘汰。在众多候选的透明导电电极制备材料中(如碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、金属网格和金属纳米线)，金属纳米线，因其具备优良的导电性、可弯曲及低制备成本，成为下一代透明导电薄膜的首选材料。
[0003]金属纳米线透明导电薄膜的导电机理是金属纳米线之间无序排列形成导电网络。空间交错金属纳米线间的虚搭现象是其制备的透明导电薄膜具备较大表面电阻及较差形变性的直接原因和主要原因，因此制备高可靠性金属纳米线透明导电电极的关键工艺在于金属纳米线接触节点的有效焊接。现阶段制约金属纳米线在柔性电子领域进一步应用的主要技术瓶颈是如何进一步提升空间交错金属纳米线的焊接效率及焊接质量。高温加热、机械施压、引入外在介质等金属纳米线的传统焊接方法，可在一定程度上降低金属纳米线的节点电阻，但由于金属纳米线与柔性衬底材料间热物理性能参数的差异性，在柔性透明导电薄膜的复合制备过程及批量化工程应用方面仍存在较大的难题，具体表现在：常规柔性薄膜的PET基底材料的耐热温度上限较低，无法承受金属纳米线的200℃的实际高温作业；机械施压实现金属纳米线的焊接作业过程，在极高的压应力(往往高达81GPa)作用下，金属纳米线已出现翘曲、滑移及剥离等缺陷，不适用于大、脆、软的衬底材料，此外对工业化涂布设备存在较高的要求，金属纳米线的一体化焊接成本高昂；引入外在介质(如PEDOT:PSS、HAuCl4等)制备导电薄膜的方法，一方面会存在薄膜涂布步骤复杂，另一方面会存在薄膜的透过率低、雾都大等弊端，此外还会破坏纳米线外围的保护层。因此如何提出一种新颖的金属纳米线焊接方法，实现金属纳米线的高可焊性，是现阶段亟需解决的问题之一。
[0004]激光加工具有清洁环保、功率密度高、可控性好及加工效率高等诸多优势特征，被认为是焊接金属纳米线极具潜力的方法之一。目前相关领域的学者，已开展一系列的研究工作，如：公开号为CN112828470A的中国专利，提出了一种激光对射焊接透明玻璃的装置和方法，该方法借助激光发生器发射两束脉冲激光，由于激光热源辐照玻璃产生的等离子体会对后续激光产生屏蔽作用，进而实现等离子区域由激光焦点区域向激光光源处移动，进而实现玻璃间的熔焊。但该专利的加热方法是采用连续激光束进行非线性加热，加热对象
是待焊接的材料整体，焊接质量、能量利用效率及焊接效率存在进一步提升的空间。公开号为CN105149781A的中国专利，提出了一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，该方法采用连续激光器输出单色激光，并辐照至金属纳米线，由于表面等离激元特性产生光热效应，进而实现金属纳米线的熔焊作业，但该由于金属纳米线空间堆叠方式的复杂性，会存在金属纳米线间的虚搭，在实际焊接作业时，势必存在焊接质量较差的作业区域，焊接可靠性有待进一步提升。
[0005]综上目前仍没有一种针对金属纳米线的高效、高质量的激光焊接方法。亟需提出一种焊接工艺简单，焊接成本低廉，可控性高，焊接效率高，焊接质量优异的新型激光焊接方法。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于克服空间交错金属纳米线间的虚搭导致的焊接质量差的弊端，提供一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置及方法，可在实现金属纳米线可焊性的同时，提高金属纳米线的焊接质量及焊接效率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置包括激光器、金属纳米线及在线监测系统；
[0009]所述激光器发射正向激光束对所述金属纳米线进行正向间接冲击作业；
[0010]同时所述激光器发射反向激光束对所述金属纳米线进行反向直接加热作业；
[0011]所述金属纳米线上部从上到下依次设有约束层、吸收层和保护层，金属纳米线下部设有约束层；
[0012]所述在线监测系统用于实时监测金属纳米线焊接行为变化。
[0013]进一步地，所述正向激光束通过直接辐照吸收层，产生等离子体冲击波，经保护层间接作用于金属纳米线，并在金属纳米线两侧约束层的约束作用下，冲压金属纳米线，缩短相邻纳米线间距；所述反向激光束辐照金属纳米线，实现相邻金属纳米线节点区域的有效加热，所述节点区域为以纳米线搭接点中心为圆心直径范围小于1微米的区域。
[0014]进一步地，所述正向激光束为脉冲激光，反向激光束既能够为连续激光，也能够为脉冲激光。
