本發(fā)明屬于光學(xué)材料后處理,具體地說,本發(fā)明涉及一種透明陶瓷的激光改性方法及其透明陶瓷。

背景技術(shù)：

1、透明陶瓷是一種具有高光學(xué)透過率、優(yōu)異力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性的先進(jìn)材料，廣泛應(yīng)用于高能激光系統(tǒng)、航空航天、軍用防護(hù)裝備以及其他高性能光學(xué)元件中。例如，鎂鋁尖晶石、釔鋁石榴石(yag)和氧化釔等透明陶瓷因其良好的光學(xué)性能和力學(xué)強(qiáng)度，成為光學(xué)窗口材料、防護(hù)裝置和激光設(shè)備中的理想候選材料。

2、然而，隨著高能激光和極端環(huán)境需求的不斷增加，透明陶瓷在這些應(yīng)用中的光學(xué)損傷閾值(lidt)和機(jī)械強(qiáng)度存在提升的迫切需求。陶瓷材料通常存在微裂紋和微觀缺陷，這些缺陷容易在高能激光照射或機(jī)械沖擊下擴(kuò)大，從而降低其光學(xué)和力學(xué)性能。因此，如何同時(shí)提升透明陶瓷的光學(xué)性能(如透光率、lidt)和力學(xué)性能(如斷裂韌性、抗沖擊性能)成為亟待解決的技術(shù)難題。

3、透明陶瓷相較于其他材料，在后處理工藝上具有較高的挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的機(jī)械加工、化學(xué)處理和熱處理方法通常無法有效改善陶瓷中的微裂紋，反而可能引發(fā)材料表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻應(yīng)力分布。相比之下，激光處理技術(shù)，尤其是**激光預(yù)處理(lpp)和激光沖擊強(qiáng)化(lsp)，可以精確控制能量輸入，通過非接觸方式對(duì)透明陶瓷進(jìn)行局部或全局處理，有效改善材料的光學(xué)和力學(xué)性能。

4、激光預(yù)處理(lpp)：該技術(shù)主要用于表面光學(xué)性能的優(yōu)化，通過精確的激光能量輸入去除材料表面微觀缺陷、平滑表面粗糙度，從而提升透明陶瓷的光學(xué)透過率和lidt。

5、激光沖擊強(qiáng)化(lsp)：lsp通過高能激光脈沖在材料表面引發(fā)高壓沖擊波，形成深層壓縮殘余應(yīng)力層，有效改善透明陶瓷的抗裂紋擴(kuò)展能力和抗沖擊性能。

6、相比其他方法，激光技術(shù)具備如下優(yōu)勢(shì)：

7、1.精確控制：激光處理可精準(zhǔn)控制能量輸入和處理深度，避免傳統(tǒng)熱處理可能導(dǎo)致的表面損傷和微裂紋擴(kuò)展。

8、2.表面與深層改性相結(jié)合：lpp和lsp的結(jié)合既可以提升表面光學(xué)性能，又能夠改善深層力學(xué)性能。

9、3.適用性廣泛：激光技術(shù)適用于多種透明陶瓷材料，不受材料的化學(xué)成分和微結(jié)構(gòu)的限制。

10、現(xiàn)有公開涉及到透明陶瓷后處理改性的方法中存在諸多的不足之處，例如：

11、"一種易加工高性能陶瓷基板及其制備方法"，發(fā)明授權(quán)/公開號(hào)：cn117142842a該專利提出了一種通過高溫?zé)崽幚硖岣咄该魈沾晒鈱W(xué)性能的方法，主要通過熱擴(kuò)散修復(fù)微裂紋和晶格缺陷。然而，高溫處理往往容易引發(fā)新的熱應(yīng)力，特別是在大尺寸陶瓷材料中，無法有效提升其力學(xué)性能，且對(duì)表面光學(xué)性能提升有限。熱處理過程中，透明陶瓷的熱應(yīng)力釋放不均勻，容易導(dǎo)致新的微觀缺陷產(chǎn)生，同時(shí)不適合用于提升透明陶瓷的抗沖擊性能和深層殘余應(yīng)力的引入。另外一項(xiàng)發(fā)明專利"增強(qiáng)透明陶瓷的方法以及陶瓷"，發(fā)明授權(quán)/公開cn109661384a。該專利描述了一種通過化學(xué)氣相沉積(cvd)工藝修復(fù)透明陶瓷表面缺陷的方法。盡管該方法能夠有效填補(bǔ)表面裂紋，但對(duì)于深層缺陷和微觀裂紋的修復(fù)效果有限。同時(shí)，該工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)均勻的力學(xué)性能提升。化學(xué)處理主要針對(duì)表面改性，難以引入深層壓縮殘余應(yīng)力，且沉積層可能影響材料的整體光學(xué)透過率。

