近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點實驗室研究團(tuán)隊與中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所董紹明院士團(tuán)隊等合作，針對碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiC CMC）精密加工及其過程監(jiān)測的難題，提出并演示了一種基于飛秒激光成絲加工SiC CMC并通過光絲誘導(dǎo)等離子體熒光對飛秒激光加工過程進(jìn)行監(jiān)測的方法。研究結(jié)果以“Femtosecond laser filament ablated grooves of SiC ceramic matrix composite and its grooving monitoring by plasma fluorescence”為題發(fā)表于Ceramics International上。

碳化硅陶瓷基復(fù)合材料作為新一代的熱結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、耐高溫、抗腐蝕、強(qiáng)度高等顯著優(yōu)點，因此在航空航天、核電、國防、高超聲速交通等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。SiC CMC材料器件高硬度、各向異性的特點，對加工工藝提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，如曲面和深孔等形狀的精密加工。傳統(tǒng)的機(jī)械、水刀、電火花、超聲等加工技術(shù)容易產(chǎn)生毛刺、分層、裂紋等缺陷，很難實現(xiàn)精密加工。超快激光加工作為一種新體制的“冷加工”方法，有望滿足高精度乃至超過精度SiC CMC加工的需求。

在這項工作中，研究人員通過飛秒激光空氣成絲，產(chǎn)生具有高強(qiáng)度、長相互作用范圍的光絲，利用光絲在SiC CMC表面完成了高精度凹槽的加工，并系統(tǒng)研究了光絲位置、激光脈沖能量、掃描速度和掃描次數(shù)對光絲加工凹槽的寬度、深度、熱影響區(qū)、內(nèi)壁傾角等參數(shù)的影響。光絲的長相互作用范圍特點為超快激光曲面、深孔等精密加工提供了新的途徑。研究通過實時收集并分析光絲加工SiC CMC產(chǎn)生的等離子體熒光，如硅原子390.55nm熒光，提出并演示光絲加工SiC CMC過程的監(jiān)測方法（圖1和圖2）。發(fā)現(xiàn)硅原子390.55nm熒光譜線強(qiáng)度的變化直接反應(yīng)了不同加工參數(shù)條件下SiC CMC表面材料移除情況，這對于理解、監(jiān)測和優(yōu)化光絲加工SiC CMC的過程是有幫助的。

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圖1.（a）光絲加工V型槽示意圖，（b）和（c）分別為光絲加工V型槽俯視和截面形貌照片，（d）光絲側(cè)向熒光照片，（e）和（f）分別為光絲與SiC CMC相互作用誘導(dǎo)等離子體熒光的原始光譜和去除連續(xù)譜背景的光譜。

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圖2.(a)不同激光能量下光絲加工SiC CMC凹槽的形貌，（b）2.4mJ下凹槽截面深度輪廓曲線，（c）凹槽寬度、深度、熱影響區(qū)、內(nèi)壁傾角隨激光能量的變化關(guān)系，（d）等離子體熒光強(qiáng)度隨激光能量的變化關(guān)系。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院國際合作重點項目、上海市科技項目、上海科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化項目等支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.133