综述：激光驱动的能量场加工技术在陶瓷基复合材料中的应用：去除机理、表面完整性及前沿发展趋势

《Journal of Manufacturing Processes》：Laser-driven energy field machining of ceramic matrix composites: Removal mechanisms, surface integrity, and frontier trends

　　• 构建了用于陶瓷基复合材料（CMCs）的激光驱动能量场加工框架。
• 揭示了在不同能量场下的多相物理去除机制。
• 提出了连接能量与表面形态的物理响应链。
• 评估了不同范式下表面完整性与效率之间的权衡。
• 概述了超精密制造的四个挑战和前沿趋势。

### 引言
航空航天等前沿制造领域的快速发展对极端服役环境中的热结构材料提出了前所未有的严峻挑战[1]。在服役过程中，新一代高推重比的航空发动机和高超音速飞行器必须承受多种极端载荷，包括超高热流和严重的氧化[2]。传统的金属材料（如镍基超合金）由于其固有的熔点和抗蠕变性能的限制，已无法满足更高马赫数和极高燃烧温度的战略需求[3]。因此，陶瓷基复合材料（CMCs）已成为突破这一热力学瓶颈的关键核心材料[4]。作为一种由高强度、耐高温纤维和脆性陶瓷基体组成的新型热防护系统，碳/碳（C/C）[5]、碳化硅/碳化硅（SiC/SiC）[6]、碳/碳化硅（C/SiC）[7]以及碳/碳-碳化硅（C/C-SiC）[8]复合材料展现出巨大的宏观物理潜力。它们不仅保持了陶瓷的优异高温和抗氧化性能，还通过引入增强纤维显著克服了灾难性的脆性断裂[9]。此外，这些材料还具有极低的理论密度、超高的比强度和优异的抗热震性能[10]（图1(a)）。目前，CMCs广泛应用于发动机涡轮转子、燃烧室衬套和高超音速飞行器前缘等核心热部件中，构成了现代航空航天设备的关键材料基础[11]（图1(b)）。

然而，从实验室材料合成到高端工程应用的过渡不可避免地需要跨越精密加工这一关键环节[12]。为了满足严格的空气动力学形状和极高的结构装配公差，CMCs组件必须进行高精度表面轮廓加工[13]、微孔阵列钻孔[14]和复杂特征的制造[15]。但从微观物理学的角度来看，CMCs构成了一个高度典型的多相、异质且强耦合的系统[16]。以C/SiC复合材料为例，其内部结构结合了具有超高抗拉强度的碳纤维骨架、具有极端硬度和脆性的碳化硅陶瓷基体，以及用于调节应力传递和裂纹偏转的脆弱界面层（如热解碳PyC）[17]（图1(a)）。尽管这种跨尺度的微观异质结构赋予了材料出色的宏观服役性能，但它同时也引入了极端的硬脆特性和高度的各向异性[18]。当面临高精度材料去除需求时，CMCs各组成相之间的物理和机械性能差异会导致制造过程中的加工性能极差[19]。这一关键问题不仅反映了材料科学领域内的固有属性挑战，也是限制CMCs大规模应用和航空航天设备快速迭代的重要工程瓶颈[20]（图1(b)）。

历史上，业界主要依靠传统的接触式机械加工方法（如车削[26]、铣削[27]、钻孔[28]和研磨[29]）来满足CMCs组件的尺寸要求。然而，这些工艺在处理具有极端机械性能和复杂预制结构的多相陶瓷材料时存在严重的物理瓶颈[30]。随着航空航天服务需求的提升，CMCs的增强骨架经历了复杂的空间拓扑演变：从一维单向排列[31]、二维层压编织[32]、二维半针状结构[33]发展到三维正交结构[34]（图2(a)）。这种多维空间异质性与基体中普遍存在的超硬碳化硅相相结合，极大地恶化了切削过程中的材料去除行为[35]。在极端局部切削应力、严重交变载荷和强烈摩擦热的作用下，碳化物或金刚石工具会迅速发生磨损[36]（图2(b)）。这种灾难性的工具磨损不仅使加工成本呈指数级上升，还导致切削刃的几何精度在极短时间内迅速下降[37]。结果，尺寸公差失控，根本无法达到微米级制造精度的严格要求[38]。