12、綜上所述，現(xiàn)有透明陶瓷的改性方法大多集中于表面處理，難以同時(shí)提升材料的光學(xué)和力學(xué)性能。而激光處理技術(shù)，尤其是激光預(yù)處理(lpp)和激光沖擊強(qiáng)化(lsp)的結(jié)合，不僅能夠有效修復(fù)表面缺陷，還能引入深層壓縮殘余應(yīng)力，全面提升透明陶瓷的綜合性能。因此，采用激光處理技術(shù)對(duì)透明陶瓷進(jìn)行二次改性具有明顯的必要性和優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種用于透明陶瓷光學(xué)和力學(xué)改性的激光改性方法流程方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)透明陶瓷提升光學(xué)和力學(xué)方法的空白的現(xiàn)狀。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種用于透明陶瓷光學(xué)和力學(xué)改性的激光改性的方法，該發(fā)明專利提出了一種通過激光預(yù)處理(lpp)與激光沖擊強(qiáng)化(lsp)相結(jié)合的工藝，旨在提升透明陶瓷的光學(xué)和力學(xué)性能。該工藝通過合理安排激光改性步驟，依次進(jìn)行表面和深層處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)透明陶瓷材料的二次改性，從而增強(qiáng)其抗激光損傷能力(lidt)和力學(xué)穩(wěn)定性。工藝流程包括以下主要步驟：

4、s1.樣品準(zhǔn)備

5、首先，對(duì)待處理的透明陶瓷樣品進(jìn)行基礎(chǔ)準(zhǔn)備，包括清潔和表面微觀檢測，確保樣品表面無明顯污染或機(jī)械損傷。根據(jù)需要選擇合適的透明陶瓷材料(如鎂鋁尖晶石、yag或氧化釔)，以便進(jìn)行后續(xù)激光處理步驟。

6、s2.激光損傷閾值(lidt)測試和激光沖擊強(qiáng)化(lsp)安全閾值測試

7、在lpp處理之前需要明確透明陶瓷的lidt，用低于lidt的激光能量密度開展激光預(yù)處理工藝，對(duì)樣品進(jìn)行損傷閾值測試，評(píng)估其光學(xué)性能和表面損傷行為。重點(diǎn)觀察lpp處理對(duì)入射面透明度和抗激光損傷能力的影響。

8、在lsp處理之前，也需要明確激光作用于透明陶瓷進(jìn)行沖擊強(qiáng)化的安全閾值。后續(xù)需要用低于安全閾值的激光能量密度開展激光沖擊強(qiáng)化工藝，對(duì)樣品進(jìn)行損傷閾值測試，評(píng)估其后表面損傷行為。

9、s3.激光預(yù)處理工藝(lpp)

10、在透明陶瓷的入射面進(jìn)行激光預(yù)處理(lpp)，通過精確控制激光能量密度與脈寬，去除材料表面的微觀缺陷和裂紋，改善光學(xué)性能并提升激光損傷閾值(lidt)和光學(xué)透過率。

11、s4.光學(xué)和力學(xué)測試

12、對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)和力學(xué)測試后導(dǎo)出結(jié)果1

13、s5.激光沖擊強(qiáng)化(lsp)工藝

14、在透明陶瓷的入射面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，通過精確控制激光能量密度與脈寬，在低于s2步驟中測試所得的激光安全閾值之下進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。改善力學(xué)性能。

15、s6.光學(xué)和力學(xué)測試

16、對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)和力學(xué)測試后導(dǎo)出結(jié)果2

17、s7.評(píng)估測試結(jié)果2是否優(yōu)于結(jié)果1

18、若是，則結(jié)束工藝，后續(xù)激光處理工藝采用先進(jìn)行激光預(yù)處理后進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的方案。

