陶瓷加工中的激光技术应用研究

工程陶瓷作为２１世纪的三大应用材料之一，其有效的加工方法已成为国内外专家学者探索的热点。而激光技术由于是非接触式加工，没有切削力，加工速度快，能加工一些特殊型面等优点，在陶瓷的加工方面得到了一定的应用，并取得了一定的进展。本文介绍了应用激光技术加工陶瓷和激光技术在陶瓷磨削中的辅助应用，并阐述了各种技术的基本原理和加工质量评价，同时展望各种激光技术在陶瓷加工中的发展趋势。尽早开发应用于陶瓷加工的各种激光新技术，对推动陶瓷的应用发展和激光技术的发展应用都有着深远的意义。     

超快激光的应用

正亚洲科学家们评估了超快激光器在材料加工中的作用。日本理化研究所的Koji Sugioka以及中国科学院上海光机所的程亚描述了如何利用飞秒激光器和皮秒激光器进行表面加工和立体加工。这些激光器能高精度地切削、钻削和烧蚀各种材料,包括金属、半导体、陶瓷和玻璃,还能聚合含有适当光敏剂的有机材料,并能从三维角度来加工玻璃等内部透明材料。这些激光器已经开始用于制造医用内支架、修复光掩模板、钻削喷墨喷嘴以及刻划太阳能电池。研究人员们还解释了这些激光     

硬脆材料钻孔加工技术的研究

本文对硬脆材料钻孔加工的几种方法进行了比较,着重探讨了用磨钻头加工孔的技术。用磨钻头加工孔,具有设备简单,效率高,精度高的特点。     

飞秒激光倒锥微孔加工的反射式扫描装置设计

基于道威棱镜扫描原理,设计了由高速旋转电机驱动三片K字形排布反射镜组成的反射式扫描装置,并分析了扫描钻孔准确度.结果表明:该扫描装置可用于飞秒激光高准确度环切钻孔系统,钻孔准确度不受光束质量影响,钻孔扫描速度二倍于电机转速且钻孔效率高、兼容多光谱波段;与道威棱镜系统相比,该系统装调准确度要求低,能避免透射系统中色散引起的飞秒激光脉宽展宽现象.测试结果显示该装置可以实现直径0.05~0.2mm、加工准确度小于±2μm倒锥孔的高效率加工.     

透明Nd:YAG激光陶瓷的研究与应用进展

综述了近年来,特别是近两年来国内外透明Nd:YAG激光陶瓷的研究与应用情况,重点对我国的透明Nd:YAG激光陶瓷研究近况进行了分析,指出了透明Nd:YAG激光陶瓷是目前陶瓷研究的热点。提出了透明Nd:YAG激光陶瓷研究中尚存在的问题和我国在此领域中与国外研究的巨大差距。分析指出:我国研究透明Nd:YAG激光陶瓷的各个院所之间,应该强强联合,优势互补,对该领域的理论和制备工艺进行更为深入的研究。     

超强激光钻孔机制的粒子模拟研究

 用二维半粒子模拟程序模拟研究了超强激光束与过稠密等离子体的相互作用过程,发现存在有质动力加速电子及由该电子再拉动离子而产生的等离子体密度通道,也发现由高能电子流产生的高强度自生磁场。模拟研究了三种空间形状的激光对钻孔的影响,发现激光场径向梯度越大,钻孔速度越大,越有利于钻孔;对反射波进行诊断,发现了奇次谐波和偶次谐波。     

切削用量对铝靶表面质量的影响

 采用单点金刚石切削技术，完成了对ICF实验用铝靶的切削加工，重点研究了切削用量对加工表面质量的影响。实验结果表明：采用较小的进给速度，较大的主轴转速能够获得较低的表面粗糙度，切削深度对表面质量影响较小。通过Form Talysurf 表面轮廓仪测量，结果表明表面粗糙度小于50 nm。     

切削用量对铝靶表面质量的影响

采用单点金刚石切削技术，完成了对ICF实验用铝靶的切削加工，重点研究了切削用量对加工表面质量的影响。实验结果表明:采用较小的进给速度，较大的主轴转速能够获得较低的表面粗糙度，切削深度对表面质量影响较小。通过Form Talysurf 表面轮廓仪测量，结果表明表面粗糙度小于50 nm。     

