低温激光辅助切削SiCp/Al复合材料的材料去除机理研究

为解决SiCp/Al复合材料因Al基体与SiC增强颗粒性能差异导致的加工表面缺陷问题，华中科技大学团队创新性提出低温激光辅助切削(CLAC)技术。通过纳米压痕实验证实低温处理使材料硬度提升46.4%（6.55→9.599 GPa），分子动力学模拟揭示低温增强相界面结合力的机制，最终实现切削力降低与表面质量提升，为光学系统结构件的高精度加工提供新方案。

　　

在光学系统结构件制造领域，铝基碳化硅(SiCp/Al)复合材料因其优异的机械性能备受青睐，但软铝基体与硬SiC颗粒的"性能鸿沟"导致加工时易产生微坑、微裂纹等缺陷。传统激光辅助切削(LAC)虽能软化材料，却会削弱相界面结合力；而单纯低温处理虽能增强界面结合，但对材料硬度的提升又增加了加工难度。这一矛盾成为制约高精度光学元件制造的瓶颈问题。

华中科技大学研究团队突破性地将低温与激光技术耦合，提出低温激光辅助切削(CLAC)新方法。通过纳米压痕技术定量表征233K低温下材料性能变化，发现硬度提升46.4%至9.599 GPa，杨氏模量增加20%。采用分子动力学(MD)模拟结合沟槽切削实验，对比普通切削(OC)、纯低温辅助(CAC)、纯激光辅助(LAC)与CLAC四种工况。关键实验显示CLAC切削力降低30%以上，表面粗糙度较传统方法改善50%，MD模拟首次揭示低温环境能增强SiC-Al界面结合能，有效抑制颗粒脱粘现象。

材料性能表征
纳米压痕实验证实低温处理使SiCp/Al产生"硬化效应"，硬度从室温6.55 GPa跃升至9.599 GPa，但通过激光局部软化可抵消这种加工负效应。X射线衍射(XRD)分析显示材料含6H-SiC和Al₉Si相，低温未引发新相变。

切削性能对比
沟槽切削实验中，CLAC表现出独特优势：切削力波动幅度较OC降低68%，表面微缺陷密度减少82%。而单独使用LAC会产生"热软化负效应"，导致基体撕裂；单独CAC则因材料过硬引发刀具磨损。

分子机制解析
MD模拟显示-40°C时SiC-Al界面结合能提高35%，原子轨迹分析表明低温抑制了位错在相界面的堆积。这种"低温增强效应"使SiC颗粒破碎率从常规加工的42%降至CLAC的11%。

该研究发表于《Optics》期刊，创新性地通过"低温约束+激光软化"协同策略，攻克了异质复合材料加工中的相协同变形难题。CLAC技术不仅为光学元件超精密加工提供新范式，其揭示的界面强化机制对航空复合材料加工也具有重要借鉴价值。研究团队特别指出，该方法无需复杂设备改造，通过液氮冷却与光纤激光器的简单耦合即可实现，具备显著的工业化应用前景。