陶瓷材料与激光微加工技术理论分析

杨佑旺

贵州遵义 563000

摘要：陶瓷材料，广义上指所有经过高温处理之后得到的固体无机非金属材料。本论文研究对象是石英陶瓷、氧化铝陶瓷等工程陶瓷材料。工程陶瓷在国防工业、航空航天、电子信息以及日常生活中的应用越来越广泛。传统的机械加工方法很难对常见的工程陶瓷如石英陶瓷、氧化铝陶瓷等进行精密加工。近年来激光微加工技术凭借其无接触、可加工微小复杂结构、加工质量好等特点，越来越受到材料微加工领域的重视。基于此，本文将分析陶瓷材料加工，激光微加工技术特点和激光与物质的相互作用机制等内容，为激光微加工在陶瓷材料的应用研究打下基础。

关键词：陶瓷材料；激光微加工；相互作用机理；

1. 引言

陶瓷材料根据其用途以及性能的不同可以分成两大类：传统陶瓷和特种陶瓷。传统陶瓷一般指利用不同的原料如长石、粘土等经过粉碎、成形、烧结等一系列的工艺过程形成的烧结体。传统陶瓷的主要制品有：日常生活使用的陶瓷、化工工业领域使用的陶瓷、电器设备使用的绝缘陶瓷等等。特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化合物为主要原料经过精细成型加工以及高温煅烧制成，如分别以Al₂O₃、ZrO₂、SiC、Si₃N₄、BN等为主要成分的陶瓷，目前已广泛应用于机械、电子、冶金、化工、能源等国民经济的各个领域。特种陶瓷又可以分为功能陶瓷和工程陶瓷两种。功能陶瓷是指利用陶瓷材料对声、光、电、热等具有的特殊的物理、化学性能制成的陶瓷。功能陶瓷材料的种类繁多，用途各异，如在电路传输方面使用的导电陶瓷、绝缘陶瓷，在微电子方面使用的微型陶瓷传感器等等。工程陶瓷是指在工程结构上所使用的陶瓷材料，也被称为高温结构陶瓷，它主要在高温环境下使用。工程陶瓷材料在高温环境下具有高强度、化学稳定性好等一系列的突出优势，是当今世界航空航天技术、微电子技术技术以及精细化工等领域中不可或缺的材料。

2. 陶瓷材料常见的加工方法

(1) 机械加工

机械加工的方法主要有以下几种：车削、钻削、磨削、研磨和抛光。其中磨削加工方法去除材料的主要原理是通过材料的脆性断裂去除，是陶瓷材料最常用的加工手段之一[5,6]。对于磨削加工，金刚石砂轮磨料粒度对磨削后样品陶瓷的表面质量的影响比较大，需要严格控制磨料的粒度，粒度过大磨削质量较差并且会产生较多的裂纹，影响表面光洁度；粒度过小时会造成磨削工具的堵塞，加快刀具的磨损。钻削加工是加工小孔的常用方法，但是由于工具尺寸以及材料特性的限制，利用钻削加工只能进行直径在毫米级通孔的加工，对微小孔径的小孔无法加工。研磨和抛光是加工微尺寸零件的主要方法，但是目前还只能进行简单球面、圆柱面结构的加工，目前对于较薄（厚度小于1mm）陶瓷的机械加工方法普遍存在着易碎裂的问题，无法满足定点、复杂结构、高精度的加工要求。

(2) 超声加工

超声加工方法是靠磨料的冲击作用实现材料的去蚀的，首先使工具在电流的驱动下超声频小振幅的振动，迫使分散在工作液中的磨料对材料表面反复不停地进行冲击，逐渐使材料表面发生碎裂，进而脱离材料基体，实现去除。采用超声加工方法加工不同的材料需要用到不同的磨料，常用的磨料有刚玉、碳化硅、碳化硼、金刚石粉等。目前超声加工技术虽然在各领域的研究较为广泛，但是由于超声加工方式本身的特点决定了其加工速度较慢，并且对于工具的磨损较为严重，所以并未在工业应用领域得到推广。