激光打孔对氮化铝绝缘性能的影响

氮化铝陶瓷具有优良的绝缘和导热性能,是传导冷却超导电力装置绝缘与导热连接件的首选,激光切割是对其进行加工的最有效方法,但激光切割可能对其绝缘性能产生影响,进而影响超导电力装置的安全运行。基于此,通过对激光打孔前后氮化铝基片孔周区域绝缘电阻的测量、金相结构和扫描电镜成分的比较,分析了激光打孔对氮化铝绝缘性能的影响,并总结了选用氮化铝基片作为超导电力装置电流引线的绝缘与导热垫片应注意的问题。     

工业微加工新选择:超短脉冲激光设备

正超短脉冲激光设备已经慢慢从研究实验室转移到了工业微加工。皮秒和飞秒级别的脉冲宽度使得材料能够不经过液化直接气化。通过冷消融可以实现对玻璃、金属、陶瓷和聚合物的逐层去除。钟表业正在使用这种技术进行精细雕刻,扫描振镜对复合材料的切割和钻孔不会造成任何的热影响区(HAZ),因而产生的表面和边缘质量较高。     

透明陶瓷激光器的研究进展

1透明陶瓷激光器的发展简况 1964年--Hatch等首次报道了用真空热压烧结法制备的Dy:CaF2陶瓷的激光研究,其激光器在液氮温度下实现了激光振荡,振荡阈值与单晶近似.     

Yb3+:Y2O3透明陶瓷激光器获得5 W连续激光输出

用带尾纤输出的激光二极管作为抽运源,采用端面抽运10％Yb^3 ：Y2O3多晶透明陶瓷的方式获得了连续激光输出。抽运阈值功率为5．6W,当陶瓷介质吸收的抽运功率为31．11W时,Yb^3 ：Y2O3多晶透明陶瓷获得了最大连续激光输出功率5．48W。光—光转换效率为17．6％,斜率效率为25％。同时在激光实验过程中,没有发现饱和现象,因此采用更高功率的激光二极管作为抽运源,陶瓷的激光输出功率会得到进一步提高。这一研究成果表明,多晶透明陶瓷是一种非常有潜力的激光增益介质。     

气孔对透明陶瓷激光输出性能的影响

定量分析气孔大小和气孔率对陶瓷激光输出性能的影响,建立了气孔分布模型并结合Mie散射和固体激光技术相关理论,讨论气孔散射对陶瓷激光透过率和输出性能的影响。结果表明,气孔率对激光陶瓷的透过率和斜率效率有着决定性的影响。在给定的气孔尺寸分布下,气孔率越高,陶瓷透过率和激光斜率效率越低;在给定的气孔率下,气孔中心尺寸越大,陶瓷样品的透过率和激光斜率效率越低。减小气孔尺寸至0.3 m以下能有效提高激光斜率效率。气孔越大,激光阈值随气孔率增大而上升越快,越不利于实现激光输出。在实际工作中,改进和控制工艺减小气孔尺寸对提高陶瓷的输出性能同样有着重要意义。     

激光陶瓷晶体最佳掺杂浓度的理论研究

由于微观结构的差异,使激光单晶的理论计算方法并不适用于激光陶瓷晶体,本文通过分析激光陶瓷晶体的荧光衰减曲线和晶界特性,获得了连续抽运和脉冲抽运条件下激光陶瓷上能级布居数与掺杂浓度的关系表达式:并以Nd~(3+):YAG激光陶瓷为例,研究其最佳掺杂浓度,就其激光性能与Nd~(3+):YAG激光单晶进行了比较研究,结果表明:Nd~(3+):YAG激光陶瓷不但最佳掺杂浓度大,而且在掺杂浓度相同时,其上能级布居数较高,并且Nd~(3+):YAG激光陶瓷在很大掺杂浓度范围内的上能级布居数都大于激光单晶在最佳掺杂浓度时的上能级布居数。     

利用飞秒激光加工碳纤维(英文)