更严重的是，接触式切削引起的强烈宏观机械剪切会严重破坏这些多维复杂结构中的微观应力平衡，导致严重的亚表面结构损伤[39]。在工具强力穿透的瞬间，巨大的切削力波动无法在多相介质中均匀传递，产生强烈的阻抗不匹配以及纤维空间取向的剧烈变化[40]（图2(c)）。对于一维和二维CMCs，厚度方向上缺乏正常约束使得切削力容易引发脆性界面断裂，导致大面积层间脱层和基体撕裂[41]。相反，对于含有Z方向纤维的二维半维和三维结构，尽管层间剪切强度有所提高，但强烈的切削干涉仍会导致纤维束的严重剪切、大规模拔出和宏观边缘剥落[42]（图2(d)）。这些跨尺度的物理损伤在表面和亚表面层形成了密集的应力集中区[43]。一旦组件部署到极端交变应力服役环境中，这些潜在的微观缺陷会迅速发展成宏观断裂裂纹[44]。这最终导致材料的承载能力急剧下降，从而完全丧失服役可靠性[45]。

为了规避传统接触式切削带来的破坏性宏观应力损伤，业界最初尝试对现有的机械加工系统进行物理改造[49]。近年来受到广泛关注的超声振动辅助加工就是这一方向的典型进展[50]。通过在工具或工件上施加高频、微幅振动，超声加工有效改变了动态切削路径，将连续的摩擦剪切过程转化为高频间歇性冲击[51]。这种关键的运动学改进优化了局部切削力分布，有效降低了平均切削阻力[52]。然而，超声加工本质上仍依赖于接触式材料去除方式[53]。高频间歇性冲击不可避免地产生巨大的局部峰值应力[54]。对于脆性多相CMCs，这种持续的机械敲击直接导致严重的亚表面损伤，包括基体粉碎、微观纤维断裂和局部界面剥离[55]（图3(a)）。此外，在高频超声载荷下，微直径切削工具的快速磨损和断裂风险仍然很高[56]。这种基于接触修改的妥协迫使制造业完全转向采用非接触式或柔性接触机制的专用加工技术[57]。然而，这些非接触式专用工艺在应用于多相陶瓷基复合材料时同样受到其内在物理局限性的约束[58]。例如，电放电加工的材料去除机制高度依赖于材料的导电性[59]。但由于CMCs各组成相之间的电属性差异（如SiC基体的半导体性质与高导电性的碳纤维），容易导致放电通道的局部集中[60]。这会引发严重的异常电弧放电，不仅大幅降低加工效率，还会造成深度亚表面热损伤[61]（图3(b)）。另一方面，虽然磨料水射流加工能够实现冷态剥离并消除热损伤问题，但其高速水磨粒流仍具有极强的宏观冲击动能[62]。在微特征加工过程中，这容易导致脆性边缘剥落和层间脱层[63]。此外，流体扩散引起的显著切口锥度和磨料颗粒嵌入多孔基体的风险严重限制了其在高精度结构中的应用[64]（图3(c)）。因此，上述工艺无法在效率、几何精度和最终表面完整性之间实现平衡，业界迫切需要一种新的制造范式[65]。

在寻找创新突破方案的过程中，激光加工因其纯光子能量沉积机制而脱颖而出[74]。作为一种非接触式制造方法，激光有效避免了宏观切削力对材料骨架的物理撕裂[75]。此外，其材料去除能力克服了CMCs的极端硬度和多相电导率的限制[76]。激光优异的能量聚焦特性使其在三维微观结构成形方面具有高度的自由度，能够实现复杂航空航天组件的高精度跨尺度特征加工[77]。基于光热耦合，这一显著的灵活性和广泛适用性为激光加工在微纳制造中的重要作用奠定了基础。此外，在适当的参数范围内，它为后续先进制造工艺的集成提供了稳定且可扩展的核心能量基础[78]。作为高效的非接触式工具，激光束可以可靠地处理高强度陶瓷基体和坚韧的纤维骨架。因此，通过使用定制的激光参数，它为多物理场耦合奠定了坚实的理论基础[79]。然而，尽管有效消除了宏观机械应力，单激光加工仍存在固有的热力学限制。其纯光热烧蚀机制不可避免地导致严重的局部热积累。由于CMCs各组成相之间的显著热物理不匹配，这种连续的热扩散会导致广泛的熱影响区、密集的再铸层和深部微裂纹网络，从而从根本上限制了最终的表面和亚表面完整性。因此，仅仅依靠光子能量很难同时实现高材料去除率和高质量加工效果。这突显了迫切需要辅助机制来改变能量传递途径——从纯热传导转变为多维热流、热化学或热机械耦合耗散。在这一可靠的光热平台上，基于激光的更高维度衍生技术范式自然而然地应运而生[80]。

