激光“雕刻”金刚石:用光征服最硬材料

关键词 激光 , 金刚石|2025-05-26 11:33:25|来源 中国超硬材料网
摘要 ​金刚石是自然界最坚硬的物质,但它不只是珠宝。这种材料导热性能比铜快5倍,能承受极端高温和辐射,还能透光、绝缘,甚至被改造成半导体......

金刚石是自然界最坚硬的物质,但它不只是珠宝。这种材料导热性能比铜快5倍,能承受极端高温和辐射,还能透光、绝缘,甚至被改造成半导体。然而,正是这些“超能力”让金刚石成了“最难加工”的材料——传统工具要么切不动它,要么会留下裂痕。直到激光技术的出现,人类终于找到了一把征服这颗“材料之王”的钥匙。

image.png

       为什么激光能“切动”金刚石?

       想象用放大镜聚焦阳光点燃纸张,激光加工金刚石的原理类似,但更精密。当高能激光束照射金刚石时,会发生一场微观的“碳原子变形记”:  

       1、金刚石变身石墨

       激光能量让表面金刚石结构(sp³)变为较软的石墨(sp²),就像钻石瞬间“退化”成了铅笔芯。  

        2、石墨被“蒸发”:

       石墨层在高温下升华,或被氧气刻蚀,最终留下精准的加工痕迹。  

       3、关键突破口:缺陷  

       理论上,完美金刚石只能被紫外激光(波长<229 nm)加工,但现实中的人工金刚石总存在微小缺陷(如杂质、晶界)。这些缺陷就像“漏洞”,让普通绿光(532 nm)或红外激光(1064 nm)也能被吸收。科学家甚至能通过调控缺陷分布,“指挥”激光在金刚石上刻出特定图案。

       激光类型:从“火炉”到“冰刀”的进化

       激光加工结合计算机数控系统、先进光学系统以及高精度和自动化工件定位,可形成研制和生产加工中心。应用于金刚石加工,能实现高效、高精度加工。不同激光束类型作用于金刚石表面,加工效果差异显著。用于金刚石加工的激光依据激光脉冲长度和原子晶格碰撞之间的大小关系分为“热加工”和“冷加工”两类,最具代表性的是纳秒激光和飞秒激光。

       1、微秒激光加工

       微秒激光脉宽较宽,通常适用于粗加工。在锁模技术出现前,激光脉冲大多在微秒与纳秒量级,当前关于微秒激光直接加工金刚石的报道较少,且大多关注后端加工应用领域。

       2、纳秒激光加工

       纳秒激光目前占据较大市场份额,具有稳定性好、成本低、加工时间短等优点,在企业生产中广泛应用。不过,纳秒激光烧蚀过程对样品有热破坏性,宏观表现为加工产生较大热影响区。

       3、皮秒激光加工

       皮秒激光加工介于纳秒激光热平衡烧蚀和飞秒激光冷加工之间,脉冲持续时间显著减小,极大降低了热影响区带来的损伤。

       4、飞秒激光加工

       超快激光技术为金刚石精细加工带来机遇,但飞秒激光器造价及维护成本高昂,限制了加工方法推广,目前相关研究大多停留在实验室阶段。飞秒激光加工中,激光能量通过光诱导光学击穿效应作用于激光辐照区域,大量电子离化导致结构和相组成改变,对于金刚石则是发生 sp³相向 sp²相的转变,随后发生照射区域材料烧蚀。

image.png


       举个例子: 

       纳秒激光像“热刀切黄油”:快速高效,但切口边缘可能被烫焦。  

       飞秒激光像“冰刀刻水晶”:每一束光脉冲都短到来不及传热,直接让材料“冷蒸发”,留下光滑的纳米级结构。  


       激光加工金刚石研究进展

       激光在金刚石材料加工中的应用研究主要集中在激光切割、激光打孔、微槽道加工以及激光平整化等方面。当前,随着金刚石 CVD 技术日益成熟,金刚石加工问题逐渐成为其应用的主要限制性因素,而激光加工凭借优异性能,正逐渐成为金刚石的主流加工方法。

       结语

       从“切不动”到“随心刻”,激光技术让金刚石不再是困在实验室的“花瓶”。随着技术迭代,未来我们可能会看到:钻石芯片在手机中散热、量子计算机用金刚石存储信息、甚至人体内植入金刚石生物传感器……这场光与钻石的共舞,正在改变我们的生活。


