近日，研究院李琛青年科学家工作室在碳化硅陶瓷超快激光辅助磨削领域取得重要进展。研究团队通过分子动力学模拟揭示了碳化硅陶瓷在超快激光辅助磨削过程中的材料去除与损伤演化机制。该研究在原子尺度阐明了激光热力耦合作用下SiC的损伤演变及去除机理，为实现硬脆材料的高效、低损伤加工提供了重要理论依据。相关研究成果以《超快激光辅助磨削SiC陶瓷损伤演变和磨粒磨损行为》（Damage evolution and abrasive wear behaviors involved in ultrafast laser-assisted grinding of SiC ceramics）为题，发表在中科院一区TOP期刊《国际摩擦学》（Tribology International）上。
图1. 研究成果图片摘要
文章简介
碳化硅（SiC）陶瓷凭借高强度、低密度和良好的耐腐蚀性等特性在航空航天、国防军事和生物医疗等领域得到了广泛应用。然而，SiC陶瓷硬度高、脆性大，在机械加工过程中存在明显的脆性断裂和刀具磨损等问题。想要进一步提高加工精度、减小表面/亚表面损伤，需要对SiC陶瓷的材料去除和损伤机制进行更深入的研究。本文开展了SiC陶瓷激光辅助磨削分子动力学（MD）仿真，通过双温模型描述激光能量交换对电子和晶格系统的影响，并将金刚石磨粒设计为非刚体以观察其磨损行为。系统分析了不同的激光功率密度、激光半径、磨削速度和磨削深度下磨削力、亚表面应力、亚表面损伤深度及磨粒磨损的变化规律，总结了激光辅助磨削引起的SiC陶瓷损伤演变及去除机理。这些发现不仅加深了对SiC陶瓷在磨削过程中原子级去除机理的理解，也为脆性元器件的高效、低损伤制造提供了理论支持。
激光参数对磨削结果的影响
利用Voronoi位点旋转算法建立多晶SiC仿真模型，通过双温模型描述激光能量交换对仿真系统的影响，开展了不同激光功率密度下的磨削MD仿真，并与传统磨削的仿真结果进行对比。随着激光功率密度的增加，加工区温度升高，样品的非晶转变现象显著，同时离子键的结合强度被削弱，两种因素共同导致了磨削力降低。当激光功率密度达到7.5×108W/cm²，磨削力降低约40%。随着激光功率密度的继续增加，热应力占主导地位，增加了工件内部的残余应力，不利于形成高质量的表面。由于激光照射减少了晶界与晶粒之间的硬度差异，故激光辅助磨削中摩擦系数没有显著波动。晶界内的应力不足以诱发原子在不同的晶粒之间滑移，故在磨削过程中没有形成大尺寸的位错。
图2. (a) 碳化硅陶瓷激光辅助磨削分子动力学仿真模型及多晶SiC样品建模过程示意图；(b)-(e) 不同激光功率密度下的磨削力、摩擦系数、位错长度及分布和Von-Mises应力分布仿真结果。
磨削参数对磨削结果的影响
除了激光功率密度和激光半径等激光参数，磨削深度和磨削速度等磨削参数也显著影响加工质量。随着磨削深度增加，磨削力增大，原子非晶化现象加剧。虽然在磨削深度较小时表面损伤不显著，但也需注意磨削质量与加工效率之间的平衡。对磨削过程中单个典型晶粒进行了位错和Von-Mises应力的分析，发现晶粒在较低磨削速度下承受更大应力。晶界处存在应力集中现象，导致了位错的形成和滑移。此外，晶粒内部及晶粒之间的位错阻碍了晶界的正常塑性变形，导致工件受损。
图3. (a) 磨削力、位错总长度及非晶原子比例随磨削深度的变化结果；(b) 不同磨削速度下位错总长度的变化结果及典型晶粒表面位错和Von-Mises应力分布。
磨粒的磨损行为
在SiC陶瓷激光辅助磨削过程中，摩擦和激光烧蚀可能导致磨粒的变形和非晶转变，进而影响砂轮的寿命和加工质量。磨粒受到的应力集中在前刀面与工件接触的区域及后刀面。由于SiC陶瓷磨削后存在弹性回复现象，磨粒的后刀面受到挤压，增加了工件与磨粒之间的摩擦，随着磨削过程的积累，磨粒逐渐磨损。激光辅助磨削能够抑制加工表面的弹性回复，减少磨粒后刀面与加工面之间的摩擦作用，从而减少磨粒磨损。随着磨削过程的进行，磨粒的非晶化程度逐渐增加，在磨削距离超过15nm时，磨粒中的非晶含量呈近乎指数增长的趋势。并且非晶转变发生的区域与磨粒上应力集中区域一致，证明了内应力是造成磨粒磨损的直接原因。
图4. (a) 不同仿真参数下磨粒倾角的增量；(b) 磨粒内部的Von-Mises应力分布；(c)不同磨削距离下磨粒的非晶比值及磨粒内部的原子结构识别图。
激光辅助磨削引起的损伤机制
位错、堆叠层错、空位和非晶转变是导致激光辅助磨削SiC陶瓷表面和亚表面损伤的主要因素。切屑的弯曲形态证明材料去除主要通过塑性变形而非脆性断裂实现。其中，位错的累积是导致塑性变形的主要机制，位错和堆叠层错优先发生在晶界附近。碳化硅陶瓷中的孔隙缺陷往往会在缺陷附近引发显著的应力集中，进而促进周围区域的非晶化转变。仿真中观察到的多种损伤是热机制、应力集中和缺陷演化的综合作用导致。激光照射会诱导SiC晶格软化，降低其键能。这一变化为后续磨削过程中位错和原子非晶化的发生提供了必要的能量条件。此外，热效应增强了晶界处的原子迁移率，为晶格扭曲提供了空间条件。
图5. (a) SiC陶瓷在激光辅助磨削过程中的塑性变形行为；(b) 激光辅助磨削SiC陶瓷损伤演变示意图。
哈尔滨工业大学为论文第一完成单位和通讯单位，哈工大苏州研究院为共同完成单位。哈工大机电工程学院李琛教授、耿延泉教授为论文通讯作者，哈工大机电工程学院博士生刘悦为论文第一作者，莫斯科国立工业大学Oleg Zakharov教授参与了论文的研究工作。该研究获得了国家级高层次青年人才项目、国家自然科学基金面上项目、黑龙江省优青项目、中国科协青年人才托举工程、中国博士后特别资助、深圳市科技计划等项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.triboint.2025.111264
文稿：秦杨一，责任编辑：孙铭锌，审核：王艺衡