沿着这一技术发展路径，为了进一步释放激光制造的广泛潜力，克服单激光加工的热限制，并满足未来航空航天设备对多尺度复杂结构的更极端成型要求，以激光为主导的多能量场协同加工系统日益受到重视[81]。这种衍生范式利用激光的极端空间分辨率和非接触优势作为核心平台，通过创造性引入流体动力学[82]、化学激活能[83]或机械动能[84]，实现了多个物理场的有效时空复用。在这一先进的协同框架下，激光作为探针精确注入热物理或光化学能量，而同步耦合的水射流、化学蚀刻剂或微幅机械场则提供定向深冷[85]、选择性化学溶解[86]或灵活的高精度剥离[87]。这种光控制与场辅助的协同作用显著扩展了激光制造的物理边界，将材料去除机制提升到了多维协同耦合的层次——从纯激光诱导的熔化/蒸发转变为热分解-液压剥离、光热引导的化学选择性溶解或热改性辅助的动态微碎裂。这种统一的机械进展不仅高度保持了光子能量的优异几何精度，还有效减轻了亚表面损伤，使下一代航空航天设备的精密成形具有更强的多功能性和显著提高的表面完整性[88]。

尽管单激光及其衍生的多能量场协同加工技术在克服CMCs表面缺陷方面显示出显著潜力，但该领域的系统综述文章仍需进一步丰富。虽然现有综述提供了关于特定加工过程或单个参数优化的宝贵见解，但很少有研究系统地追溯了从基本单激光去除到高级多场协同加工的物理化学机制演变过程。此外，还需要全面总结单激光和复合能量场的能量输入特性、材料去除行为以及最终表面完整性响应。因此，本综述旨在系统性地总结单激光和多能量场协同加工技术的前沿文献。为此，本文建立了一个涵盖五个核心维度的综合评估框架：几何、表面、亚表面、化学/相以及服务性能完整性。值得注意的是，尽管当前的主要文献主要关注基于扫描电子显微镜的几何轮廓和表面形貌，但对亚表面残余应力、相变和动态服役性能的深入研究仍十分有限。尽管如此，应用这一广泛框架对于规范未来的评估至关重要。此外，鉴于SiC/SiC和C/SiC复合材料在航空航天热部件应用中的主导地位以及它们带来的最严峻加工挑战，本文的机制讨论主要集中在这两种碳化硅基材料上。尽管如此，为了确保对多种材料响应的全面评估——例如不同的光学吸收、热导率和烧蚀动力学——在适用的情况下，也选择性地参考了其他关键系统的相关加工行为，包括C/C和C/C-SiC复合材料，以提供比较性的见解。这深入揭示了在单激光能量场以及多种辅助场（包括流体、化学和机械场）作用下，CMCs去除机制和加工质量演变的一般规律，希望能够为理论研究和工程实践提供系统的学术参考。为了建立当前综述的透明方法论，执行了结构化的文献检索。查询的主要数据库包括Scopus、Engineering Village（EI Compendex）和Web of Science（Core Collection）。搜索查询使用了布尔逻辑来整合三个主要主题模块：（1）目标材料（“陶瓷基复合材料”或“CMCs”或“C/C”或“C/SiC”或“SiC/SiC”或“C/C-SiC”）；（2）加工技术（“激光加工”或“多能场加工”或“水射流引导激光”或“激光辅助化学刻蚀”或“激光-机械混合加工”）；（3）评估指标（“材料去除机制”或“表面完整性”）。检索到的文献的发表日期范围设定为2010年至2025年。此外，纳入标准严格限于直接涉及激光驱动加工过程中CMCs的热物理或物理化学相互作用的同行评审英文期刊文章和高影响力的会议论文。相反，非英文出版物、未经同行评审的预印本以及仅关注材料合成而不进行后续加工评估的研究被排除在外，以保证学术严谨性。

