超强激光科学卓越创新简报

(第四百九十五期)

2024年3月26日

上海光机所在飞秒激光加工碳化硅陶瓷基复合材料方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队与中国科学院上海硅酸盐研究所董绍明院士团队等合作，针对碳化硅陶瓷基复合材料（SiC CMC）精密加工及其过程监测的难题，提出并演示了一种基于飞秒激光成丝加工SiC CMC并通过光丝诱导等离子体荧光对飞秒激光加工过程进行监测的方法。研究结果以“Femtosecond laser filament ablated grooves of SiC ceramic matrix composite and its grooving monitoring by plasma fluorescence”为题发表于Ceramics International上。

碳化硅陶瓷基复合材料作为新一代的热结构材料，具有密度低、耐高温、抗腐蚀、强度高等显著优点，因此在航空航天、核电、国防、高超声速交通等领域具有巨大的应用潜力。SiC CMC材料器件高硬度、各向异性的特点，对加工工艺提出了更高的要求和挑战，如曲面和深孔等形状的精密加工。传统的机械、水刀、电火花、超声等加工技术容易产生毛刺、分层、裂纹等缺陷，很难实现精密加工。超快激光加工作为一种新体制的“冷加工”方法，有望满足高精度乃至超过精度SiC CMC加工的需求。

在这项工作中，研究人员通过飞秒激光空气成丝，产生具有高强度、长相互作用范围的光丝，利用光丝在SiC CMC表面完成了高精度凹槽的加工，并系统研究了光丝位置、激光脉冲能量、扫描速度和扫描次数对光丝加工凹槽的宽度、深度、热影响区、内壁倾角等参数的影响。光丝的长相互作用范围特点为超快激光曲面、深孔等精密加工提供了新的途径。研究通过实时收集并分析光丝加工SiC CMC产生的等离子体荧光，如硅原子390.55nm荧光，提出并演示光丝加工SiC CMC过程的监测方法（图1和图2）。发现硅原子390.55nm荧光谱线强度的变化直接反应了不同加工参数条件下SiC CMC表面材料移除情况，这对于理解、监测和优化光丝加工SiC CMC的过程是有帮助的。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院国际合作重点项目、上海市科技项目、上海科技成果转化与产业化项目等支持。

原文链接

图1 （a）光丝加工V型槽示意图，（b）和（c）分别为光丝加工V型槽俯视和截面形貌照片，（d）光丝侧向荧光照片，（e）和（f）分别为光丝与SiC CMC相互作用诱导等离子体荧光的原始光谱和去除连续谱背景的光谱。

图2 (a)不同激光能量下光丝加工SiC CMC凹槽的形貌，（b）2.4mJ下凹槽截面深度轮廓曲线，（c）凹槽宽度、深度、热影响区、内壁倾角随激光能量的变化关系，（d）等离子体荧光强度随激光能量的变化关系。