激光在超硬材料行業(yè)的應(yīng)用
2023-09-16 10:40:23
激光在超硬材料領(lǐng)域的應(yīng)用
? ? 河南金剛石、超硬材料、人工鉆石等相關(guān)行業(yè)的了解一下
? ? 世界超硬材料看中國，中國超硬材料看河南，以金剛石為代表的超硬材料行業(yè)已成為河南的名片，超硬材料也是“材料之王”和“終極半導(dǎo)體”，“最硬最鋒利的工業(yè)牙齒”。
河南超硬材料行業(yè)的主要上市公司如下：
國機精工（三磨所）—002046
黃河旋風(fēng)—600172
四方達—300179
中兵紅箭（中南鉆石）—000519
力量鉆石—301071
惠豐鉆石—839725
富耐克—831378
豫金剛石（鄭州華晶）—300064
鄭鉆—未上市，但在發(fā)動機超精密鉆頭領(lǐng)域占據(jù)80%以上市場份額，實力不可小覷，國家級單項冠軍企業(yè)。
????而金剛石及超硬材料加工領(lǐng)域，如聚晶金剛石（PCD），聚晶金剛石復(fù)合片（PDC），立方氮化硼（CBN），人造立方氮化硼（PCBN），氮化硅（Si3N4），莫氏硬度均＞9，對于此特殊領(lǐng)域，主要的加工方式就是：激光、磨削、放電加工（EDM）、電化學(xué)磨削（ECM）等，而激光加工在此領(lǐng)域扮演了極為重要的一環(huán)。
? ? 極端制造與超精密加工：“激”發(fā)金剛石未來應(yīng)用無限可能
? ? 俗話說，“沒有金剛鉆，不攬瓷器活”，很直觀地反映了自古以來人們對金剛石的印象——高硬度！作為自然界中硬度最高的材料，它不僅僅是精美貴重的寶石，還是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)原材料……
? ?誰來攬金剛鉆？
? ? 金剛石及其制品廣泛用于機械加工的磨料、工具以及耐磨器件等。因此金剛石又被譽為“工業(yè)牙齒”，它幾乎可以啃得動任何材料！由于金剛石材料還兼具高熱傳導(dǎo)率、高耐磨性、寬帶透明性等功能性質(zhì)，也是制作各種耐磨、耐高溫、耐腐蝕、耐輻射元器件的首選材料，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、原子能反應(yīng)堆、高功率激光器、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的惡劣和極端的工作環(huán)境。隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)δ芙饎偸枨蟮牟粩嘣鲩L，人工合成技術(shù)的日趨成熟，金剛石材料的價格逐步降低，這也為其大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造了可能。
? ? 然而，由于其超高的硬度和穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，當(dāng)需要對這種“工業(yè)牙齒”加工處理時，誰來攬金剛鉆呢？
? ? 尤其是針對微小的結(jié)構(gòu)，金剛石由于其較高的硬度和較低的塑性，其加工一直是一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的機械加工等方式難以達到預(yù)期的加工精度和表面粗糙度，比較適合于大面積的表面加工，無法滿足功能性元器件越來越小型化、精密化的發(fā)展趨勢和要求。
? ? 激光技術(shù)的發(fā)展提供了一種先進、低成本的加工手段。然而，目前國內(nèi)外所報道的激光直接加工金剛石所獲得的表面質(zhì)量仍然較差，粗糙度Ra大多停留在100 nm左右，離金剛石微結(jié)構(gòu)器件的需求相差甚遠。開發(fā)工藝簡單的激光加工技術(shù)，實現(xiàn)金剛石材料的高質(zhì)量、光學(xué)量級的精密加工，將在未來金剛石材料的大規(guī)模應(yīng)用中發(fā)揮重要的作用。?
