飞秒激光成型烧蚀加工单晶金刚石微结构的试验研究

发布时间：2020-09-18 09:38

　　金刚石因其具有良好的力、电、热、光等性能而广泛应用于精密光学仪器、机械加工及电子元件等领域中。由于金刚石具有极高的硬度和热稳定性,导致金刚石材料在加工过程中存在加工效率低、工具损耗大等一系列加工难题,极大限制了金刚石材料的进一步应用。而传统硬碰硬的机械加工方法加工质量差、加工周期长,长脉冲激光又由于脉冲宽度长、功率密度低,不可避免存在能量累积,导致长脉冲激光加工过程中出现明显的热损伤。飞秒激光因脉宽极短、单脉冲能量极高的特性,能够有效克服长脉冲激光加工的热影响,对于高熔点和超硬材料的精密加工具有显著优势,在单晶金刚石加工方面,少有学者进行研究。鉴于上述情形,本文搭建了一套以超短脉冲飞秒激光器作为光源的单晶金刚石烧蚀加工试验平台,并针对单晶金刚石开展了一系列烧蚀试验研究,在单晶金刚石上进行了成型烧蚀加工,并开展了正负前角单颗粒的滑擦对比试验。具体工作如下:(1)介绍了金刚石材料加工的难点以及飞秒激光加工技术的特点和应用,阐述了激光加工金刚石材料和飞秒激光加工的研究现状。搭建了一套由飞秒激光器、2D扫描振镜、位移运动平台、视频显微镜、计算机等部分组成,适用于单晶金刚石烧蚀加工的试验平台。(2)设计单脉冲和多脉冲累积烧蚀阈值试验,开展了飞秒激光器烧蚀加工单晶金刚石的烧蚀阈值的试验研究。采用直线拟合的方法计算出单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化规律。(3)基于单一变量的试验原则,分别研究激光平均功率、光斑重叠率和扫描次数对单晶金刚石烧蚀结构的表面质量、烧蚀深度及宽度的影响规律,获得了最优飞秒激光烧蚀工艺参数组合(激光平均功率为11.1W、光斑重叠率为61.9%、循环扫描次数为100),在单晶金刚石上制造出具有良好表面质量的凹形结构。(4)通过激光分层成型烧蚀加工,在金刚石磨粒上加工出正前角结构,并制造出具有正前角磨粒的金刚石砂轮。开展了单颗粒正负前角YG8硬质合金的滑擦对比试验,对比了单颗粒正负前角滑擦试验结果,分析了划痕的表面形貌差异,间接地验证采用正前角金刚石磨粒磨削时能够显著降低法向磨削力,改善硬脆材料的表面质量。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ163
【部分图文】：

金刚石刀具,机械加工,金刚石

工难点分为天然与人工合成两大类，天然中含量却极为稀少，而且十分昂贵金刚石又可以分为单晶和聚晶金刚石质量更好，不存在不规则晶界，所主要还是普遍采用传统的机械加工削加工，使金刚石砂轮与被加工金工作用，从而去除多余的金刚石材.1 所示。但是由于金刚石具有极高的械加工过程中不可避免有机械力的工周期长等一系列加工难题，特别制要求很高[9]，而且很难在金刚石

长脉冲激光,单晶金刚石,烧蚀,缺陷

硕士学位论文工属于非接触式加工，与被加工金刚石表面无摩擦阻力，工的缺陷，实现金刚石材料去除，从而达到加工的目的。料普遍还是采用长脉宽激光，相对于飞秒激光，长脉冲激加工材料作用方式为焦耳加热，并且长脉冲激光脉冲宽度时间长，烧蚀区域不可避免存在能量累积，导致激光加工应，使加工后金刚石表面出现裂纹、崩边和变质重凝层等。

微观形貌,激光切割,微观形貌,切槽

硕士学位论文京大学学者 Shoko Odake 等人[17]，采用0kHz，最大输出功率为 1W 的脉冲飞秒进行了激光切割试验，图 1.4 为切割后为：多晶金刚石由于热导率相对较低，后，两种金刚石的切槽内都存在 1μm 厚界面呈直线，且粗糙度小于 100nm，而小的凹槽和锋利的拐角；单晶金刚石切石切槽边完好。

【参考文献】