中國(guó)粉體網(wǎng)訊 金剛石是自然界中硬度最高的物質(zhì)之一，具有高硬度、高導(dǎo)熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性等諸多優(yōu)異特性。但同時(shí)它也被稱之為“最難加工”的材料，其高硬度也給加工帶來了巨大挑戰(zhàn)。隨著近年來化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)的快速發(fā)展，在推動(dòng)人工培育鉆石成本的迅速降低，促進(jìn)CVD金剛石的廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也對(duì)金剛石的精細(xì)加工也提出了迫切需求。激光技術(shù)作為一種高精度、非接觸式的加工方法，為金剛石加工提供了新的解決方案，在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用也日益受到關(guān)注。
激光加工金剛石的原理
激光加工是利用高能量密度的激光束作用于金剛石材料表面，使材料局部產(chǎn)生熔化、汽化等物理變化來實(shí)現(xiàn)加工的目的。激光束聚焦后在很小的光斑區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極高的能量密度，其能量密度可以達(dá)到每平方厘米數(shù)兆瓦甚至更高。
熱效應(yīng)原理
激光的熱效應(yīng)是加工金剛石的主要原理之一。由于激光能量高度集中，照射區(qū)域的溫度迅速升高，當(dāng)溫度達(dá)到金剛石的熔點(diǎn)（約4000-4500K）時(shí)，金剛石開始熔化。進(jìn)一步增加激光能量，溫度持續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到沸點(diǎn)（約5100K左右）時(shí)，金剛石會(huì)汽化。通過控制激光的功率、脈沖寬度、頻率等參數(shù)，可以精確地控制材料的熔化和汽化程度，從而實(shí)現(xiàn)切割、打孔、雕刻等不同的加工方式。
光化學(xué)原理
除了熱效應(yīng)，在某些特殊的激光加工過程中，還可能涉及光化學(xué)原理。對(duì)于紫外激光等短波長(zhǎng)激光，其光子能量較高。當(dāng)光子能量高于金剛石中碳原子之間共價(jià)鍵的鍵能時(shí)，會(huì)引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。這種光化學(xué)反應(yīng)可以使碳原子之間的化學(xué)鍵斷裂，直接導(dǎo)致材料的分解，而不一定完全依賴于熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)加工。這種光化學(xué)作用的加工精度相對(duì)更高，因?yàn)樗梢愿珳?zhǔn)地破壞特定位置的化學(xué)鍵，而不像熱作用那樣可能會(huì)產(chǎn)生較大范圍的熱影響區(qū)。不過，光化學(xué)加工通常需要特定波長(zhǎng)的激光和合適的加工環(huán)境，并且在實(shí)際應(yīng)用中相對(duì)熱加工來說較為復(fù)雜。
激光技術(shù)在金剛石加工中的研究進(jìn)展
（一）加工精度的提升
隨著激光技術(shù)的發(fā)展，尤其是超短脈沖激光的出現(xiàn)，加工精度得到了極大的提高。超短脈沖激光的脈寬可以達(dá)到皮秒（10-12秒）甚至飛秒（10-15秒）級(jí)別。這種極短的脈沖寬度使得激光與材料相互作用時(shí)間極短，在材料還來不及發(fā)生熱擴(kuò)散時(shí)，加工過程就已經(jīng)完成。研究人員通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用飛秒激光加工金剛石時(shí)，熱影響區(qū)可以控制在微米甚至亞微米級(jí)別。這對(duì)于制作高精度的金剛石微納結(jié)構(gòu)，如用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的金剛石微傳感器等非常重要。
（二）加工效率的優(yōu)化
多光束激光加工技術(shù)是提高加工效率的一個(gè)研究方向。通過同時(shí)使用多束激光對(duì)金剛石進(jìn)行加工，可以成倍地提高加工速度。例如，在對(duì)大面積的金剛石襯底進(jìn)行表面紋理化加工時(shí)，采用多光束激光系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的紋理圖案加工。此外，研究人員還在探索如何優(yōu)化激光參數(shù)（如功率、脈沖頻率等）來提高加工效率。通過建立激光與金剛石相互作用的數(shù)學(xué)模型，模擬不同參數(shù)下的加工過程，尋找最佳的加工參數(shù)組合。
（三）新的加工工藝研究
激光輔助化學(xué)機(jī)械拋光（L-CMP）是一種結(jié)合激光技術(shù)和傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光的新工藝。在這種工藝中，首先利用激光對(duì)金剛石表面進(jìn)行預(yù)處理，改變表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，然后再進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。這樣可以降低拋光過程中的摩擦力和材料去除率的不均勻性，提高拋光質(zhì)量。
