飞秒脉冲激光加工碳化硅陶瓷的锥孔控制研究学术报告

一、研究团队与发表信息
本研究由Hong-Jian Wang（王洪建，通讯作者）、Tao Yang（杨涛）、Xiao-Xue Wu（吴小雪）及Fu-Qin Deng（邓福钦）合作完成，作者单位包括松山湖材料实验室（Songshan Lake Materials Laboratory）、广州大学物理与材料科学学院、五邑大学智能制造学院及深圳三机器人科技有限公司。论文《Hole taper control in femtosecond pulsed laser drilling of silicon carbide ceramic》发表于2022年《Journal of Physics: Conference Series》第2285卷，文章编号012039，开放获取。

二、学术背景与研究目标
碳化硅（SiC）陶瓷因其高强度、耐高温和抗腐蚀性，广泛应用于消费电子、生物医疗及航空航天领域。然而，其高硬脆性导致传统微孔加工易产生刀具磨损和材料破裂，且锥孔（hole taper）控制难度大。激光钻孔技术为硬脆材料加工提供了解决方案，但针对SiC陶瓷的锥孔控制研究尚未见报道。本研究旨在通过调节螺旋扫描圈数（spiral scanning turns），探究飞秒脉冲激光（femtosecond pulsed laser）加工SiC陶瓷时的锥孔形成机制，实现正锥、圆柱和负锥孔的精确控制，并分析加工效率与孔壁特性的关联性。

三、研究流程与方法
1. 实验材料与设备
- 材料：厚度0.5 mm的商业SiC陶瓷。
- 激光系统：采用Pharos-PH1飞秒激光器（波长1030 nm，脉冲宽度223 fs），能量密度28.11 J/cm²，重复频率80 kHz，聚焦光斑直径20 μm。
- 辅助设备：扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-IT500A）用于孔形貌表征，光学显微镜（FJ-5A）测量孔径，能谱仪（EDS）分析元素组成。

1. 实验设计

   • 螺旋钻孔工艺：采用同轴气流（压力0.4 MPa）辅助，分30个加工层（machining layers），每层螺旋扫描圈数设为20~100转（旋转速度2400 rpm）。
     
   • 锥角计算：通过公式θ=tan⁻¹[(Dₑₙ−Dₑₓ)/2t]量化锥角，其中Dₑₙ和Dₑₓ分别为入口和出口直径，t为材料厚度。
     
   • 钻孔时间模型：tₛ≈(n×l)/s，n为螺旋扫描圈数，l为加工层数，s为转速。
     

2. 分析方法

   • 形貌与元素分析：SEM观察孔壁微观结构，EDS对比入口与出口区域的Si、C、O元素含量差异。
     
   • 等离子体与碎屑效应：通过能量累积和碎溅射行为解释锥角变化机制。
     

四、主要研究结果
1. 锥孔形貌调控
- 螺旋扫描圈数从20转增至80转时，锥角线性减小，孔形从正锥（positive cone）过渡至圆柱（cylinder）和负锥（negative cone）；但圈数增至100转时，锥角略微增大（图3-4）。
- 机制：更多扫描圈数导致径向光斑重叠率（spot overlap）增加，单位面积能量输入提升，材料去除率提高；但过量圈数引发碎屑滞留和等离子体积累，反而阻碍深层加工。

1. 加工效率权衡

   • 钻孔时间与扫描圈数呈正比。80转时锥角最小（−5°），但100转时效率下降（图4）。研究建议在满足锥角要求下优先选择较少扫描圈数。
     

2. 孔壁特性差异

   • 元素分布：出口处Si和O含量高于入口，C含量较低（图6）。原因为SiC在孔底高温下更易氧化（反应式：SiC+O₂→SiO₂+CO），而入口处C与碎屑反应固化。
     
   • 微观结构：出口区域熔融现象更显著，碎屑附着量随扫描圈数增加（图5）。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统阐明飞秒激光加工SiC陶瓷的锥孔控制机制，提出螺旋扫描圈数通过调节能量输入、碎屑行为和等离子体效应影响锥角。
- 揭示了孔壁元素梯度分布的化学成因，为激光加工硬脆材料的工艺优化提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • 为航空航天等领域高精度SiC微孔加工提供参数选择指南，例如需负锥孔时选择80转扫描，兼顾效率与质量。
     

六、研究亮点
1. 创新方法：通过单一变量（螺旋扫描圈数）实现正锥至负锥的连续调控，无需辅助液体或机械预加工。
2. 发现：首次报道SiC激光钻孔中锥角随能量累积的非单调变化现象，修正了“更多圈数必然减小锥角”的常规认知。
3. 跨学科意义：结合材料科学（氧化动力学）与激光物理（等离子体效应），为硬脆材料加工开辟新思路。

七、其他贡献
研究得到广东省基础与应用基础研究基金（2020A1515111183）等多项资助，体现了产学研合作模式在高端装备制造领域的潜力。