武汉理工大学J. Eur. Ceram. Soc. ：超快激光与超低膨胀微晶玻璃相互作用机理探索

材料人

第一作者：熊思怡

通讯作者：陶海征

通讯单位：武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室

论文DOI：

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.018

研究背景

通过精确调控有负热膨胀系数(CTE)的晶相和正CTE的玻璃相，可以获得具有超低CTE的超低膨胀微晶玻璃（ULGC）复合材料，即锂铝硅酸盐微晶玻璃。如：德国肖特生产的牌号为ZERODUR® Expansion Class 0 EXTREME的产品，在0 ~ 50 ℃具有0.7 ppb/℃的平均CTE。这些超低膨胀微晶玻璃复合材料广泛应用于各个领域，如惯性导航激光陀螺仪。但是，由于其固有的硬、脆特性，裂纹极其容易萌生和扩展。因此，如何高质量高精度的加工这些材料是一个重大挑战。机械加工（如划线、切割和钻孔）后，一般还需结合化学刻蚀来满足加工需求，耗时费力且价格昂贵。超快激光加工作为一种新型加工方法，具有独特优势：由于脉冲宽度短于电子-声子耦合时间，在热量尚未扩散之前完成材料去除，显著减少热影响区；通过激光聚焦区域的非线性多光子吸收，仅在焦点处实现材料性能的调控或去除，特别适合透明材料的超高精度微/纳加工。

文章简介

为满足激光陀螺对惯性导航的高精度要求，以平均表面粗糙度、锥度和圆度为评判依据，优化了超快激光加工商用ULGC的工艺参数。此外，通过精细调控超快激光单脉冲能量、辐照时间，仔细观察了超快激光与ULGC的相互作用过程，发现：辐照区域会相继出现光暗化、晶化、熔融、多孔泡沫以及汽化等典型特征；特别地，多孔泡沫区的形成可以有效地缓解界面间热膨胀系数不匹配产生的热应力。正是由于高斯光束的能量分布特点，导致上述各典型特征区域同时出现，因而难以实现高精度的无损伤加工；然而，通过光束整形和调制，利用贝塞尔光束，通过激光参数的优化，可以在辐照区仅形成多孔泡沫区，从而实现高精度和高质量的切割或钻孔加工效果。

论文第一作者是武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室的硕士生熊思怡，第二作者是澳大利亚国立大学的王荣平教授，通讯作者是武汉理工大学的陶海征教授，近日以“Ultrafast laser micromachining the ultra-low expansion glass-ceramic: Optimization of processing parameters and physical mechanism”为题目发表在Journal of the European Ceramic Society上。

图文解析

图1 超快激光加工系统示意图（1-激光系统，2-光束扩展器，3-半波片，4-成像系统，5-滤光片，6-透镜，7-反射镜，8-光束调制系统，9-物镜，10-试样，11-工作台）

图2 不同单脉冲能量（a）和扫描速度（b）下微晶玻璃直线切割后的截面平均表面粗糙度；（c）优化参数下切割截面的三维轮廓图，放大倍数500×

图3 不同脉冲能量（E）和辐照时间（t）下微晶玻璃表面的光学显微图像

图4 高斯光束与超低膨胀微晶玻璃作用机理示意图（T_c，析晶起始温度； T_m, 熔化温度；T_f，多孔泡沫出现温度；T_v，挥发温度）

图5 激光加工前（a, b），上表面切割边缘（c, d）和激光辐照区域（e, f）的微晶玻璃扫描电镜图像

图6 贝塞尔光束精密加工ULGC过程的物理机理示意图

小结

我们系统研究了利用超快激光对商用超低膨胀微晶玻璃（ULGC）进行切割和钻孔加工时，加工参数变化对表面质量的影响。通过对超快激光的单脉冲能量、扫描速度和非聚焦CO₂激光加工参数的优化，获得4.46 μm的最佳平均表面粗糙度。使用高速振镜扫描系统，配合水流辅助装置，可以进行小锥度（0.15°）和平均圆度大于0.99的钻孔。通过详细研究超快激光与ULGC的相互作用过程，发现随着单脉冲能量或辐照时间的增加，光暗化、晶化、熔融、多孔泡沫以及汽化等典型特征相继出现。由于ULGC典型的硬、脆本质，随着热应力的出现，裂纹特别容易萌生并扩展。特别地，多孔泡沫区的形成，可以有效地调节由于两个不同特征区域之间热膨胀系数不匹配而产生的界面热应力。但是，当使用具有高斯能量分布特征的高斯光束进行加工时，各种区域的同时出现导致难以实现高质量的切割或钻孔加工效果。通过光束调制和整形，产生贝塞尔光束，可以获得更高质量的加工表面；这是因为通过精准控制激光加工参数，可以仅在辐照区形成多孔泡沫区，与未辐照区域之间形成陡峭的界面。上述理解和认识为合理设计激光加工参数以获得高质量超快激光加工效果提供了重要的实验和理论依据。

本文由武汉理工大学极端玻璃态实验室投稿。

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