硬脆難加工材料的激光加工
? ? 要實現(xiàn)玻璃、陶瓷、硅、藍寶石和金剛石這類高硬度、脆性材料的高質(zhì)量激光加工，一個重要的因素是需要有效控制熱效應(yīng)的影響。由于金剛石硬度最高，金剛石的加工依賴于聚焦離子束和激光束加工，而激光憑借極高的峰值功率、精確的損傷閾值、極小的熱影響區(qū)、極高的加工精度，以及適合于各種難加工超硬材料的特點，成為科研人員關(guān)注的焦點。
? ? 特別是近年來超快激光（主要是皮秒激光器、飛秒激光器）和光纖激光器的迅速發(fā)展，使得激光加工技術(shù)在激光器輸出功率、加工精度及工藝參數(shù)等方面均得到了完善和提升。受限于成本等因素，目前脈寬在微秒、納秒量級的長脈寬激光器在工業(yè)加工中仍占據(jù)主流地位，但以熱去除為作用機理的加工方式會產(chǎn)生熱影響區(qū)，存在材料頻繁重鑄、表面涂層開裂等問題，無法滿足微納尺度精細加工的應(yīng)用場景。
? ? 研究表明，加工所用激光的脈沖寬度越窄、峰值功率密度越大，越能夠有效減小加工中熱影響區(qū)及重鑄層的形成。不同晶體結(jié)構(gòu)的材料其電子與離子間的能量弛豫時間在微秒至皮秒之間，對于大部分材料，當(dāng)激光的脈寬大于10-12納秒（ns）時，材料的溫度達到一定程度時，開始出現(xiàn)熔化、氣化等物理現(xiàn)象。當(dāng)激光的脈寬達到皮秒（ps）、飛秒（fs）量級時，整個激光作用過程時間極短，材料的溫度瞬時達到峰值，沒來得及熔化就直接轉(zhuǎn)化為等離子狀態(tài)，加工過程將幾乎沒有熱量被自由電子傳導(dǎo)至加工區(qū)域的周圍，實現(xiàn)材料去除，因此飛秒激光的加工過程中沒有明顯的熔渣和碎屑，加工質(zhì)量高，實現(xiàn)幾乎無熱影響區(qū)的“冷加工”。
? ? 利用超快激光“冷加工”的特性，可應(yīng)用在各種材料的精細加工中，包括金屬、玻璃、藍寶石、半導(dǎo)體、塑料等，加工方式涵蓋了激光打標(biāo)、激光打孔、激光切割、選擇性激光去除、激光清洗、激光微結(jié)構(gòu)制備等，特別是近年來高端3C制造業(yè)對于加工工藝要求的不斷提升，使激光加工在消費電子觸摸屏模組生產(chǎn)、半導(dǎo)體晶圓劃片切割、柔性太陽能薄膜電池加工、硬脆性材料打孔、切割等領(lǐng)域展現(xiàn)出全新的應(yīng)用前景。?
01?激光微孔加工
? ? 微孔加工特別是深微孔加工一直是航空航天、新能源、生物醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強、效率高、成木低和綜合技術(shù)經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，為微孔加工提供了先進的加工手段。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在金剛石和天然金剛石拉扮模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、吃機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)。
02?激光打標(biāo)
? ?激光打標(biāo)機的市場是近幾年發(fā)展最快最成熟的一項應(yīng)用技術(shù)。激光標(biāo)記、激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種技術(shù)。由于有多種特點，所以應(yīng)用越來越廣泛，特別適用于電子元器件、集成電路模塊、汽車零件、汽車窗玻璃、醫(yī)療器械、精密儀器儀表、線路板、橡膠制品、計算機鍵盤、手機面板、精美禮品、玻璃制品等等。
? ? 河南合贏激光科技有限公司，長期專注于激光打標(biāo)、激光打碼、激光標(biāo)記等領(lǐng)域，在紅外（1064nm）、綠光（532nm）、紫外（355nm）等納秒激光器（ns）和皮秒激光器（ps）及飛秒激光器（fs）都有成熟的工藝應(yīng)用及解決方案，聯(lián)合河南工業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)、河南科技大學(xué)、鄭州輕工業(yè)學(xué)院等河南超硬材料行業(yè)的實驗室及實訓(xùn)基地，不斷在超硬材料領(lǐng)域推陳出新，給河南的超硬材料加工領(lǐng)域注入新的激光加工應(yīng)用最新實踐。
03?激光切割、激光劃線
? ? 激光在切割、劃線中是激光微細加工中最為廣泛的應(yīng)用之一，隨著激光器功率和光束質(zhì)量的不斷提高以及直線電機、數(shù)控機床、掃描振鏡等配套技術(shù)的不斷完善，激光在加工精度和效率方面均得到大幅提升，拓展了工業(yè)高精細度切割劃線的應(yīng)用范圍。激光切割主要利用激光束的高功率能量密度的特性。激光束聚焦很小的光點，擁有巨大的能量，可將材料快速加熱，使其達到沸點后開始汽化，形成空洞，再使光束與材料相對運動，在材料表面形成切縫。激光切割技術(shù)可廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。同時，在玻璃、藍寶石、金剛石等硬脆透明材料應(yīng)用市場廣闊，由于材料對于不同波長激光的吸收率存在較大差異，將不同波長和脈寬的激光應(yīng)用在金剛石微細加工中是一直以來的研究重點，同時，由于其高硬脆特性，加工難度大，尤其對金剛石晶體進行高質(zhì)量、低損耗的加工是一個難題，傳統(tǒng)加工方式主要為機械加工、超聲落料和化學(xué)刻蝕等。
? ? 目前，激光切割主要應(yīng)用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)中，如飛機框架、飛機主旋翼、汽車車架等切割。另外，在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域如手機、微處理器、顯示器、內(nèi)存芯片等都是極其復(fù)雜的組件，由大量的不同材料、尺寸小、厚度極小的多層材料組成。因而需要先進的、高精度的加工能力，以及在經(jīng)濟上可行的大批量生產(chǎn)的能力，同步發(fā)展加工、激光技術(shù)以及新的激光光束傳輸技術(shù)，來滿足目前以及未來可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。
飛秒激光誘導(dǎo)金剛石微納結(jié)構(gòu)??
