基于飞秒激光的CVD金刚石涂层抛光技术研究

论文摘要

CVD金刚石涂层具有硬度高、热导率高、绝缘性好、耐高温等特点,因此广泛沉积于各类刀具表面,以增强刀具表面硬度、耐磨性、以及使用寿命。但沉积的金刚石涂层具有较高的表面粗糙度,严重制约了在精密领域上的应用。因此,获得低的粗糙度表面是迫切需要解决的难题。虽然传统激光抛光技术在现实应用中取得了一些成果,但存在成本高,效率低等缺点,不适合对金刚石涂层进行抛光。由于飞秒激光具有脉冲宽度短、峰值功率高、加工热影响区小等优势,所以本课题采用飞秒激光对CVD金刚石涂层进行超精密抛光。其主要研究内容如下:(1)总结了CVD金刚石涂层抛光现状。结合国内外文献,概括CVD金刚石的传统抛光法存在的问题与不足。对此,提出飞秒激光抛光的新方法,并阐述了飞秒激光加工超硬材料的研究进展。(2)开展了飞秒激光与CVD金刚石涂层能量耦合及相互作用机理研究。建立了飞秒激光热源产生及热源能量分布的数学模型,并对材料与飞秒激光能量相互耦合过程中产生的多光子电离、雪崩电离、相爆炸、库伦爆炸以及周期性条纹结构的形成机制进行了系统性阐述,得出CVD金刚石涂层在飞秒激光作用下烧蚀去除的本质。(3)开展了飞秒激光抛光CVD金刚石涂层的试验研究。分析不同的飞秒激光加工参数(激光功率、重复频率、扫描速度)对加工结果的影响,结果显示:飞秒激光功率和扫描速度对表面粗糙度、表面微观形貌以及材料去除率有很大的影响;而重复频率对加工结果影响较小。通过多组试验分析得出:在飞秒激光功率100mW,扫描速度1.6mm/s时,抛光CVD金刚石涂层表面得到的粗糙度最低约为0.149μm;采用白光干涉仪、扫描电镜、拉曼光谱对金刚石涂层进行检测表征,结果表明:飞秒激光抛光区域不仅粗糙度明显降低,而且涂层表面更具有致密性以及无严重程度石墨化,基本符合CVD金刚石涂层低摩擦表面的要求;依据烧蚀切口形貌建立数学模型,通过数值拟合方法得出CVD金刚石涂层在不同功率下的最大去除率,从而提高了激光能量的利用率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 CVD金刚石涂层抛光的研究进展
•     1.2.1 金刚石基本特性
•     1.2.2 金刚石制备方法
•     1.2.3 CVD金刚石抛光研究现状
•   1.3 飞秒激光加工超硬材料研究进展
•     1.3.1 飞秒激光性质
•     1.3.2 飞秒激光加工研究现状
•   1.4 课题主要研究内容
• 第二章 飞秒激光与金刚石材料能量耦合机制
•   2.1 飞秒激光的产生原理
•     2.1.1 光子的基本性质
•     2.1.2 光的形成及光的放大
•   2.2 飞秒激光脉冲产生与放大
•     2.2.1 克尔透镜锁模
•     2.2.2 啁啾脉冲放大技术
•   2.3 飞秒激光特性及与CVD金刚石涂层相互作用机理
•     2.3.1 飞秒激光热源分布理论模型
•     2.3.2 飞秒激光去除CVD金刚石涂层物理模型
•     2.3.3 飞秒激光去除CVD金刚石涂层数学模型
•   2.4 飞秒激光诱导CVD金刚石涂层周期条纹结构理论机制
•     2.4.1 飞秒激光表面散射波干涉理论
•     2.4.2 飞秒激光表面等离子体激元干涉
•     2.4.3 自组织理论
•   2.5 飞秒激光对CVD金刚石烧蚀阈值及去除率研究
•     2.5.1 材料烧蚀阈值
•     2.5.2 材料烧蚀阈值的数学模型推算
•     2.5.3 飞秒激光加工过程中材料的去除
•     2.5.4 材料去除率理论模型推算
•   2.6 本章小结
• 第三章 飞秒激光抛光CVD金刚石涂层试验方案
•   3.1 试验材料
•   3.2 试验装置方法
•     3.2.1 试验及检测设备
•     3.2.2 飞秒激光试验装置
•     3.2.3 材料前后期预处理
•   3.3 试验方案与流程
•     3.3.1 飞秒激光抛光CVD金刚石试验参数
•     3.3.2 飞秒激光材料去除率试验参数
•     3.3.3 试验总流程示意图
•   3.4 本章小结
• 第四章 飞秒激光抛光CVD金刚石涂层试验研究
•   4.1 飞秒激光加工参数对CVD金刚石涂层表面粗糙度研究
•     4.1.1 飞秒激光功率对表面粗糙度的影响
•     4.1.2 飞秒激光重复频率对表面粗糙度的影响
•     4.1.3 飞秒激光扫描速度对表面粗糙度的影响
•   4.2 飞秒激光加工参数对CVD金刚石涂层表面微观形貌研究
•     4.2.1 飞秒激光功率对CVD金刚石涂层表面微观形貌影响
•     4.2.2 飞秒激光重复频率对CVD金刚石涂层表面微观形貌影响
•     4.2.3 飞秒激光扫描速度对CVD金刚石涂层表面微观形貌影响
•   4.3 CVD金刚石涂层抛光前后的形貌对比研究
•   4.4 飞秒激光金刚石涂层烧蚀阈值的推算
•   4.5 飞秒激光加工参数对材料去除率的结果研究
•     4.5.1 飞秒激光功率对材料去除率的影响
•     4.5.2 飞秒激光重复频率对材料去除率的影响
•     4.5.3 飞秒激光扫描速度对材料去除率的影响
•   4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张遥

导师: 马玉平

关键词: 金刚石,飞秒激光,能量耦合,表面粗糙度,材料去除率

来源: 安徽建筑大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 安徽建筑大学

基金: 安徽省教育厅自然科学研究项目—高速钢刀具表面金刚石涂层超精密复合抛光机理研究(KJ2015A050)

分类号: TN249;TB306

总页数: 75

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