19、若不是，則準(zhǔn)備新的待處理樣品，進(jìn)行后續(xù)工藝步驟

20、s8.激光沖擊強(qiáng)化(lsp)工藝

21、在透明陶瓷的入射面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，通過精確控制激光能量密度與脈寬，在低于s2步驟中測試所得的激光安全閾值之下進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。改善力學(xué)性能。

22、s9.光學(xué)和力學(xué)測試

23、對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)和力學(xué)測試后導(dǎo)出結(jié)果3

24、s10.激光預(yù)處理工藝(lpp)

25、在透明陶瓷的入射面進(jìn)行激光預(yù)處理(lpp)，通過精確控制激光能量密度與脈寬，去除材料表面的微觀缺陷和裂紋，改善光學(xué)性能并提升激光損傷閾值(lidt)和光學(xué)透過率。

26、s11.光學(xué)和力學(xué)測試

27、對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)和力學(xué)測試后導(dǎo)出結(jié)果4

28、s12.評(píng)估測試結(jié)果4是否優(yōu)于結(jié)果3

29、若是，則結(jié)束工藝，后續(xù)激光處理工藝采用先進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化后進(jìn)行激光預(yù)處理工藝的方案。

30、若不是，進(jìn)一步評(píng)估結(jié)果4是否優(yōu)于結(jié)果3

31、s13.評(píng)估結(jié)果4是否優(yōu)于結(jié)果3

32、若是，則結(jié)束工藝，后續(xù)激光處理工藝采用先進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化后進(jìn)行激光預(yù)處理工藝的方案。

33、若不是，也結(jié)束工藝，后續(xù)激光處理工藝采用先進(jìn)行激光預(yù)處理然后進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化工藝的方案。

34、通過上述步驟，該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)透明陶瓷的光學(xué)性能和力學(xué)性能的全方位優(yōu)化。激光預(yù)處理提升了材料的光學(xué)透過率與激光損傷閾值，而激光沖擊強(qiáng)化則增強(qiáng)了材料的抗機(jī)械損傷和深層殘余壓應(yīng)力引入。這種結(jié)合的激光改性工藝可以廣泛應(yīng)用于高性能光學(xué)元件、激光器防護(hù)罩和其他高功率激光系統(tǒng)中的透明陶瓷改性。

35、優(yōu)選的是，其中，在步驟s4、步驟s6、步驟s9、步驟s11中所涉及到的光學(xué)包括激光誘導(dǎo)損傷閾值、光學(xué)透過率、光學(xué)吸收率、禁帶寬度以及表面粗糙度；力學(xué)測試包括維氏硬度、斷裂韌性、和抗彎強(qiáng)度。

36、優(yōu)選的是，其中，在步驟s3、s10中，所涉及的激光預(yù)處理所用的激光能量密度需要小于s2所測得的lidt。

37、優(yōu)選的是，其中，所述步驟s5、s8中，所涉及的激光沖擊強(qiáng)化所用的激光能量密度小于s2所測得的安全閾值。

38、優(yōu)選的是，其中，在步驟s3、s10中，所涉及的激光預(yù)處理工藝中激光的光斑設(shè)定范圍為0.5-2mm2。激光波長可選范圍包括：1064nm、532nm、355nm.

39、優(yōu)選的是，其中，在步驟s2中，激光誘導(dǎo)損傷閾值的測試方法是國際標(biāo)準(zhǔn)iso21254中1-on-1的方法。

40、優(yōu)選的是，其中，在步驟s5、s8中，激光沖擊強(qiáng)化透明陶瓷時(shí)，激光的光斑設(shè)定范圍為0.5-2mm2。激光波長可選范圍包括：1064nm、532nm、355nm且能量密度可調(diào)。

41、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下有益效果：

42、1.雙重激光改性工藝，激光預(yù)處理工藝和激光沖擊強(qiáng)化的有機(jī)結(jié)合使得透明陶瓷的光學(xué)和力學(xué)性能得到全面改進(jìn)。

43、2.工藝順序動(dòng)態(tài)調(diào)整，根據(jù)測試反饋，可靈活選擇先激光預(yù)處理后激光沖擊強(qiáng)化或先激光沖擊強(qiáng)化后激光預(yù)處理的工藝順序，實(shí)現(xiàn)最佳改性效果。

44、3.在提升力學(xué)性能的同時(shí)保持或提升透明陶瓷的光學(xué)性能，解決了現(xiàn)有技術(shù)中力學(xué)和光學(xué)性能難以兼顧的難題。