新型激光加工技術在金剛石加工中的應用

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，其應用范圍日益廣泛。然而，金剛石的極高硬度給加工帶來了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的激光加工技術因其非接觸性、可控性強和高精度等特點，在金剛石加工中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。近年來，為了滿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)激光加工方法開發(fā)了各種混合激光加工技術。包括水導激光加工、液相激光燒蝕加工、混合激光加工方法等。

1、水導激光技術

水導激光加工是一種利用微細水射流引導激光進行材料加工的技術。其原理是，當激光通過一個壓力調(diào)制的水腔時，激光束被聚焦在一個極小的噴嘴上，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的水射流中，并通過水射流進行傳導和聚焦，從而通過高壓水射流引導激光在加工材料表面進行加工。

與干式激光切割相比，水導激光加工能夠有效地減少熱影響區(qū)和熱殘余應力，因為大部分能量被消耗在水中，同時水流還能夠帶走多余的殘渣。這種技術可以防止材料內(nèi)部的熱損傷，并且由于激光被限制在水束內(nèi)，延長了激光的焦點，提高了軸向加工的效率。因此，水導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)的應用上。但由于激光在水中會發(fā)生衰減，所以水導激光不太適合用于打深孔。水導激光還需要保持更細且穩(wěn)定的水射流，以確保加工的精度。

2、液相激光燒蝕技術

與水導激光不同，液相激光燒蝕技術利用脈沖激光對浸沒在液體中的靶樣品進行燒蝕，從而在液相環(huán)境中直接制備微納米結(jié)構(gòu)。其關鍵在于水的冷卻作用，能夠有效減少激光加工過程中產(chǎn)生的熱量。該技術還具有隔絕空氣和減少碎屑堆積的優(yōu)勢。不過，在液相激光燒蝕過程中，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導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，微秒和納秒激光會導致較大的熱影響區(qū)，而飛秒和皮秒激光則存在效率低下的問題，難以實現(xiàn)高效加工。因此，可以考慮采用兩種或多種波長或脈沖長度的激光進行金剛石的加工。如利用激光進行金剛石表面拋光時，可先采用納秒或微秒激光進行粗加工，再利用飛秒或皮秒激光進一步降低其表面粗糙度。通過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的限制，提高加工效率和質(zhì)量。

新型激光加工技術為金剛石的加工提供了有效解決方案。隨著激光技術的不斷發(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，將是未來金剛石加工領域的重要課題。這些技術不僅提升了金剛石的加工能力，也為其在更廣泛領域的應用奠定了基礎。

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