? ? 另外，由于金剛石出色的性能及其色心體系對于量子科學(xué)?超靈敏探測領(lǐng)域的深遠意義，近年來，國內(nèi)外眾多高校與頭部企業(yè)競相開展金剛石內(nèi)部微納加工的理論和實驗研究。
針對微結(jié)構(gòu)的加工，當(dāng)前多采用光刻技術(shù)來實現(xiàn)。但光刻工藝流程較為復(fù)雜，成本較高，且無法直接用于材料三維和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制備。超快激光的獨特特性使材料加工發(fā)生了迅速革命性的變化，成為有效途徑。
01?“激”發(fā)金剛石無限潛能
? ? 多年來，硅和鍺一直被認為是適合制造探測器和集成光電器件的半導(dǎo)體材料?然而，與金剛石基器件相比，這種四價半導(dǎo)體的抗輻射損傷能力較差，而且在惡劣條件或高強光輻照下，器件的穩(wěn)定性較差?近年來，金剛石因其優(yōu)異的光學(xué)與力學(xué)性能，在集成光子學(xué)?傳感和量子光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景?
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? ? 在金剛石晶體中，碳原子以sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成共價鍵，構(gòu)成四面體，所有價電子都參與了共價鍵的形成?金剛石不僅硬度大?熔點高?高度透明，而且不導(dǎo)電?金剛石廣泛應(yīng)用于電子器械?機械加工?石油勘探?醫(yī)療等領(lǐng)域?
? ? 隨著量子信息科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，金剛石由于其出色的光電性能?化學(xué)穩(wěn)定性以及可在室溫下通過光學(xué)和磁共振方法實現(xiàn)自旋極化和調(diào)控的特性，有望應(yīng)用于固態(tài)量子系統(tǒng)中進行如磁場?電場?應(yīng)力?壓強?溫度以及核自旋等微小物理信號的靈敏探測?在高精度機械傳感方面，由于其高導(dǎo)熱性而具有低熱彈性損耗，使得機械諧振器在高頻率下工作而不受顯著阻尼的影響?
此外，金剛石提供的光學(xué)透明度是自然形成的材料中最寬的，從UV區(qū)域(—225 nm)延伸到太赫茲(THz)頻率，甚至微波區(qū)域(—8000 μm)，在這些波段具有低群速度色散，因此適用于制備集成光子學(xué)器件?
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? ? 近年來對金剛石光學(xué)活性缺陷中心的研究表明，在金剛石中有 500 種以上色心，它們的發(fā)射波長覆蓋紫外到近紅外波段，色心表現(xiàn)出高度穩(wěn)定的單光子熒光并提供一個可控的相干電子自旋，且具有長期的穩(wěn)定性和低聲子態(tài)密度從而導(dǎo)致低的電子-聲子耦合?而且金剛石的德拜溫度極高，這使得其聲子誘導(dǎo)的相位變化概率很低?因此，金剛石色心已經(jīng)成為不需要在低溫條件下操作的固態(tài)單光子發(fā)射器的唯一候選?
02?金剛石微納結(jié)構(gòu)加工
? ? 然而在實際應(yīng)用中，由于金剛石材料本身的超高硬度?高折射率和低電導(dǎo)率等特點，利用常規(guī)方法很難在合適的位置精確形成設(shè)計的微納結(jié)構(gòu)?
? ? 要利用金剛石進行光子器件和探測器的制造，例如在金剛石內(nèi)部直寫石墨導(dǎo)電回路等三維微納結(jié)構(gòu)以及圖案化金剛石色心，發(fā)展一種高效可控的在其內(nèi)部制備微納米結(jié)構(gòu)的方法是必須的?
? ?最近，有研究利用各向異性的等離子體斜角度蝕刻金剛石，這種角度蝕刻方法可在大塊單晶金剛石表面制造獨立的納米尺度組件，包括納米機械諧振器 ?光波導(dǎo)?光子晶體和微盤腔等?但與其他方法一樣，其制備的幾何結(jié)構(gòu)僅限于在金剛石表面?