为验证光学加工碳纤维材料的可行性,利用飞秒激光和连续激光对碳纤维块体材料进行了加工。获得了利用飞秒和连续激光加工的表面形貌。与连续激光加工相比,利用脉宽40fs的激光加工效率较高,加工区边缘形貌较好,加工质量较高。通过不同激光功率下加工孔径尺寸的研究获得了飞秒激光加工阈值在1012W/cm2量级。研究结果证明了光学加工碳纤维体材料的可行性。     

电火花放电通道蚀除绝缘工程陶瓷的热力学特性研究

 研究开发出一种绝缘工程陶瓷电火花加工新技术,它是利用电火花放电通道流经绝缘工程陶瓷表面时产生的瞬时高温作用进行蚀除加工的。建立了电火花放电通道热蚀除加工绝缘工程陶瓷的温度场和热应力场数学模型,对绝缘工程陶瓷表面上的温度梯度和热应力场进行了数值模拟,给出了火花放电通道在绝缘工程陶瓷表面上形成的温度梯度和热应力分布规律。模拟结果为揭示绝缘工程陶瓷的电火花微观去除机理、预测绝缘工程陶瓷表面的微观形貌和电加工参数的选择等奠定了理论基础。     

超声振动车削装置设计

在切削加工领域，提高加工精度方法很多，其中一个非常重要的研究方向在于努力减小切削过程中的切削力和切削热。超声振动切削技术在降低切削力和切削热方面有重要的作用，可以较好地解决难加工材料、难加工零件以及精密加工等方面的一些工艺问题。为了推广应用这项新技术，文章基于超声振动切削理论，设计了一套超声振动车削装置，为实现黑色金属薄壁零件的精密加工提供了新的途径。     

工程陶瓷表面抗激光损伤能力研究

实验研究了纳秒激光辐照下不同材料的工程陶瓷表面的抗激光损伤能力,并与不锈钢、铝合金等金属材料进行了对比.结果表明,不同材料的工程陶瓷表面抗激光损伤特性不同;氧化铝陶瓷的损伤阈值最高,氮化硅陶瓷的损伤阈值较低.与金属材料相比较,工程陶瓷表面损伤阈值比不锈钢和铝合金高.由于材料的熔点和热传导率等热力学特性不同,不同的陶瓷材料具有不同的损伤阈值和损伤形貌.理论分析了不同材料抗激光损伤阈值的差异;陶瓷材料的吸收系数远远小于金属材料,吸收系数通过影响能量沉积区域和有效热扩散速率影响材料温度的演化过程,最终影响着材料的激光损伤阈值和损伤特性.实验结果为高功率激光装置中对抗激光损伤能力要求较高的机械支撑材料的选择提供了指导.     

准分子激光的光束波面测量技术

 准分子激光在激光光刻和微细加工中有广泛的应用，要求激光具有好的稳定性和光束波面均匀性。介绍了准分子激光的波面特性以及波面分析测量技术。用波面分析仪对XeCl和ArF激光特性进行全面的测量和评估，给出了主要参数的测量结果，重点分析了光束均匀性。     

Kevlar-29材料的飞秒激光制孔形貌及性能研究EI北大核心CSCD

为提升飞秒激光加工芳纶纤维复合材料制孔质量,优化制孔加工参数,进行了制孔试验。用共聚焦显微镜与超景深显微镜观察圆孔边沿形貌,并测量了热影响区大小。分析了激光功率、扫描速度和重复频率对圆孔的形貌、热影响区大小以及几何精度的影响,对比了激光制孔与机械制孔后材料的拉伸强度。研究发现,一定参数范围内,激光功率增加、重复频率降低或扫描速度减小使热影响区尺寸整体上逐渐变大。但激光功率不足导致的烧蚀不充分也会产生较大的热影响区与表面损伤。热影响区最优状态对应的激光参数为激光功率5 W,扫描速度1050 mm/s,重复频率200 kHz。对比传统机械加工,飞秒激光加工后材料的拉伸强度波动性更小。结果表明,芳纶纤维复合材料的飞秒激光制孔加工不是完全的“冷”加工,由于芳纶纤维导热性差,热量累积造成纤维及纤维周边基材的热损伤,仍会导致较小的热影响区产生。采用合适激光参数的飞秒激光对芳纶纤维复合材料进行制孔加工,能有效提升制孔质量,满足相关领域精度和强度的要求。