飞秒激光与铝基碳化硅金属基复合材料的相互作用机制

《Materials Chemistry and Physics》：Interaction mechanism of femtosecond laser and aluminum-based silicon carbide metal matrix composites

飞秒激光加工Al-SiC复合材料揭示了非线性吸收、能量传递及去除机制，通过多光谱检测发现电子散射弛豫时间<10 ps，电子-声子耦合弛豫10-100 ps，非平衡动力学主导约1000 ps的激光诱导区域扩展，微孔含裂纹及氧化物（Al?O?/SiO?），去除机制涉及库仑爆炸、汽化、等离子冲击和热应力。

　　

Jiecai Feng|Xing Wang|Hongfei Liu|Yanning Sun|Xiaohai Peng|Yilian Zhang|Yingzhong Tian

上海大学机电工程与自动化学院，中国上海200444

摘要

近年来，由于飞秒激光具有超短脉冲宽度和超高瞬时能量，它已成为加工基于铝的碳化硅颗粒金属基复合材料（Al-SiC复合材料）的可行方法。这类复合材料因具有重量轻、比刚度高和耐磨性好的优异性能而在航空航天等领域得到广泛应用。然而，飞秒激光与Al-SiC复合材料之间的相互作用机制仍不明确。因此，在本文中，我们结合了自开发的原位飞秒泵浦-探测时间演化成像检测技术、飞秒瞬态吸收光谱技术和X射线衍射技术，揭示了飞秒激光与Al-SiC复合材料之间的相互作用机制，包括飞秒激光能量的非线性吸收、能量传递和烧蚀过程。研究结果表明，电子散射松弛时间小于10皮秒，而电子-声子耦合松弛时间范围约为10至100皮秒。在飞秒激光处理Al-SiC复合材料的过程中，能量吸收和传递的非平衡动力学在大约1000皮秒内受到光子-电子-声子-晶格相互作用的支配，导致激光诱导区域逐渐扩大。通过飞秒激光处理，Al-SiC复合材料形成了含有微孔、裂纹以及颗粒状和絮状氧化物的结构。这些氧化物可能是Al₂O₃和SiO₂，这是由于活跃的氧化作用。烧蚀机制主要通过库仑爆炸、汽化、等离子体冲击和热应力等方式实现。

引言

以铝（Al）作为基体，碳化硅颗粒（SiC）作为增强相，基于Al的SiC金属基复合材料（Al-SiC复合材料）在航空航天[1]、汽车[3]、国防[4]等领域得到广泛应用，这得益于Al-SiC复合材料具有重量轻、比刚度高、耐磨性好和热稳定性优异[5][6]等优点。传统的Al-SiC复合材料加工方法，如机械钻孔、电火花加工、高速水射流加工、等离子体蚀刻和超声波辅助加工，存在坑洞、凸起、颗粒断裂以及表面粗糙度波动较大的问题[7][8]。激光烧蚀技术由于变形小、效率高且无液体废物污染，被用于Al-SiC复合材料表面处理[9][10][11]。

近年来，由于飞秒激光具有超短脉冲宽度和超高瞬时能量，与纳秒和皮秒激光加工方法相比，它成为加工Al-SiC复合材料的更优选择[12]。Li等人[13]和Yang等人[14]证明，飞秒激光加工（FsLP）可以实现航空发动机中SiC复合材料的近乎无锥度的薄膜冷却微孔钻孔。此外，Gao等人[15]指出，水辅助的FsLP可以提高微孔进出口的圆度，并有助于抑制氧化。Zhai等人[16]展示了FsLP在航空发动机SiC复合材料配合表面抛光中的应用。

Zhang等人[17]报告称，Al基体中的多次反射会通过菲涅尔效应捕获激光能量，从而增加FsLP过程中的Al基体烧蚀速率。Al基体和SiC颗粒的烧蚀行为取决于它们的性质。Li等人[18]证明，使用NaOH进行FsLP可以获得质量优异的微孔，材料去除机制主要是湿氧耦合、热分解和化学蚀刻的共同作用。然而，Yang等人[19]指出，FsLP处理SiC复合材料后，微孔表面没有明显的热损伤。

