Selectieve oppervlaktebewerking van nanocomposiet met ultrasnelle laser

Een recent onderzoek boog zich over ultrasnel laserbewerken van keramiek uit zirkonium-/aluminiumoxide nanocomposiet, het huidige standaard materiaal voor keramische lagercomponenten in orthopedie wegens zijn tegelijk hoge hardheid en slijtageweerstand. Onder experimentele omstandigheden werd de zirkoniumoxidefase selectief verwijderd via ablatie, terwijl de aluminiumoxidefase intact bleef. Dit opent nieuwe perspectieven voor selectieve oppervlaktebehandelingen.

Het onderzoeksteam, dat ook experts van Sirris telde, ging na hoe keramiek uit zirkonium-/aluminiumoxide nanocomposiet reageert onder ultrasnelle laserbestraling aan een ‘fluence’ (fluentie) nabij de ablatie­drempel, waar de inhomo­geniteit van het materiaal niet verwaar­loos­baar is. Extra aan­dacht ging naar de invloed van de toe­gepaste laserfluentie op het gedrag van de verschillende fasen bij ablatie. 

Met een pulsduur die korter is dan de elektron-foton-relaxatietijd worden ultra­snelle lasers uit­gebreid ingezet voor materiaal­bewerking met een hoge precisie en mini­male ther­mische invloed. Bij eerdere experimentele onder­zoeken waren de toegepaste laser­fluenties veel hoger dan de laserablatie­­drempel van de materialen voor de efficiënte verwijdering van materiaal. Aan­gezien de korrel­­groottes daarbij veel kleiner waren dan de laserpunt, was de invloed van de intrinsieke micro­­structurele inhomo­geniteit van de nano­composiet­­materialen niet duidelijk. Wanneer de toegepaste laser­­fluentie echter rond de ablatie­­drempel ligt, is er slechts een klein gebied in het centrum van de laserpunt, waar de lokale laserfluentie groter is dan de ablatie­drempel. Onder deze omstandig­­heden wordt de inhomo­­geniteit van het nano­composiet­­materiaal verwacht een aanzienlijke invloed te hebben op de resultaten van laser­bewerken en mag daarom niet over het hoofd gezien worden.

In plaats van het substraat als homogeen materiaal te beschouwen, zoals gebruikelijk is in laser­micro­bewerken, werd tijdens het recente onder­zoek het ablatie­gedrag van de verschillende materiaal­fasen rond de drempel van laser­ablatie bij ultrasnelle laser­bestraling onder de loep genomen. Bij (laser)ablatie wordt materiaal lokaal verhit, waar­door bij een bepaalde tempe­ratuur een kritische waarde wordt over­schreden, het materiaal daar­bij ver­dampt en zo verwijderd. Omdat het materiaal via ablatie fysiek ver­wijderd wordt, wordt ook de thermische energie die in de massa vervat zat verwijderd en zal de gemiddelde temperatuur van het overblijvende materiaal dalen.

Het keramiek uit eenfasig zirkonium en alu­minium en zikonium-/aluminiumoxide nano­compo­siet werd verwezenlijkt met commercieel ver­krijg­bare poeders via drukloos sinteren. Het gesin­terde kera­miek werd eerst gepo­lijst met diamant­pasta met verschillende korrel­groottes, daarna met een SiO2-polijst­oplossing om een gladde oppervlakte­afwerking te bereiken. De ruw­heid over een groter opper­vlak bedroegen voor zowel het zirkonium­oxide als het composiet­materiaal minder dan 10 nm. Onregelmatig­heden aan het opper­vlak van het aluminium­oxide oppervlak waren veroorzaakt door uitgetrokken korrels tijdens het polijsten, wat de oppervlakteruwheid over een groot oppervlak aanzienlijk deed stijgen, terwijl de oppervlakteruwheid over een klein oppervlak nog altijd onder 10 nm bleef, wanneer geen rekening werd gehouden met de gebreken. Het keramiek werd bewerkt met als laserbron een femtosecondelaser met Gauss-straalprofiel, met 250 fs als volledige breedte aan half de maximale pulswijdte en een maximale pulsenergie van 20 μJ. De golflengte van de laser was 1.030 nm en de focale lengte van de optische lens was 100 mm.

