基于飞秒激光的氧化硅纤维陶瓷加工研究

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1、硕士学位论文基于飞秒激光的氧化硅纤维陶瓷加工研究RESEARCHONPROCESSINGOFSILICAFIBERCERAMICBASEDONTHEFEMTOSECONDLASER郑立威哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TH161+.1学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文基于飞秒激光的氧化硅纤维陶瓷加工研究硕士研究生：郑立威导师：董志伟副教授申请学位：工学硕士学科：物理电子学所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classifie

2、dIndex:TH161+.1U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONPROCESSINGOFSILICAFIBERCERAMICBASEDONTHEFEMTOSECONDLASERCandidate：ZhengLiweiSupervisor：AssistantProf.DongZhiweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PhysicalEle

3、ctronicsAffiliation：SchoolofAstronaticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要氧化硅纤维陶瓷是种新型超硬复合材料，其在军工和民用产业上均有着广泛的应用，但国内外对这种材料的加工工艺与加工机理均尚无进行系统的研究工作，所以对其进行加工研究具有重大的意义。氧化硅纤维具有硬度大、强度高的特点，使用传统加工方法存在设备老

4、化严重、不能满足精度要求等缺点。针对以上问题，本文展开了针对氧化硅纤维的加工工艺与加工机理研究。本文在实验室的飞秒激光微加工系统的基础上，利用面积推算法获得了氧化硅纤维的飞秒激光破坏阈值，并辅以对蓝宝石材料的阈值测量，获得了破坏阈值与晶格结构的关系；同时得到了烧蚀阈值能量密度随脉冲个数的变化关系，并对变化原因进行了分析。结果表明蓝宝石的破坏阈值高于氧化硅纤维的，即飞秒激光微加工适用于氧化硅纤维陶瓷；材料中原子之间的作用力越强，则破坏这种材料所需要的能量越大；激光对材料的破坏存在孵化效应，即前一个激光脉冲

5、诱导的材料改性将在下一个脉冲持续期间发挥作用；激光辐照下氧化硅纤维孵化效应产生的原因是材料内部存在杂质，蓝宝石孵化效应的原因是存在晶格缺陷。本文利用光学显微镜和表面轮廓仪分析了加工方向、平均功率、加工速度、路径数目、激光偏振状态和重频等参数对氧化硅纤维陶瓷加工效果的影响，提出了加工参数的优选原则，并对微加工的参数进行了优选。结果表明垂直于纤维方向加工形貌优于沿着纤维方向加工，但沿着纤维方向加工出的沟槽垂直度较好，且单脉冲去除速率较大；随着平均功率的增加，去除速率增加，但热影响区增大，形貌变差；随着加工次

6、数的增加，沟槽深度先增加后不变，沟槽的宽度变化不大；沟槽深度与加工速度呈反相关关系，加工速度对沟槽的宽度影响不大；当激光为圆偏振光时，加工形貌与材料去除速率不受运动方向的影响，当激光为线偏振光时，不同运动方向情况下材料去除速率与表面形貌均有差别；低重频激光热影响区小，但加工边缘质量差，高重频激光恰与其相反。本文收集了实验过程中产生的等离子体发射谱线，并将飞秒激光和纳秒激光加工过程中等离子谱线发射元素进行对比，分析了飞秒激光加工氧化硅纤维陶瓷超硬材料的机理，获得了加工过程中的电荷转移过程。结果表明在飞秒激

7、光辐照下，材料中成键的电子通过多光子吸收达到激发态，使得共价键断裂，经电子退相和电子热平衡过程后，能量在材料表层几个纳米厚度的吸收层迅速累积，瞬时达到的温度远远超过材料的气化温度，最终发生等离子体喷射以实现材料去除，实现了飞秒激光的非热熔性加工。关键词：飞秒激光；氧化硅纤维陶瓷；阈值；切割；微加工机理-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSilicafiberceramicwhichisanewkindofsuperhardcompositematerialhasawiderangeofa

8、pplicationsbothinthemilitaryandcivilianindustriesdueofitsunparalleledadvantages.Theresearchonprocessingofthematerialisofgreatsignificance,forthereisstillnosystematicresearchworkathomeandabroad.Thehighhardnessandstrengthcha