近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、沈正祥教授团队，联合上海理工大学庄松林院士团队王冠学副教授，在光学领域期刊《Optics and Laser Technology》（JCR 1区）上发表了关于单晶硅激光辅助超精密加工冷却技术的研究成果。研究针对单晶硅这一典型硬脆材料在传统加工中易产生脆性断裂、加工效率低等难题，提出气雾两相流冷却的激光辅助车削方法，通过多尺度仿真与实验系统性研究了不同冷却策略对激光辅助车削的影响。相关工作以 “Thermo-Mechanical Coupling Mechanism of Air-Mist Two-Phase Flow Cooling for In-Situ Laser-Assisted Turning of monocrystalline Silicon”为题发表于该期刊。（Zhou J., Chen P., Qu J. X. et al. Thermo-mechanical coupling mechanism of air-mist two-phase flow cooling for in-situ laser-assisted turning of monocrystalline silicon. OPTICS AND LASER TECHNOLOGY 204, (2026).）。
单晶硅因优异的光学与热学性能，在红外光学系统、高功率激光器等国防与前沿科技领域具有不可替代的应用价值。然而，作为典型的硬脆材料，其在超精密加工中极易发生脆性断裂与亚表面损伤，传统加工方法流程长、效率低。激光辅助单点金刚石车削（LAT）通过局部热软化诱导材料发生脆塑转变，显著提升了加工效率与表面质量，但伴随而来的材料烧蚀、热应力及热损伤等问题仍制约着整体加工效果的进一步提升。
该研究在超精密车削中将激光辅助加热与气雾冷却相结合，建立了融合离散相模型与有限元仿真的多物理场序贯耦合分析框架，系统揭示了气雾两相流冷却对激光加热效率的影响，并通过实验进行了验证。研究表明在“原位”激光辅助车削（In-LAT）中，激光光路位于透明金刚石刀具内部，气雾冷却难以直接冷却光斑中心区域，两者互不干涉，可相互兼容。对刀具前刃面喷射气雾主要提供润滑作用，有效降低刀具与工件间的摩擦；对刀具后刃面喷射气雾主要提供冷却功能，能够将激光诱导的高温热影响区大幅收窄，有效抑制因大面积热软化导致的非稳态塑性流动。自研了在位激光辅助单点金刚石车削装置，比较研究了多种冷却方式，发现高液气比双喷嘴气雾冷却方案综合性能最优，仿真与实验一致表明该方案可实现稳定的韧性域去除，表面粗糙度达到Ra=2.204 nm。该成果不仅为单晶硅激光辅助加工提供了可量化的工艺窗口，所建立的“宏观流场-介观温度场-微观应力应变场”序贯耦合多物理场仿真框架，也为其他硬脆材料（如玻璃、陶瓷）的低成本、高精度可加工性评估提供了通用化技术路径。
团队2025年在同一期刊上发表了“Finite element simulation of in-situ laser-assisted turning of monocrystalline silicon under different cooling condition”一文（Zhou J., Cheng P., Qu J. et al. Finite element simulation of in-situ laser-assisted turning of monocrystalline silicon under different cooling conditions. OPTICS & LASER TECHNOLOGY 192, 113511 (2025).），通过流固耦合有限元仿真研究，初步揭示了车削液冷却对激光辅助车削过程的温度场、切削力、残余应力与等效塑性应变的影响规律。本次发表的新研究在此基础之上，优化了仿真模型并进行了实验验证。从单相车削液体冷却变为气雾两相流冷却，引入离散相模型实现了对气雾冷却的多物理场精确描述，使仿真预测与实验结果更为吻合。两篇文章共同构成了从定性研究到定量研究气雾冷却与激光辅助车削结合的的完整研究脉络：前作解决了车削液体冷却与加热能否兼容的基本问题，新作则进一步探究了最佳冷却工艺，形成了对激光辅助加工中热-力协同调控机制的系统性认知。
同济大学物理科学与工程学院博士研究生周劼为论文第一作者，沈正祥教授为论文通讯作者。对该系列研究具有突出贡献的合作者还包括同济大学关晓飞教授，陈鹏博士后、瞿俊骁博士，上海理工大学潘悦讲师、庄松林院士，以及同济大学王占山教授。研究得到了国家自然科学基金（No. 12373100）的资助。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399225011028
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399226015677
