中國粉體網訊 金剛石是自然界中硬度最高的物質之一，具有高硬度、高導熱性、高化學穩定性等諸多優異特性。但同時它也被稱之為“最難加工”的材料，其高硬度也給加工帶來了巨大挑戰。隨著近年來化學氣相沉積(CVD)技術的快速發展，在推動人工培育鉆石成本的迅速降低，促進CVD金剛石的廣泛應用的同時，也對金剛石的精細加工也提出了迫切需求。激光技術作為一種高精度、非接觸式的加工方法，為金剛石加工提供了新的解決方案，在該領域的研究和應用也日益受到關注。
激光加工金剛石的原理
激光加工是利用高能量密度的激光束作用于金剛石材料表面，使材料局部產生熔化、汽化等物理變化來實現加工的目的。激光束聚焦后在很小的光斑區域內產生極高的能量密度，其能量密度可以達到每平方厘米數兆瓦甚至更高。
熱效應原理
激光的熱效應是加工金剛石的主要原理之一。由于激光能量高度集中，照射區域的溫度迅速升高，當溫度達到金剛石的熔點（約4000-4500K）時，金剛石開始熔化。進一步增加激光能量，溫度持續上升，當達到沸點（約5100K左右）時，金剛石會汽化。通過控制激光的功率、脈沖寬度、頻率等參數，可以精確地控制材料的熔化和汽化程度，從而實現切割、打孔、雕刻等不同的加工方式。
光化學原理
除了熱效應，在某些特殊的激光加工過程中，還可能涉及光化學原理。對于紫外激光等短波長激光，其光子能量較高。當光子能量高于金剛石中碳原子之間共價鍵的鍵能時，會引發光化學反應。這種光化學反應可以使碳原子之間的化學鍵斷裂，直接導致材料的分解，而不一定完全依賴于熱效應來實現加工。這種光化學作用的加工精度相對更高，因為它可以更精準地破壞特定位置的化學鍵，而不像熱作用那樣可能會產生較大范圍的熱影響區。不過，光化學加工通常需要特定波長的激光和合適的加工環境，并且在實際應用中相對熱加工來說較為復雜。
激光技術在金剛石加工中的研究進展
（一）加工精度的提升
隨著激光技術的發展，尤其是超短脈沖激光的出現，加工精度得到了極大的提高。超短脈沖激光的脈寬可以達到皮秒（10-12秒）甚至飛秒（10-15秒）級別。這種極短的脈沖寬度使得激光與材料相互作用時間極短，在材料還來不及發生熱擴散時，加工過程就已經完成。研究人員通過實驗發現，使用飛秒激光加工金剛石時，熱影響區可以控制在微米甚至亞微米級別。這對于制作高精度的金剛石微納結構，如用于微機電系統（MEMS）的金剛石微傳感器等非常重要。
（二）加工效率的優化
多光束激光加工技術是提高加工效率的一個研究方向。通過同時使用多束激光對金剛石進行加工，可以成倍地提高加工速度。例如，在對大面積的金剛石襯底進行表面紋理化加工時，采用多光束激光系統可以在短時間內完成復雜的紋理圖案加工。此外，研究人員還在探索如何優化激光參數（如功率、脈沖頻率等）來提高加工效率。通過建立激光與金剛石相互作用的數學模型，模擬不同參數下的加工過程，尋找最佳的加工參數組合。
（三）新的加工工藝研究
激光輔助化學機械拋光（L-CMP）是一種結合激光技術和傳統化學機械拋光的新工藝。在這種工藝中，首先利用激光對金剛石表面進行預處理，改變表面的微觀結構和化學性質，然后再進行化學機械拋光。這樣可以降低拋光過程中的摩擦力和材料去除率的不均勻性，提高拋光質量。
還有激光誘導等離子體加工（LIP）技術，它利用激光產生的等離子體來加工金剛石。當激光能量足夠高時，在材料表面會產生等離子體，等離子體中的高能粒子可以對金剛石進行蝕刻等加工，這種技術對于加工高深寬比的金剛石結構有一定優勢。
激光技術在金剛石加工中的應用進展
（一）在超硬刀具制造中的應用
金剛石刀具是切削加工中的超硬刀具，用于加工高硬度材料如硬質合金等。激光技術可以用于制造和修復金剛石刀具。在制造過程中，可以通過激光切割將金剛石原料加工成刀具的形狀，并且通過激光焊接將金剛石刀頭與刀柄連接起來。在刀具磨損后，利用激光熔覆等技術可以在磨損部位添加新的金剛石材料，恢復刀具的切削性能。例如，在汽車發動機制造行業，需要使用金剛石刀具對發動機的關鍵零部件（如曲軸等）進行精密加工，激光技術制造的刀具能夠保證刀具的精度和使用壽命，提高加工質量。
（二）在金剛石首飾加工中的應用
激光技術在金剛石首飾加工中應用廣泛。在鉆石切割方面，激光可以實現高精度的切割，能夠切割出復雜的形狀和圖案，滿足不同消費者的個性化需求。例如，一些具有特殊造型的鉆石飾品，如心形、五角星等形狀，就是通過激光切割技術實現的。 在鉆石刻字方面，激光可以在鉆石表面刻出精細的文字和圖案。與傳統的刻字方法相比，激光刻字精度更高，不會對鉆石造成機械損傷，并且可以刻出更小的字體和更復雜的圖案。
（三）在電子領域的應用
在電子領域，金剛石作為一種優良的散熱材料，被廣泛應用于大功率電子器件的散熱片。激光技術可以用于加工散熱片的微通道等結構。通過激光微加工，可以在金剛石散熱片上制造出高精度的微通道，增加散熱面積，提高散熱效率。同時，對于金剛石基的電子器件，如金剛石半導體器件，激光技術可以用于加工器件的電極、有源區等結構，有助于提高器件的性能和集成度。
歧管式金剛石微通道實物圖 圖源：論文
面臨的挑戰與展望
面臨的挑戰
材料損傷問題：盡管超短脈沖激光可以減小熱影響區，但在實際加工中，由于激光能量分布的不均勻性等因素，仍然可能會導致金剛石材料局部損傷，如微裂紋的產生。這些微裂紋會影響金剛石制品的強度和性能。
加工成本較高：目前，高精度的激光加工設備價格昂貴，而且激光加工過程中的能量消耗也比較大。同時，一些特殊的激光加工工藝（如飛秒激光加工）還需要在特殊的環境條件下進行，這也增加了加工成本。
工藝兼容性問題：激光加工與傳統加工工藝的結合還存在一些問題。例如，在激光加工后的表面可能會存在一些殘留物或者微觀結構變化，這些會影響后續傳統加工工藝（如電鍍、化學鍍等）的質量。
隨著激光技術的不斷發展，有望開發出更先進的激光源。例如，更高功率、更短脈沖寬度的激光設備，這將進一步提高加工精度和效率。同時，通過改進激光光束的整形技術，可以使激光能量分布更加均勻，減少材料損傷。在降低成本方面，一方面可以通過大規模生產降低激光加工設備的價格，另一方面可以研究新的激光加工工藝，提高能源利用率。雖然激光加工金剛石還存在許多問題，但未來激光加工仍會是金剛石加工領域的主要技術之一。激光加工技術也會更加成熟以滿足各種加工需求，并逐漸向高效、高精度、低損傷、高度集成及生產自動化方面發展。
參考來源：
葉盛，等：激光技術在金剛石加工中的研究及應用進展
付強，等：多焦點超快激光并行加工單晶金剛石
（中國粉體網編輯整理/留白）
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