Onder experimentele omstandigheden kon de zirkonium­oxidefase selectief worden ver­wijderd via ablatie, terwijl de aluminium­oxide­fase intact bleef. De laser­ablatie­drempel is een kritische para­meter voor het laser­micro­bewerkings­proces. Verschillende feno­menen doen zich voor rond deze drempel, zoals verwijdering van materiaal en de vorming van laser geïnduceerde periodische oppervlaktestructuren (laser-induced periodic surface structures – LIPSS). Om het gedrag van materiaal rond de ablatiegrens te onderzoeken, werd een scanexperiment uitgevoerd. Wanneer de toegepaste laserfluentie 2,02 J/cm² bedroeg (d.i. een beetje meer dan de ablatiedrempel van zirkoniumoxide onder 16-puls-laserbestraling, maar minder dan die van aluminiumoxide), werden kleine, door de laser uitgelokte gebreken ontdekt op de zirkoniumoxidefase, vooral aan de korrelgrenzen tussen de zirkonium­oxide- en aluminiumoxidefasen. Aan een laserfluentie van 2,24 J/cm², wat veel meer is dan de ablatiedrempel van zirkoniumoxide onder 16-puls-laserbestraling, maar nog altijd minder dan die van aluminiumoxide, waren veel grotere, door de laser veroorzaakte gebreken te zien, voornamelijk in de zirkoniumfase.

De ablatiedrempel van diëlektrische materialen is volgens onderzoek gelinkt aan de bandkloof, met een exponent die varieert van 2,5 tot 3. De band­kloof van zirkonium­oxide ligt rond 5,8 eV, die van aluminium­oxide rond 8,8 eV. Omwille van die grotere band­kloof wordt aluminium­oxide verwacht resistenter te zijn aan laser­ablatie vergeleken met zirkonium­oxide. Dit impliceert dat onder bepaalde laser­bewerkings­parameters de zirkonium­oxidefase kan bewerkt en verwijderd worden via ablatie, terwijl de aluminium­oxidefase intact blijft, wat kon wor­den bevestigd tijdens de experi­menten binnen het onderzoek: door de non-lineaire absorptie­mechanismen onder ultrasnelle laser­bestraling kon de zirkonium­oxidefase, met een band­kloof van 5,8 eV, meer laser­energie absor­beren dan de aluminium­oxidefase, met een grotere bandkloof van 8,8 eV. 

De verwaar­loosbare warmte­diffusielengte ver­zekert dat de geabsor­beerde laser­energie be­grensd blijft in de individuele fasen, wat leidt tot selec­tieve ablatie van zirkonium­oxide onder de ge­geven laser­invloed.

Op basis van deze observatie kan een opper­vlakte­behandelings­methode via ultra­snelle selec­tieve laserablatie voor­gesteld worden om de oppervlakte­samenstelling van nano­composiet­materialen die uit fases met een ver­schillende band­kloof bestaan te veranderen. Zo wordt het mogelijk selectief bepaalde fasen uit het opper­vlak van de materialen te verwijderen. Anders dan andere oppervlaktebehandelingsmethoden, zoals zandstralen, niet-selectief chemisch etsen, laseroppervlaktetextureren en traditionele mechanische bewerking, waarbij de oppervlaktetopologie veranderen het hoofddoel is, mikt de nieuwe methode met ultrasnelle laser op het selectief veranderen van de oppervlaktesamenstelling van een nanocomposietmateriaal dat samengesteld is uit verschillende fasen. Door specifieke fasen te verwijderen wordt de oppervlaktetopologie onvermijdelijk gewijzigd, wat een toegevoegde waarde kan zijn of een omgekeerd effect teweegbrengen op het finale product, af­hankelijk van de gewenste functionaliteit.

Mogelijke toepassingen zijn te vinden waar de vereiste voor de oppervlaktesamenstelling verschillend is van het bulkmateriaal om bepaalde functies te vervullen. Het voordeel van deze methode is tweeledig: enerzijds biedt deze methode, in analogie met selectief chemisch etsen, een nieuwe fysische manier om de oppervlaktesamenstelling van een composietmateriaal te veranderen, maar dan zonder daarbij nieuwe chemische elementen aan de omgeving toe te voegen. Anderzijds wordt de methode gekenmerkt door het verwijderen van individuele korrels, met kleine holten aan het behandelde oppervlak als gevolg. De grootte van de holten wordt bepaald door de korrelgrootte, die kleiner kan zijn dan de diameter van de laserstraal. Daarom kan de methode ook gebruikt worden om de oppervlaktetopologie te wijzigen van een composietmateriaal met een veel kleinere feature-grootte vergeleken met het klassieke laseroppervlaktetextureringsprocedé, waarbij de feature-grootte van de textuur gewoonlijk beperkt wordt door de laserpuntgrootte. Dit kan nuttig zijn om de slijtageperformantie van de behandelde oppervlakken te verbeteren.

In samenwerking met Sirris