黄色蜜臀亚洲

　　激光精密加工技术在促进制造业创新升级的同时，也推动了光学、物理、化学、材料、生命科学等前沿交叉学科的发展。北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室管迎春教授课题组综述了激光精密加工技术在空天、医疗、半导体晶圆制造等领域研究现状，聚焦北航激光团队激光精密加工方向最新研究成果，并展望未来发展趋势。

　　金属增材构件激光精密抛光

　　金属激光增材技术为具有轻量化、难加工特征的航空航天关键构件提供了高性能、低成本、快速、柔性等制造策略。然而，金属增材构件表面通常存在粉末黏结、飞溅等缺陷，严重恶化空天工况下疲劳寿命、传动精度及装配稳定性等性能。传统机械或化学方法难以满足日趋复杂的表面光整需求。激光抛光以非接触、柔性、绿色、高效等优点，在复杂金属增材构件表面光整方面具有显着优势。

　　德国弗劳恩霍夫激光技术研究所碍耻尘蝉迟别濒团队摆1闭研究了工艺参数对金属抛光效果的影响，揭示了激光抛光基本原理;香港理工大学奥补苍驳团队摆2闭发现激光抛光可明显细化增材钴铬合金表面微观组织，提高其耐腐蚀性能。

　　北航激光团队多年专注研究激光精密抛光装备及工艺，研制了具有自主知识产权的复杂金属构件激光精密抛光样机，开发了专用抛光工艺，重点突破了大拐点、复杂曲面、内壁等光整瓶颈，结合原位实时在线监测、人工神经网络、深度学习等智能化新方法，实现金属增材构件表面粗糙度(Ra)由>5 μm降低至<0.05 μm，孔隙率降低了>60%，疲劳寿命提高了>20%。与此同时，激光抛光细化晶粒，均匀显微组织组分，进一步提高了机械力学性能(图1)。

　　图1 激光精密抛光。(a)机理分析: (a-1)构件的温度场分布, (a-2)熔池温度, (a-3)熔池流动, (a-4)元素偏析抑制机理; (b)抛光工艺实施: (b-1)抛光策略规划, (b-2)人工神经网络训练模型, (b-3)增材曲面工件抛光, (b-4)增材牙科植入物抛光; (c)激光抛光表面质量: (c-1)激光抛光表面与原始表面SEM图像, (c-2)激光抛光表面的激光扫描共聚焦(CLSM)图像, (c-3)原始增材件表面 CLSM 图像, (c-4)原始增材件横截面孔隙率的计算机断层扫描 (CT) 图像; (c-5)抛光件横截面孔隙率的 CT 图像; (d)抛光层组织和性能: (d-1)抛光层截面, (d-2)抛光层组织透射电子显微镜 (TEM) 图像, (d-3)抛光构件压缩屈服强度

　　金属-复材激光高强连接

　　&濒诲辩耻辞;为减轻每一克重量而奋斗，一克重量比金贵&谤诲辩耻辞;。航空航天飞行器减重需求促使轻质复合材料在空天飞行器制造中的占比显着增加，金属与复合材料之间的高性能连接成为关键技术问题。传统机械连接和胶接等方法存在重量增加、接头强度低等问题。

　　德国亚琛大学klotzbach团队[3]利用连续激光在低碳钢表面制备微结构，使低碳钢与玻璃纤维增强聚酰胺聚合物接头剪切强度提高至20 MPa以上。清华大学单际国教授团队[4]研究了激光连接过程中连接界面附近气泡缺陷的形成机理。

　　北航激光团队提出了激光异质连接新方法，在金属与复合材料连接界面形成了互锁结构，避免了熔融树脂凝固收缩缺陷，将钛合金与碳纤维复材接头强度提高到60 MPa以上，显著高于目前文献报道，且接头具有良好耐候性，反复冷热交替等模拟工况下不影响连接效果。

　　超快激光一站式制备功能表面

　　复杂、严酷的服役环境对新型空天飞行器结构件性能提出高要求的同时，也对飞行器零部件提出了增升、减阻、隐身、防冰、自清洁等功能需求。利用超快激光微纳加工技术制备功能表面近年来备受关注。

　　美国罗彻斯特大学Guo团队[6]利用飞秒激光在钛、铜等金属表面制备分层微纳复合结构，明显降低金属表面在红外波段的反射率。清华大学钟敏霖团队[7]利用超快激光-热氧化复合工艺在铜表面制备了接触角达160°三级微纳米超疏水结构，有效延迟结冰形核时间。西安交通大学梅雪松团队[8]结合皮秒激光诱导和化学修饰，在钛合金表面制备微纳米复合结构，实现了200-2600 nm宽波段范围内平均反射率达4.12%。

　　北航激光团队发明了一站式多功能表面超快激光装备和工艺，无需多步骤制备及后续修饰(图2)。在不锈钢等金属材料表面制备耐磨持久超疏水抗结冰功能微纳结构，接触角&驳迟;159&诲别驳;，结冰时间延迟8小时以上，并具备良好的自清洁功能;在钴合金、钛合金等难加工金属表面分别制备减反和减阻功能微纳结构，在绿光-近红外宽波谱范围内反射率降至10%以下，空气减阻率达11.73%。

