武漢理工大學J. Eur. Ceram. Soc. ：超快激光與超低膨脹微晶玻璃相互作用機理探索

第一作者：熊思怡

通訊作者：陶海征

通訊單位：武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室

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

研究背景：

通過精確調控有負熱膨脹系數(CTE)的晶相和正CTE的玻璃相，可以獲得具有超低CTE的超低膨脹微晶玻璃（ULGC）復合材料，即鋰鋁硅酸鹽微晶玻璃。如：德國肖特生產的牌號為ZERODUR? Expansion Class 0 EXTREME的產品，在0 ~ 50 ℃具有0.7 ppb/℃的平均CTE。這些超低膨脹微晶玻璃復合材料廣泛應用于各個領域，如慣性導航激光陀螺儀。但是，由于其固有的硬、脆特性，裂紋極其容易萌生和擴展。因此，如何高質量高精度的加工這些材料是一個重大挑戰。機械加工（如劃線、切割和鉆孔）后，一般還需結合化學刻蝕來滿足加工需求，耗時費力且價格昂貴。超快激光加工作為一種新型加工方法，具有獨特優勢：由于脈沖寬度短于電子-聲子耦合時間，在熱量尚未擴散之前完成材料去除，顯著減少熱影響區；通過激光聚焦區域的非線性多光子吸收，僅在焦點處實現材料性能的調控或去除，特別適合透明材料的超高精度微/納加工。

文章簡介：

為滿足激光陀螺對慣性導航的高精度要求，以平均表面粗糙度、錐度和圓度為評判依據，優化了超快激光加工商用ULGC的工藝參數。此外，通過精細調控超快激光單脈沖能量、輻照時間，仔細觀察了超快激光與ULGC的相互作用過程，發現：輻照區域會相繼出現光暗化、晶化、熔融、多孔泡沫以及汽化等典型特征；特別地，多孔泡沫區的形成可以有效地緩解界面間熱膨脹系數不匹配產生的熱應力。正是由于高斯光束的能量分布特點，導致上述各典型特征區域同時出現，因而難以實現高精度的無損傷加工；然而，通過光束整形和調制，利用貝塞爾光束，通過激光參數的優化，可以在輻照區僅形成多孔泡沫區，從而實現高精度和高質量的切割或鉆孔加工效果。

論文第一作者是武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室的碩士生熊思怡，第二作者是澳大利亞國立大學的王榮平教授，通訊作者是武漢理工大學的陶海征教授，近日以“Ultrafast laser micromachining the ultra-low expansion glass-ceramic: Optimization of processing parameters and physical mechanism”為題目發表在Journal of the European Ceramic Society上。

圖文解析：

圖1 超快激光加工系統示意圖（1-激光系統，2-光束擴展器，3-半波片，4-成像系統，5-濾光片，6-透鏡，7-反射鏡，8-光束調制系統，9-物鏡，10-試樣，11-工作臺）

圖2 不同單脈沖能量（a）和掃描速度（b）下微晶玻璃直線切割后的截面平均表面粗糙度；（c）優化參數下切割截面的三維輪廓圖，放大倍數500×

圖3 不同脈沖能量（E）和輻照時間（t）下微晶玻璃表面的光學顯微圖像

圖4 高斯光束與超低膨脹微晶玻璃作用機理示意圖（T_c，析晶起始溫度； T_m, 熔化溫度；T_f，多孔泡沫出現溫度；T_v，揮發溫度）

圖5 激光加工前（a, b），上表面切割邊緣（c, d）和激光輻照區域（e, f）的微晶玻璃掃描電鏡圖像

圖6 貝塞爾光束精密加工ULGC過程的物理機理示意圖

小結：

我們系統研究了利用超快激光對商用超低膨脹微晶玻璃（ULGC）進行切割和鉆孔加工時，加工參數變化對表面質量的影響。通過對超快激光的單脈沖能量、掃描速度和非聚焦CO₂激光加工參數的優化，獲得4.46 μm的最佳平均表面粗糙度。使用高速振鏡掃描系統，配合水流輔助裝置，可以進行小錐度（0.15°）和平均圓度大于0.99的鉆孔。通過詳細研究超快激光與ULGC的相互作用過程，發現隨著單脈沖能量或輻照時間的增加，光暗化、晶化、熔融、多孔泡沫以及汽化等典型特征相繼出現。由于ULGC典型的硬、脆本質，隨著熱應力的出現，裂紋特別容易萌生并擴展。特別地，多孔泡沫區的形成，可以有效地調節由于兩個不同特征區域之間熱膨脹系數不匹配而產生的界面熱應力。但是，當使用具有高斯能量分布特征的高斯光束進行加工時，各種區域的同時出現導致難以實現高質量的切割或鉆孔加工效果。通過光束調制和整形，產生貝塞爾光束，可以獲得更高質量的加工表面；這是因為通過精準控制激光加工參數，可以僅在輻照區形成多孔泡沫區，與未輻照區域之間形成陡峭的界面。上述理解和認識為合理設計激光加工參數以獲得高質量超快激光加工效果提供了重要的實驗和理論依據。

本文由武漢理工大學極端玻璃態實驗室投稿。