近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊與中國科學院上海硅酸鹽研究所董紹明院士團隊等合作，針對碳化硅陶瓷基復合材料（SiC CMC）精密加工及其過程監測的難題，提出并演示了一種基于飛秒激光成絲加工SiC CMC并通過光絲誘導等離子體熒光對飛秒激光加工過程進行監測的方法。研究結果以“Femtosecond laser filament ablated grooves of SiC ceramic matrix composite and its grooving monitoring by plasma fluorescence”為題發表于Ceramics International上。

碳化硅陶瓷基復合材料作為新一代的熱結構材料，具有密度低、耐高溫、抗腐蝕、強度高等顯著優點，因此在航空航天、核電、國防、高超聲速交通等領域具有巨大的應用潛力。SiC CMC材料器件高硬度、各向異性的特點，對加工工藝提出了更高的要求和挑戰，如曲面和深孔等形狀的精密加工。傳統的機械、水刀、電火花、超聲等加工技術容易產生毛刺、分層、裂紋等缺陷，很難實現精密加工。超快激光加工作為一種新體制的“冷加工”方法，有望滿足高精度乃至超過精度SiC CMC加工的需求。

圖1?（a）光絲加工V型槽示意圖，（b）和（c）分別為光絲加工V型槽俯視和截面形貌照片，（d）光絲側向熒光照片，（e）和（f）分別為光絲與SiC CMC相互作用誘導等離子體熒光的原始光譜和去除連續譜背景的光譜。

圖2 (a)不同激光能量下光絲加工SiC CMC凹槽的形貌，（b）2.4mJ下凹槽截面深度輪廓曲線，（c）凹槽寬度、深度、熱影響區、內壁傾角隨激光能量的變化關系，（d）等離子體熒光強度隨激光能量的變化關系。

在這項工作中，研究人員通過飛秒激光空氣成絲，產生具有高強度、長相互作用范圍的光絲，利用光絲在SiC CMC表面完成了高精度凹槽的加工，并系統研究了光絲位置、激光脈沖能量、掃描速度和掃描次數對光絲加工凹槽的寬度、深度、熱影響區、內壁傾角等參數的影響。光絲的長相互作用范圍特點為超快激光曲面、深孔等精密加工提供了新的途徑。研究通過實時收集并分析光絲加工SiC CMC產生的等離子體熒光，如硅原子390.55nm熒光，提出并演示光絲加工SiC CMC過程的監測方法（圖1和圖2）。發現硅原子390.55nm熒光譜線強度的變化直接反應了不同加工參數條件下SiC CMC表面材料移除情況，這對于理解、監測和優化光絲加工SiC CMC的過程是有幫助的。

該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院國際合作重點項目、上海市科技項目、上海科技成果轉化與產業化項目等支持。

來源：中國科學院上海光學精密機械研究所

原文鏈接：https://siom.cas.cn/xwzx/kydt/202403/t20240326_7052889.html

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.133

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