新型激光加工技術(shù)在金剛石加工中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2024-12-12 11:35 ????瀏覽量：

隨著人工智能的迅速發(fā)展，金剛石作為一種高硬度材料，其應(yīng)用范圍日益廣泛。然而，金剛石的極高硬度給加工帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的激光加工技術(shù)因其非接觸性、可控性強(qiáng)和高精度等特點(diǎn)，在金剛石加工中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，為了滿(mǎn)足金剛石等透明硬質(zhì)材料的加工需求，研究人員基于傳統(tǒng)激光加工方法開(kāi)發(fā)了各種混合激光加工技術(shù)。包括水導(dǎo)激光加工、液相激光燒蝕加工、混合激光加工方法等。

1、水導(dǎo)激光技術(shù)

水導(dǎo)激光加工是一種利用微細(xì)水射流引導(dǎo)激光進(jìn)行材料加工的技術(shù)。其原理是，當(dāng)激光通過(guò)一個(gè)壓力調(diào)制的水腔時(shí)，激光束被聚焦在一個(gè)極小的噴嘴上，噴嘴中噴出高壓水柱。由于水與空氣的界面發(fā)生全反射現(xiàn)象，激光得以被約束在微細(xì)的水射流中，并通過(guò)水射流進(jìn)行傳導(dǎo)和聚焦，從而通過(guò)高壓水射流引導(dǎo)激光在加工材料表面進(jìn)行加工。

與干式激光切割相比，水導(dǎo)激光加工能夠有效地減少熱影響區(qū)和熱殘余應(yīng)力，因?yàn)榇蟛糠帜芰勘幌脑谒校瑫r(shí)水流還能夠帶走多余的殘?jiān)?。這種技術(shù)可以防止材料內(nèi)部的熱損傷，并且由于激光被限制在水束內(nèi)，延長(zhǎng)了激光的焦點(diǎn)，提高了軸向加工的效率。因此，水導(dǎo)激光特別適合于金剛石的加工，尤其是在金剛石微通道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上。但由于激光在水中會(huì)發(fā)生衰減，所以水導(dǎo)激光不太適合用于打深孔。水導(dǎo)激光還需要保持更細(xì)且穩(wěn)定的水射流，以確保加工的精度。

2、液相激光燒蝕技術(shù)

與水導(dǎo)激光不同，液相激光燒蝕技術(shù)利用脈沖激光對(duì)浸沒(méi)在液體中的靶樣品進(jìn)行燒蝕，從而在液相環(huán)境中直接制備微納米結(jié)構(gòu)。其關(guān)鍵在于水的冷卻作用，能夠有效減少激光加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。該技術(shù)還具有隔絕空氣和減少碎屑堆積的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，在液相激光燒蝕過(guò)程中，激光束容易受到碎片和懸浮在水中的氣泡的影響而散射，且液體層的吸收也會(huì)導(dǎo)致激光能量的較大損失。因此，需要精確控制液體層的厚度。例如，可以引入水噴霧形成超薄高速流動(dòng)水膜，以確保材料表面的質(zhì)量均勻性和加工精度。

3、混合激光加工方法

目前的激光加工方法大多采用單一脈寬形式，這種方法受到激光本征特性的限制。例如，微秒和納秒激光會(huì)導(dǎo)致較大的熱影響區(qū)，而飛秒和皮秒激光則存在效率低下的問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)高效加工。因此，可以考慮采用兩種或多種波長(zhǎng)或脈沖長(zhǎng)度的激光進(jìn)行金剛石的加工。如利用激光進(jìn)行金剛石表面拋光時(shí)，可先采用納秒或微秒激光進(jìn)行粗加工，再利用飛秒或皮秒激光進(jìn)一步降低其表面粗糙度。通過(guò)這種混合激光加工方法，可以有效克服單一激光脈寬所帶來(lái)的限制，提高加工效率和質(zhì)量。

新型激光加工技術(shù)為金剛石的加工提供了有效解決方案。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，如何平衡加工效率與質(zhì)量，發(fā)展混合激光加工技術(shù)，將是未來(lái)金剛石加工領(lǐng)域的重要課題。這些技術(shù)不僅提升了金剛石的加工能力，也為其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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