? ? 另外，傳統(tǒng)的高能射線輻照等色心制備方法很難實現(xiàn)在金剛石內(nèi)部任意位置精確誘導(dǎo)色心，限制了色心與微納光學(xué)結(jié)構(gòu)集成的空間自由度?離子注入法以唯一能實現(xiàn)指定位置亞微米級精度色心分布的方法被廣泛研究，但受電子束能量和金剛石表面損傷閾值的限制，這種方法只適合在金剛石表面和較淺層位置誘導(dǎo)色心，且后續(xù)熱處理工序會對金剛石內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能帶來負面影響。
03?飛秒激光誘導(dǎo)金剛石色心
? ? 相對而言，飛秒激光直寫技術(shù)對材料的加工基于多光子吸收等非線性過程，可在表層無損的情況下聚焦到金剛石內(nèi)部，并突破衍射極限誘導(dǎo)產(chǎn)生高空間分辨的復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)?通過調(diào)整加工參數(shù)，采用飛秒激光可以在金剛石實現(xiàn)包含內(nèi)部和表面色心?折射率變化?微孔洞和微裂紋等多種微結(jié)構(gòu)的精準誘導(dǎo)，并通過各種微結(jié)構(gòu)的組合制備多種功能性光電器件，這些結(jié)構(gòu)在單光子產(chǎn)生?光波導(dǎo)?探測等方面具有重要的應(yīng)用前景?
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? ? 利用飛秒激光輻照在金剛石表面形成色心的基本原理為：當(dāng)飛秒激光脈沖聚焦在金剛石表面附近，激光脈沖具有超高的峰值功率，在空氣中傳播時會形成強電場，強電場電離空氣產(chǎn)生大量電子，并加速電子沿著激光傳播方向高速行進，高速電子轟擊金剛石晶格可產(chǎn)生晶格空穴，空穴與氮原子等雜質(zhì)原子在隨后的熱處理過程中結(jié)合產(chǎn)生色心?
? ? 盡管飛秒激光直寫誘導(dǎo)金剛石微納結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景廣闊，但還亟需解決一些關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)問題:其一，在飛秒激光直寫金剛石波導(dǎo)的過程中需要研究損耗形成的機理，開拓降低傳輸損耗和耦合損耗以及彎曲損耗的技術(shù);其二，優(yōu)化色心制備技術(shù)，精準無損誘導(dǎo)色心的形成，降低后續(xù)熱處理對其色心性能的影響;其三，進一步拓展飛秒激光誘導(dǎo)金剛石結(jié)構(gòu)在量子操控以及精密探測等領(lǐng)域的應(yīng)用?
? ? 總體來說，激光加工憑借其高效率、低能耗、高柔性等特點，已經(jīng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域里對 傳統(tǒng)加工方式進行替代，給全球制造業(yè)帶來了革命性的轉(zhuǎn)變。隨著激光在金剛石工業(yè)領(lǐng)域滲透進程的不斷推進，成為實現(xiàn)金剛石功能應(yīng)用的有效工具，“激”發(fā)金剛石未來應(yīng)用無限可能！
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? ? 而在最近的疫情3年時間內(nèi)，河南合贏激光科技有限公司，聯(lián)合河南的超硬材料行業(yè)的幾大高等院校和實力企業(yè)，也在激光拋光領(lǐng)域進行了更進一步的深入研究，有興趣的可以研究交流一下。
一種用于超硬材料的激光拋光技術(shù)及加工方法
1、本激光拋光技術(shù)，涉及一種用于超硬材料的激光拋光技術(shù)及加工方法。
2、超硬材料如金剛石、鉆石、碳化硅等的拋光有很大的市場需求，常規(guī)的拋光方式一般為研磨式拋光，配合硬度更高的材料微粉單粒研磨拋光生產(chǎn)，需要經(jīng)過粗研磨、精研磨、粗拋光、精拋光等多種工序，這些工序所涉及的設(shè)備較多也較為復(fù)雜，拋光耗時非常長。
3、本激光拋光技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效的對超硬材料進行拋光處理，具有拋光速度快，設(shè)備損耗低的特點。
4、我們解決的技術(shù)問題是提供一種用于超硬材料的激光拋光技術(shù)及其加工方法。
5、為解決上述激光拋光技術(shù)問題，我們是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：提供一種用于超硬材料的激光拋光技術(shù)，包括激光器、振鏡、控制卡、以及光束處理組件，所述激光器與所述光束處理組件連接，所述光束處理組件輸出的激光光束與待拋光樣品表面呈一定的傾斜角，所述傾斜角的角度為0°—90°，所述激光器為納秒激光器（ns）、皮秒激光器（ps）、飛秒激光器（fs）
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