還有激光誘導(dǎo)等離子體加工（LIP）技術(shù)，它利用激光產(chǎn)生的等離子體來加工金剛石。當(dāng)激光能量足夠高時(shí)，在材料表面會(huì)產(chǎn)生等離子體，等離子體中的高能粒子可以對(duì)金剛石進(jìn)行蝕刻等加工，這種技術(shù)對(duì)于加工高深寬比的金剛石結(jié)構(gòu)有一定優(yōu)勢(shì)。
激光技術(shù)在金剛石加工中的應(yīng)用進(jìn)展
（一）在超硬刀具制造中的應(yīng)用
金剛石刀具是切削加工中的超硬刀具，用于加工高硬度材料如硬質(zhì)合金等。激光技術(shù)可以用于制造和修復(fù)金剛石刀具。在制造過程中，可以通過激光切割將金剛石原料加工成刀具的形狀，并且通過激光焊接將金剛石刀頭與刀柄連接起來。在刀具磨損后，利用激光熔覆等技術(shù)可以在磨損部位添加新的金剛石材料，恢復(fù)刀具的切削性能。例如，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)，需要使用金剛石刀具對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件（如曲軸等）進(jìn)行精密加工，激光技術(shù)制造的刀具能夠保證刀具的精度和使用壽命，提高加工質(zhì)量。
（二）在金剛石首飾加工中的應(yīng)用
激光技術(shù)在金剛石首飾加工中應(yīng)用廣泛。在鉆石切割方面，激光可以實(shí)現(xiàn)高精度的切割，能夠切割出復(fù)雜的形狀和圖案，滿足不同消費(fèi)者的個(gè)性化需求。例如，一些具有特殊造型的鉆石飾品，如心形、五角星等形狀，就是通過激光切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。 在鉆石刻字方面，激光可以在鉆石表面刻出精細(xì)的文字和圖案。與傳統(tǒng)的刻字方法相比，激光刻字精度更高，不會(huì)對(duì)鉆石造成機(jī)械損傷，并且可以刻出更小的字體和更復(fù)雜的圖案。
（三）在電子領(lǐng)域的應(yīng)用
在電子領(lǐng)域，金剛石作為一種優(yōu)良的散熱材料，被廣泛應(yīng)用于大功率電子器件的散熱片。激光技術(shù)可以用于加工散熱片的微通道等結(jié)構(gòu)。通過激光微加工，可以在金剛石散熱片上制造出高精度的微通道，增加散熱面積，提高散熱效率。同時(shí)，對(duì)于金剛石基的電子器件，如金剛石半導(dǎo)體器件，激光技術(shù)可以用于加工器件的電極、有源區(qū)等結(jié)構(gòu)，有助于提高器件的性能和集成度。
歧管式金剛石微通道實(shí)物圖 圖源：論文
面臨的挑戰(zhàn)與展望
面臨的挑戰(zhàn)
材料損傷問題：盡管超短脈沖激光可以減小熱影響區(qū)，但在實(shí)際加工中，由于激光能量分布的不均勻性等因素，仍然可能會(huì)導(dǎo)致金剛石材料局部損傷，如微裂紋的產(chǎn)生。這些微裂紋會(huì)影響金剛石制品的強(qiáng)度和性能。
加工成本較高：目前，高精度的激光加工設(shè)備價(jià)格昂貴，而且激光加工過程中的能量消耗也比較大。同時(shí)，一些特殊的激光加工工藝（如飛秒激光加工）還需要在特殊的環(huán)境條件下進(jìn)行，這也增加了加工成本。
工藝兼容性問題：激光加工與傳統(tǒng)加工工藝的結(jié)合還存在一些問題。例如，在激光加工后的表面可能會(huì)存在一些殘留物或者微觀結(jié)構(gòu)變化，這些會(huì)影響后續(xù)傳統(tǒng)加工工藝（如電鍍、化學(xué)鍍等）的質(zhì)量。
隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，有望開發(fā)出更先進(jìn)的激光源。例如，更高功率、更短脈沖寬度的激光設(shè)備，這將進(jìn)一步提高加工精度和效率。同時(shí)，通過改進(jìn)激光光束的整形技術(shù)，可以使激光能量分布更加均勻，減少材料損傷。在降低成本方面，一方面可以通過大規(guī)模生產(chǎn)降低激光加工設(shè)備的價(jià)格，另一方面可以研究新的激光加工工藝，提高能源利用率。雖然激光加工金剛石還存在許多問題，但未來激光加工仍會(huì)是金剛石加工領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。激光加工技術(shù)也會(huì)更加成熟以滿足各種加工需求，并逐漸向高效、高精度、低損傷、高度集成及生產(chǎn)自動(dòng)化方面發(fā)展。
參考來源：
葉盛，等：激光技術(shù)在金剛石加工中的研究及應(yīng)用進(jìn)展
付強(qiáng)，等：多焦點(diǎn)超快激光并行加工單晶金剛石
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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