[0015]进一步地，所述正、反两束激光能够借助两台激光器分别产生，也能够借助一台激光器产生；所述借助一台激光器产生正、反两束激光的方法为：借助扩束镜、分光镜、反射镜或聚焦镜中的任三种或三种以上的光路管理元件，将单束激光分为两束激光。
[0016]进一步地，所述金属纳米线上方的约束层为透明陶瓷、BK
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7玻璃或石英玻璃中的任一种；所述金属纳米线下方的约束层为透明陶瓷、BK
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7玻璃、石英玻璃或柔性透明衬底中的任一种；所述吸收层为石墨、黑漆、黑胶带或吸光金属薄膜中的任一种；所述保护层为屈服强度低于500MPa的纯金属或其合金材料中的任一种。
[0017]进一步地，所述在线监测系统包括光谱仪与高速摄像机；所述光谱仪用于实时观测金属纳米线焊接过程中的暗场散射光谱，高速摄像机用于实时观测金属纳米线动态焊接过程中的形貌变化；所述在线监测系统用于实时反馈金属纳米线的焊接情况，进而实时调节激光器的工艺参数，实现金属纳米线冲击焊接工艺的闭环反馈；；所述激光器的工艺参数
为激光功率密度、激光频率、激光波长、激光脉冲宽度、激光扫描路径、激光扫描速度及激光光源与金属纳米线间的作业距离。
[0018]本专利技术还提供一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0019]步骤S1.在约束层表面涂覆金属纳米线；
[0020]步骤S2.在金属纳米线上方铺设表面预置吸收层的保护层材料；
[0021]步骤S3.在吸收层上方铺设另一约束层；
[0022]步骤S4.开启激光器，发射正、反激光束，并配合三坐标移动平台，完成对金属纳米线的焊接作业。
[0023]进一步地，所述步骤S4中，能够采用时间延迟的方式，调控正向激光辐本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置，其特征在于，包括激光器、金属纳米线及在线监测系统；所述激光器发射正向激光束对所述金属纳米线进行正向间接冲击作业；同时所述激光器发射反向激光束对所述金属纳米线进行反向直接加热作业；所述金属纳米线上部从上到下依次设有约束层、吸收层和保护层，金属纳米线下部设有约束层；所述在线监测系统用于实时监测金属纳米线焊接行为变化。2.根据权利要求1所述的一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置，其特征在于，所述正向激光束通过直接辐照吸收层，产生等离子体冲击波，经保护层间接作用于金属纳米线，并在金属纳米线两侧约束层的约束作用下，冲压金属纳米线，缩短相邻纳米线间距；所述反向激光束辐照金属纳米线，实现相邻金属纳米线节点区域的有效加热，所述节点区域为以纳米线搭接点中心为圆心直径范围小于1微米的区域。3.根据权利要求1所述的一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置，其特征在于，所述正向激光束为脉冲激光，反向激光束既能够为连续激光，也能够为脉冲激光。4.根据权利要求1所述的一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置，其特征在于，所述正、反两束激光能够借助两台激光器分别产生，也能够借助一台激光器产生；所述借助一台激光器产生正、反两束激光的方法为：借助扩束镜、分光镜、反射镜或聚焦镜中的任三种或三种以上的光路管理元件，将单束激光分为两束激光。5.根据权利要求1所述的一种基于激光热力耦合效应的金属纳米线冲击焊接装置，其特征在于，所述金属纳米线上方的约束层为透明陶瓷、BK
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7玻璃或石英玻璃中的任一种；所述金属纳米线下方的约束层为透明陶瓷、BK
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7玻璃、石英玻璃或柔性透明衬底中的任一种；所述吸收层为石墨、黑漆、黑胶带或吸光金属薄膜中的任一种；所述保护层为屈服强度低于500MPa的纯金属或其合金材料中的任一种。6.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡耀武，张啸寒，赵哲，黄正，何亚丽，刘健，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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