中国粉体网讯 金刚石是自然界中硬度最高的物质之一，具有高硬度、高导热性、高化学稳定性等诸多优异特性。但同时它也被称之为“最难加工”的材料，其高硬度也给加工带来了巨大挑战。随着近年来化学气相沉积(CVD)技术的快速发展，在推动人工培育钻石成本的迅速降低，促进CVD金刚石的广泛应用的同时，也对金刚石的精细加工也提出了迫切需求。激光技术作为一种高精度、非接触式的加工方法，为金刚石加工提供了新的解决方案，在该领域的研究和应用也日益受到关注。
激光加工金刚石的原理
激光加工是利用高能量密度的激光束作用于金刚石材料表面，使材料局部产生熔化、汽化等物理变化来实现加工的目的。激光束聚焦后在很小的光斑区域内产生极高的能量密度，其能量密度可以达到每平方厘米数兆瓦甚至更高。
热效应原理
激光的热效应是加工金刚石的主要原理之一。由于激光能量高度集中，照射区域的温度迅速升高，当温度达到金刚石的熔点（约4000-4500K）时，金刚石开始熔化。进一步增加激光能量，温度持续上升，当达到沸点（约5100K左右）时，金刚石会汽化。通过控制激光的功率、脉冲宽度、频率等参数，可以精确地控制材料的熔化和汽化程度，从而实现切割、打孔、雕刻等不同的加工方式。
光化学原理
除了热效应，在某些特殊的激光加工过程中，还可能涉及光化学原理。对于紫外激光等短波长激光，其光子能量较高。当光子能量高于金刚石中碳原子之间共价键的键能时，会引发光化学反应。这种光化学反应可以使碳原子之间的化学键断裂，直接导致材料的分解，而不一定完全依赖于热效应来实现加工。这种光化学作用的加工精度相对更高，因为它可以更精准地破坏特定位置的化学键，而不像热作用那样可能会产生较大范围的热影响区。不过，光化学加工通常需要特定波长的激光和合适的加工环境，并且在实际应用中相对热加工来说较为复杂。
激光技术在金刚石加工中的研究进展
（一）加工精度的提升
随着激光技术的发展，尤其是超短脉冲激光的出现，加工精度得到了极大的提高。超短脉冲激光的脉宽可以达到皮秒（10-12秒）甚至飞秒（10-15秒）级别。这种极短的脉冲宽度使得激光与材料相互作用时间极短，在材料还来不及发生热扩散时，加工过程就已经完成。研究人员通过实验发现，使用飞秒激光加工金刚石时，热影响区可以控制在微米甚至亚微米级别。这对于制作高精度的金刚石微纳结构，如用于微机电系统（MEMS）的金刚石微传感器等非常重要。
（二）加工效率的优化
多光束激光加工技术是提高加工效率的一个研究方向。通过同时使用多束激光对金刚石进行加工，可以成倍地提高加工速度。例如，在对大面积的金刚石衬底进行表面纹理化加工时，采用多光束激光系统可以在短时间内完成复杂的纹理图案加工。此外，研究人员还在探索如何优化激光参数（如功率、脉冲频率等）来提高加工效率。通过建立激光与金刚石相互作用的数学模型，模拟不同参数下的加工过程，寻找最佳的加工参数组合。
（三）新的加工工艺研究
激光辅助化学机械抛光（L-CMP）是一种结合激光技术和传统化学机械抛光的新工艺。在这种工艺中，首先利用激光对金刚石表面进行预处理，改变表面的微观结构和化学性质，然后再进行化学机械抛光。这样可以降低抛光过程中的摩擦力和材料去除率的不均匀性，提高抛光质量。
还有激光诱导等离子体加工（LIP）技术，它利用激光产生的等离子体来加工金刚石。当激光能量足够高时，在材料表面会产生等离子体，等离子体中的高能粒子可以对金刚石进行蚀刻等加工，这种技术对于加工高深宽比的金刚石结构有一定优势。
激光技术在金刚石加工中的应用进展
（一）在超硬刀具制造中的应用
金刚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质合金等。激光技术可以用于制造和修复金刚石刀具。在制造过程中，可以通过激光切割将金刚石原料加工成刀具的形状，并且通过激光焊接将金刚石刀头与刀柄连接起来。在刀具磨损后，利用激光熔覆等技术可以在磨损部位添加新的金刚石材料，恢复刀具的切削性能。例如，在汽车发动机制造行业，需要使用金刚石刀具对发动机的关键零部件（如曲轴等）进行精密加工，激光技术制造的刀具能够保证刀具的精度和使用寿命，提高加工质量。
（二）在金刚石首饰加工中的应用
激光技术在金刚石首饰加工中应用广泛。在钻石切割方面，激光可以实现高精度的切割，能够切割出复杂的形状和图案，满足不同消费者的个性化需求。例如，一些具有特殊造型的钻石饰品，如心形、五角星等形状，就是通过激光切割技术实现的。 在钻石刻字方面，激光可以在钻石表面刻出精细的文字和图案。与传统的刻字方法相比，激光刻字精度更高，不会对钻石造成机械损伤，并且可以刻出更小的字体和更复杂的图案。
（三）在电子领域的应用
在电子领域，金刚石作为一种优良的散热材料，被广泛应用于大功率电子器件的散热片。激光技术可以用于加工散热片的微通道等结构。通过激光微加工，可以在金刚石散热片上制造出高精度的微通道，增加散热面积，提高散热效率。同时，对于金刚石基的电子器件，如金刚石半导体器件，激光技术可以用于加工器件的电极、有源区等结构，有助于提高器件的性能和集成度。
歧管式金刚石微通道实物图 图源：论文
面临的挑战与展望
面临的挑战
材料损伤问题：尽管超短脉冲激光可以减小热影响区，但在实际加工中，由于激光能量分布的不均匀性等因素，仍然可能会导致金刚石材料局部损伤，如微裂纹的产生。这些微裂纹会影响金刚石制品的强度和性能。
加工成本较高：目前，高精度的激光加工设备价格昂贵，而且激光加工过程中的能量消耗也比较大。同时，一些特殊的激光加工工艺（如飞秒激光加工）还需要在特殊的环境条件下进行，这也增加了加工成本。
工艺兼容性问题：激光加工与传统加工工艺的结合还存在一些问题。例如，在激光加工后的表面可能会存在一些残留物或者微观结构变化，这些会影响后续传统加工工艺（如电镀、化学镀等）的质量。
随着激光技术的不断发展，有望开发出更先进的激光源。例如，更高功率、更短脉冲宽度的激光设备，这将进一步提高加工精度和效率。同时，通过改进激光光束的整形技术，可以使激光能量分布更加均匀，减少材料损伤。在降低成本方面，一方面可以通过大规模生产降低激光加工设备的价格，另一方面可以研究新的激光加工工艺，提高能源利用率。虽然激光加工金刚石还存在许多问题，但未来激光加工仍会是金刚石加工领域的主要技术之一。激光加工技术也会更加成熟以满足各种加工需求，并逐渐向高效、高精度、低损伤、高度集成及生产自动化方面发展。
参考来源：
叶盛，等：激光技术在金刚石加工中的研究及应用进展
付强，等：多焦点超快激光并行加工单晶金刚石
（中国粉体网编辑整理/留白）
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