Zhao等人[20]报告称，SiC主要通过多光子吸收机制吸收激光能量，材料去除主要是等离子体汽化和爆炸作用。Zhou等人[21]指出，SiO₂和等离子体沉积物是FsLP处理SiC复合材料的主要产物，材料去除机制依次经历非热去除、平衡阶段和热去除。随着激光能量密度的增加，烧蚀区域的热积累效应和氧化程度增强。Dong等人[22]报告称，在FsLP处理SiC复合材料过程中，微孔内的沉积物从纳米颗粒逐渐转变为团簇，且在烧蚀区域发现了SiO₂。SiO₂的形态从分散的颗粒状变为大聚集颗粒状。Zhai等人[23]证明，FsLP处理SiC复合材料时在微孔区域产生了碎片，反应产物SiO₂颗粒覆盖在微孔表面。Yuan等人[24]指出，随着激光入射角的增加，氧化程度显著降低，SiO元素含量增加，而C元素含量减少，O元素含量基本不变。Zhai等人[25]报告称，高温下SiC材料具有良好的抗氧化性，因为SiC材料表面形成了薄的SiO₂薄膜，且SiO₂薄膜中的O元素扩散系数较小。SiC材料的缓慢氧化称为被动氧化；而在极高温度下，SiC表面会产生挥发性SiO，导致SiC的快速氧化，即主动氧化。Zheng等人[26]开发了一种超声振动辅助的FsLP技术，用于去除微孔表面的氧化颗粒和碎片。

Wei等人[27][28]证明，SiC的分解是FsLP处理SiC复合材料的主要去除机制，材料去除顺序取决于基体和增强颗粒的物理和化学性质。Zhai等人[29]指出，激光束从样品表面不同位置的折射和反射会导致FsLP过程中电场的漂移或损失，这可能是SiC复合材料表面出现微槽曲率和宽度不均匀的主要原因。在FsLP过程中，SiC复合材料表面的材料无法均匀去除。

Lian等人[30]指出，超快成像技术具有出色的时空分辨率，是分析飞秒激光与材料相互作用机制的有效工具，对揭示飞秒激光加工中的强场物理和流体现象具有广泛潜力。Lu等人[31]也报告称，获取超快和高光谱分辨率图像对于分析飞秒激光加工中的瞬态物理或化学机制（如光子传递、等离子体动力学和化学反应）非常重要。他们的研究开发了一种压缩超快光谱-时间摄影技术，可记录60帧图像，精确捕捉30皮秒内的光学传递、反射和自聚焦现象。

然而，飞秒激光与Al-SiC复合材料之间的相互作用机制仍不清楚[32]。因此，本文通过使用自开发的原位飞秒泵浦-探测时间演化成像检测技术、飞秒瞬态吸收光谱技术、X射线衍射（XRD）和带能量色散谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM），重点揭示飞秒激光能量的非线性吸收、能量传递和烧蚀机制。

材料

本研究使用的材料是来自中科复合材料（滨州）新材料的Al-SiC复合材料，其Al基体占比为2009，SiC颗粒体积占比为45%（图1(a)）。通过ImageJ软件测量，SiC颗粒在复合材料中的面积占比约为58%（图1(b)）。Al-SiC复合材料的化学成分见表1。Al-SiC复合材料的尺寸为25毫米×25毫米×3毫米。

瞬态吸收光谱

图3展示了基于铝的碳化硅复合材料的瞬态吸收光谱。在700纳米至900纳米波长范围内出现了显著的负瞬态吸收光谱信号，表明电子被飞秒激光激发并从基态跃迁到激发态（图3）。这可能是基态漂白（GSB）信号或受激发射（SE）信号。此外，负信号逐渐

结论

本文的主要目的是利用原位飞秒泵浦-探测时间演化成像检测技术、飞秒激光瞬态吸收光谱技术、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）揭示飞秒激光与Al-SiC复合材料之间的相互作用机制，包括飞秒激光能量的非线性吸收、能量传递和烧蚀过程。根据研究结果和讨论，得出以下结论：

(1)

非线性

作者贡献声明

Yingzhong Tian：方法论设计。Yilian Zhang：实验研究。Xiaohao Peng：数据整理。Yanning Sun：数据分析。Hongfei Liu：数据分析。Xing Wang：初稿撰写、实验研究、数据整理。Jiecai Feng：撰写、审稿与编辑、项目管理、方法论设计、资金申请、数据分析、概念构思

声明

本手稿未使用任何人工智能。

资助

本工作得到了国家关键研发计划（2023YFB3307700）和中国航空科学基金会（202400540S6002）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Cheng Li先生和Zhuang Senwei先生在本项目研究过程中的宝贵技术讨论和支持。