为了系统地阐明单激光及其衍生的多能场协同加工系统的演变规律，本文的逻辑架构紧紧围绕一个统一的机制进展组织：单激光的限制、辅助场效应、能量转换、去除机制转变和表面/次表面完整性（图4）。在这一统一链条的驱动下，第2节首先分析了在单激光能量场下的基本能量转换、去除机制和物理化学耦合规律。第3节评估了单激光加工CMCs的宏观形态特征，并充分揭示了其表面和次表面完整性的固有热力学限制。为了有效应对这些单激光的限制，后续章节探讨了各种辅助场效应如何改变能量传输路径并驱动去除机制的转变。具体来说，第4节重点关注激光-流体协同能量场加工技术，系统地揭示了在水射流引导激光加工下的协同去除机制和形态缺陷特征。第5节探索了激光-化学协同能量场加工系统，深入分析了激光辅助化学刻蚀下的协同去除行为和表面完整性响应。第6节全面剖析了激光-机械协同能量场加工过程，提取了激光辅助加工和激光-超声波混合辅助加工的耦合剥离机制和表面形态控制策略。这些章节共同展示了多场协同作用如何从根本上优化最终的表面和次表面完整性。在此基础上，第7节总结了关键技术挑战，并对未来的发展趋势提供了客观展望。最后，第8节提供了系统的结论。本综述旨在为突破CMCs精密加工瓶颈提供坚实的理论支持，从而促进下一代航空航天设备的高度可靠服务。

**激光加工的场机制**
激光加工（LM）CMCs的物理本质在于光子能量与多相异质系统之间的复杂光热和物理化学耦合。由于脉宽从根本上决定了能量沉积和热扩散，本节首先按时间尺度对激光模式进行分类（第2.1节）。然后量化了脉宽调节的材料去除机制和热力学响应（第2.2节），接着对单激光能量场加工进行了全面分析。

在激光加工CMCs的过程中，能量沉积表现出明显的空间梯度和瞬态特性。这不仅决定了宏观材料去除效率，还在微观尺度上触发了多相组分之间的不同热力学响应，最终表现为特定的地形轮廓和缺陷特征。通过提出 的多维表面完整性框架来看待这些物理表现。

**激光-流体能量场加工**
水射流引导激光（WJGL）加工代表了一种精密的激光-流体能量场耦合范式。通过将局部激光烧蚀与水射流的瞬态冷却和冲洗效果相结合，这种协同方法在维持稳定流体动力条件的情况下，缓解了传统激光加工CMCs时固有的瓶颈，如广泛的HAZ（热影响区）和重铸层。为了系统地阐明这一复合过程，本节首先分析了...

**激光-化学能量场加工**
激光辅助化学刻蚀（LACE）代表了一种精密的激光-化学能量场耦合范式。通过利用局部激光加热来加速化学反应动力学，LACE在优化化学刻蚀窗口内工作时，显著减轻了单激光加工CMCs时出现的严重热损伤，如广泛的HAZ和微裂纹。为了系统地阐明这一复合过程，本节首先分析了协同去除机制...

**激光-机械能量场加工**
激光辅助加工（LAM）和激光-超声波混合辅助加工（LUAM）代表了一种新型的激光-机械能量场耦合范式。通过引入局部激光照射引发热软化并在目标区域进行微观结构重塑，随后通过机械或超声波辅助物理剥离，这种协同策略显著减少了纯机械切割时固有的严重工具磨损，并限制了深层热损伤。

**挑战和前沿趋势**
尽管激光驱动能量场加工技术在克服CMCs精密制造瓶颈方面展示了显著的优势，但从理论机制向航空航天工程应用的转变仍然面临严峻挑战。为了满足下一代航空航天车辆对热结构组件极端性能的需求，该领域的前沿挑战和发展趋势必须严格基于...

**结论**
随着新一代高推重比航空发动机和超音速车辆的持续快速迭代发展，CMCs已成为跨越严重热力学服务障碍的核心战略关键材料。然而，它们固有的硬脆特性和跨尺度多相异质微观结构导致传统的接触机械切割过程面临快速工具磨损和深层次表面损伤的瓶颈。为了有效...

**作者贡献声明**
Tong Ma：写作——审阅与编辑、撰写初稿、可视化、方法论、研究、概念化。
Chenwei Shan：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。
Qixuan Sun：写作——审阅与编辑、可视化、方法论、研究。
Wentian Shi：写作——审阅与编辑、监督、项目管理。
Lida Zhu：写作——审阅与编辑、监督、项目管理。
Yifeng Xiong：写作——审阅与编辑...

**利益冲突声明**
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

**致谢**
本研究得到了中国国家自然科学基金[项目编号52575534]、中国五矿集团有限公司的国家重点实验室项目[项目编号2025GZYJ02]以及西北工业大学博士论文创新基金[项目编号CX2025061]的支持。作者衷心感谢他们的财政支持。

Tong Ma | Chenwei Shan | Qixuan Sun | Wentian Shi | Lida Zhu | Yifeng Xiong | Wengang Liu | Ming Luo