(3)激光加工

目前，激光加工技术越来越受到精密加工行业的重视。激光加工过程中激光功率密度在聚焦之后可以达107~1011W/cm²，因此激光对几乎任意的材料都可以进行加工，是解决各种硬脆材料难以加工的有效途径。目前，一般的陶瓷打孔、切割等常用二氧化碳激光器Nd:YAG激光器，但是由于二氧化碳和Nd:YAG激光属于红外波段激光，主要依靠光热作用使材料发生熔化、汽化等实现材料的去除，在去除材料的同时对材料的周边区域的热影响较大，并且很容易由于热量集中导致热应力增大，使陶瓷材料产生裂纹甚至断裂。因此，对于微小尺寸图形的加工，波长较短的紫外激光或者脉宽较窄的纳秒、皮秒以及飞秒激光器正成为目前研究的热点。

3. 激光微加工技术特点及其在材料加工中的优势

相比于常规的机械加工、电学加工等手段，激光在材料微加工技术的优势主要体现在以下几个方面：

(1)激光加工的速度快、效率高，具有明显的经济实用性和现实性。

(2)激光光束的脉冲窄、峰值功率高，焦点处的激光功率密度高达107~1011W/cm²，理论上可以加工金属、半导体、陶瓷、宝石以及有机物等多种材料。

(3)激光加工无接触、无应力，对加工区域损伤小，具有较高的加工精度和重复率，可以实现复杂尺寸的零件加工。

(4)不存在工具磨损，也不会产生材料粉末、碎屑等一些了的环境污染问题，被称为“绿色的加工制造技术”。

(5)激光加工系统可以实现光、机、电一体化工作，和自动控制系统及微机系统相互配合，便于进行工业化、规模化生产。

(6)对材料利用率高，减少资源浪费，提高经济效益。人们在激光产生之时就意识到了激光在加工领域的突出优势，在二十世纪七十年代就开始将激光技术应用于工业加工制造领域，人们首先将激光应用于板材的切割，如硬质木材的切槽与划线，刀片的切割等。

4. 激光与物质的相互作用机制

研究激光与物质间的相互作用过程是进行激光加工工作的前提和基础，激光加工材料的过程与结果主要与激光的特性和材料的性质有关系。在不同的材料与不同波长、功率大小等的激光相互作用时其机理有所不同，包括有光化学作用机制和热作用机制。

(1)光热作用机制

目前研究激光去除物质的过程最为普遍的是材料的光热作用去除机制。光热作用去除加工过程大体分为以下几个主要过程：激光照射材料表面，部分激光能量被材料吸收；激光能量被材料吸收后材料温度升高；材料温度升高后通过熔化、汽化等物理过程实现材料的分离；最终温度降低，材料冷凝。不同类型的激光加工工艺需要材料达到状态不一样。打孔、切割等加工需要激光对材料持续加热到汽化进而实现材料去除；而对于焊接加工等只需要将材料加热到熔化程度而不要求去除材料；对于激光热处理等工艺过程只需要将材料特定区域加热至特定的温度即可。

(2)光化学作用机制

激光的光化学加工方法又被称为“冷加工”，光化学作用过程是一个纯粹的化学过程。发生光化学作用的必要条件是入射光束的能量密度大于所加工材料的化学结合键能。当激光进行光化学作用去除材料时，激光光子能够直接打断材料的化学键进而使材料离解。当化学键的打断速度大于其结合速度时，材料加工区域的局部气压将会升高并使离解之后的材料迅速膨胀，最终以爆炸的形式脱离基体并且带走剩余的热量。这种加工过程中激光的作用时间通常很短，对周边材料的热影响区域非常小，得到的加工截面也较为平整，从而可以获得较高的激光加工精度与表面质量。

4. 结束语

传统的机械加工方法很难对常见的工程陶瓷如石英陶瓷、氧化铝陶瓷等进行精密加工，工程陶瓷材料在高温环境下具有高强度、化学稳定性好等一系列的突出优势，是当今世界航空航天技术、微电子技术技术以及精细化工等领域中不可或缺的材料。本文主要介绍了陶瓷材料及其常见的加工方法；重点介绍了激光技术的特点及其在材料加工行业的应用发展情况；阐述了激光加工的作用机理，希望对该方面的研究有指导意义。

参考文献

1. 袁巨龙. 功能陶瓷的超精密加工技术. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2000,1~2

2. 陈明君, 董申, 张飞虎等, 陶瓷材料的超精密磨削加工. 工具技术, 1999,33(9):3~4

3. 张永康. 激光加工技术. 北京：化学工业出版社, 2004,14~15

作者：杨佑旺，身份证号：522128198501052039。