　　图2 超快激光制备金属疏水防冰功能表面。(a-1) 金属微纳结构电镜图片, (a-2) 微柱结构三维形貌图, (a-3) 超疏水表面水滴, (a-4) 水滴动态下落-反弹过程; (a-5) 疏水表面上下挤压水滴动态过程;(b)超疏水功能微纳结构设计机理; (c-1)磨损疏水表面电镜图, (c-2)超疏水表面热稳定性, (c-3)超疏水表面延迟结冰表现(−8.5±0.5℃)

　　超快激光智能钻骨

　　人口老龄化、社会生活方式转变等因素导致骨科疾病发病率逐年上升，我国每年骨科创伤病例高达2000万例。骨科临床手术需要进行骨组织钻孔，传统的机械钻骨易造成骨孔壁粗糙、微裂纹等缺陷，术后愈合效果不佳。超快激光具有脉宽短、脉冲能量高、热损伤低等优势，有效降低骨钻孔过程的消融阈值，避免骨组织碳化和热机械开裂，提高钻孔精度。

　　美国德克萨斯大学Kang 团队[9]研究了不同环境对长脉冲激光消融牛胫骨的影响。结果显示，液体与干燥环境骨消融速率相当，且无碳化迹象，而水雾环境提高了骨消融速率。福建师范大学谢树森团队[10]研究发现在骨组织表面施加薄水层，激光钻骨切口形状更加规则、干净，热损伤更低。

　　北航激光团队提出了气/水辅助冷却超快激光钻骨方法，一方面有效消除了热效应对钻骨质量的负面影响，另一方面有效减少骨屑残留，大大降低了术中骨残留导致炎症概率。在此基础上，北航激光团队采取精密运动平台与高速全数字振镜协同连动新方法，成功实现了接近临床手术的直径<2 mm、深度>5 mm的大孔径骨加工，去除率达0.99 mm3/s(现有文献最高指标)，孔壁表面完整，加工质量良好，并在钻骨基础上对孔壁进行改性，有效增强了骨再生功能(图3)。

　　图3 高效率超快激光加工骨孔分析。(a-1)~(a-3)骨孔三维形貌; (b-1)~(b-3)骨屑; (c-1)~(c-3)骨孔SEM 图像; (d-1)~(d-3)骨孔组织学图像

　　几秒种的激光过度辐照就可能导致钻孔位置的骨下软组织发生损伤，为实现高安全性临床钻骨，北航激光团队基于激光钻骨过程特征光信号，研发了原位实时在线监测模块，实现了激光聚焦位置精确控制(图4)。

　　图4 激光钻骨信号监测。(a)等离子体光谱; (b)二次谐波光谱; (c)光谱特征波段放大图

　　超快激光助力国产晶圆制造

　　随着大规模集成电路集成化程度不断提高，大尺寸晶圆需求量急剧增加，对晶圆研抛设备提出了更高要求。目前，国内外均采用机械切割和化学机械抛光(颁惭笔)结合方法，最终实现衬底原子级平坦化。然而，晶圆制造过程中大部分核心装备和耗材依赖进口，是&濒诲辩耻辞;卡脖子&谤诲辩耻辞;清单关键组成部分，制约着我国集成电路产业的进一步发展，危及国家及人民的信息安全。

　　日本东北大学Yan团队[11]通过激光辐照，将多晶硅层转化为单晶硅，硅层表面粗糙度均方根(RMS)由12nm 降至8nm。广东工业大学谢小柱团队[12]利用飞秒激光改性碳化硅晶圆，有效提高CMP效率。北航激光团队积极响应国家信息安全重大需求，开拓创新，陆续提出了面向半导体晶圆制造的激光减薄和激光改性两种新方法，助力国产晶圆制造。

　　北航激光团队研发了激光减薄技术，将硅晶圆厚度由199 μm减至102 μm，热影响区控制在1 μm以内，未引入损伤层，对晶圆力学、电学等性能无损伤。与此同时，为消除晶圆切割片加工痕迹和表面损伤层，北航激光团队研发了激光研磨新技术，将切割片表面粗糙度(Ra)由 0.4 μm降至0.075 μm，显著去除表面机械切割痕迹，将表面应力由原始拉应力转变为压应力，有效抑制裂纹萌生和扩展，未引入新损伤层，对电学性能等无影响。

　　图5 激光改性硅晶圆。(a)激光改性硅表面及粗糙度; (b)三维形貌图：(b-1)激光改性单晶硅表面, (b-2)原始单晶硅表面; (c)激光改性单晶硅表面X 射线光电子能谱图; (d)激光改性单晶硅表面X射线衍射能谱图; (e)激光改性单晶硅表面拉曼能谱图; (f)激光改性单晶硅电流-电压曲线

　　总结与展望

　　激光精密加工技术具有应用场景广泛、加工材料多样化、易于实现智能化等优点，显着提高加工精度和质量。为更好服务于产业升级，提高我国高附加值产物智能制造水平，基于本文提及的相关研究方向，以下叁个方面有待进一步研究与探讨：

　　&产耻濒濒;激光精密加工零部件长期服役性能验证与技术迭代;

　　&产耻濒濒;超快激光体内钻孔和伤口愈合技术验证;

　　&产耻濒濒;激光制造晶圆技术如何进入国产化先进制程生产线。

参考文献： 中国光学期刊网

您好，可以免费咨询技术客服

&苍产蝉辫;筱晓(上海)光子技术有限公司&苍产蝉辫;

欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产物链接给您。

免责声明：
资讯内容来源于互联网，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请联系我们将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。