  ① 凡本网注明"来源:金刚石刀具网"的所有作品,均为河南远发信息技术有限公司合法拥有版权或有权使用的作品,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明"来源:金刚石刀具网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
② 凡本网注明"来源:XXX(非金刚石刀具网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在30日内进行。
※ 联系电话:0371-67667020

延伸推荐

年产10亿克拉高端金刚石项目全力推进

年产10亿克拉高端金刚石项目全力推进

​12月1日,在内蒙古巴彦淖尔经济技术开发区内,巴能超硬材料项目施工现场繁忙有序。为抢抓工期,项目方采取增加作业人员、推行流水施工、科学划分施工段等方式...

日期 2025-12-05   刀具新闻
含羞草启发新策略!助力金刚石硬度与韧性“兼得”—论文—科学网

含羞草启发新策略!助力金刚石硬度与韧性“兼得”—论文—科学网

近日,吉林大学教授朱品文、李全、陶强与宁波大学教授崔田合作,在金刚石超硬材料的结构设计和可控制备研究方面取得新进展。团队从含羞草叶片的曲率响应中获得仿生...

日期 2025-12-05   刀具新闻
惠丰钻石:成立新公司,加码金刚石复材及散热!

惠丰钻石:成立新公司,加码金刚石复材及散热!

​日前,惠丰钻石股份有限公司(以下简称“惠丰钻石”)公告,公司作为有限合伙人与深圳市基础设施投资基金管理有限责任公司等共同发起设立深圳市深基宏图创业投资...

日期 2025-12-05   刀具新闻
又一10亿克拉金刚石项目拟在新疆新建

又一10亿克拉金刚石项目拟在新疆新建

​近日,昌吉回族自治州生态环境局对元素六(新疆)新材料科技有限公司10亿克拉金刚石10万克拉珠宝级钻石项目环境影响评价文件批复决定进行公示......

日期 2025-11-21   刀具新闻
载誉归来!柘城华晶在金刚石行业技能比赛决赛中斩获三项冠军

载誉归来!柘城华晶在金刚石行业技能比赛决赛中斩获三项冠军

​11月14日,由柘城县主办的金刚石行业技能比赛决赛正式拉开帷幕。我公司子公司——柘城县华晶新材料有限公司(以下简称“柘城华晶”)凭借扎实的技术积累与出...

日期 2025-11-21   刀具新闻
揭秘金刚石砂轮:磨削界的“超级武器”

揭秘金刚石砂轮:磨削界的“超级武器”

在工业制造的庞大体系中,有一种工具虽然看似普通,却发挥着举足轻重的作用,它就是金刚石砂轮。金刚石砂轮,简单来说,是以金刚石磨料为原料,分别用金属粉、树脂...

日期 2025-11-21   刀具新闻
高效“自剥离”!宁波材料所实现4英寸金刚石“自支撑”超薄膜的快速制备

高效“自剥离”!宁波材料所实现4英寸金刚石“自支撑”超薄膜的快速制备

​金刚石具有的优异的导热和绝缘等性能,使其成为新一代大功率芯片和器件散热的关键材料。将芯片直接与金刚石键合来降低结温,被视为高性能芯片及3D封装的理想热...

日期 2025-11-21   刀具新闻
惠丰钻石:金刚石微粉下游需求萎缩,产能利用率未饱和

惠丰钻石:金刚石微粉下游需求萎缩,产能利用率未饱和

​11月12日,惠丰钻石接受申万宏源、国泰基金、中山证券等机构调研,并回答了微粉产能、培育钻石经营计划等热点问题......

日期 2025-11-21   刀具新闻
金刚石热性能:导热系数与传热系数,一字之差天壤之别

金刚石热性能:导热系数与传热系数,一字之差天壤之别

​在半导体散热、高功率激光器、航空航天等尖端领域,金刚石凭借其卓越的热性能成为“明星材料”。但当我们谈论它的散热能力时,常被两个专业术语困扰——导热系数...

日期 2025-11-14   刀具新闻
最新议程+展商名录!Carbontech 2025 金刚石年会

最新议程+展商名录!Carbontech 2025 金刚石年会

第九届国际碳材料大会暨产业展览会——Carbontech2025金刚石年会12月9-11日上海新国际博览中心大会信息主办单位:DT新材料联合主办:中国超...

日期 2025-11-14   刀具新闻