异质叠层构件是指将两种及以上不同材料（金属或非金属）按照一定方式层叠在一起形成的复合结构体系，使叠层构件同时获取多种材料优异性能，已成为航空航天等领域重大装备性能提升的重要途径。例如，复合材料-铜箔-复合材料叠层构件是新一代战机雷达罩电磁吸/透波从定频到选频的变革性共形制造基础，其超薄铜箔（<10 μm）完整暴露的大深宽比微盲孔制造是导电微柱预埋的关键。现有异质叠层构件制造以较为宏观的机械钻铣制孔为主，加工过程极易产生断续切削力，且无法获得平整盲孔底部，损伤夹层金属。短脉冲激光具有非接触、零切削力、热损伤低等特点，是异质叠层构件微细盲孔高质高效制造的变革性途径，但仍面临材料蚀除机理不清、状态闭环调控方法不明、曲面分割拼接与群孔路径规划精度不高等难题。

针对上述挑战，在国家制造业高质量发展专项、国家自然科学基金面上项目、湖北省重大科技专项等国家级/省级项目支持下，以国家和地方重大需求为牵引，凝练“工艺机理、闭环调控、路径规划”的技术主线，揭示了CFRP激光制孔热力蚀除机理，提出了异质界面精确辨识及工艺闭环调控方法，发明了曲面高精度分割拼接及群孔路径规划技术，形成异质叠层构件群微盲孔高质量激光可控加工技术，并基于此研发了大尺寸异质叠层构件激光制孔装备，应用于7家航空航天及国防军工单位的16个国家重大型号装备生产制造中，满足了三航重点型号制造急需，推动了我国异质叠层构件高性能激光制造技术创新发展。相关成果在2024年发表SCI学术论文7篇，申请发明专利3项，获机械工业科学技术科技进步一等奖，中国产学研合作创新成果二等奖等奖项。具体工作内容如下：

（1）异质叠层构件激光高质量加工工艺机理：构建了考虑两相非均质分布复合材料激光制孔热流瞬态演化介观模型，探究激光脉冲间隔对材料蚀除的热流分布影响行为，获取微观界面热力时空聚集及演变规律，揭示了脉冲间纤维增强相的高温碎断蚀除新机制；基于此，发明了跳跃扫描与硅油喷涂复合的能量调控损伤抑制新策略，制孔最大热影响区≤4.114μm（Φ8 mm、厚2 mm，公开文献最优），抗拉强度提高了13.69%；

（2）异质叠层界面精确辨识及工艺闭环调控方法：率先建立了基于声波时频域特征及余弦相似性的异质叠层界面辨识方法，获取异质材料穿透瞬时声波多维参量突变特征，实现2 mm构件内部超薄铜箔（<10 μm）空间分布位置精确辨识；并将状态信息实时反馈激光工艺控制系统，闭环自主调控扫描轨迹、离焦距离、激光功率等工艺参数，国际首次实现异质叠层复合材料构件超薄铜箔完整暴露微盲孔精准制造，铜箔暴露面积≥90.8%；

（3）复杂曲面群微盲孔高精度分割拼接与路径规划技术：重构单球面多边形面坐标系和多球面三角面坐标系复合投影坐标方法，提出并行投影、轮廓检测和像素采样耦合的复杂曲面分割拼接方法，实现曲面多级分区拼接误差下降94.69%（88.95 μm→4.72 μm）；提出自适应离散灰狼优化的不规则群孔路径规划方法，考虑多部件转动惯量及响应时间差异与孔径协调关系，搜索最优加工路径，群孔加工效率提升55.5%。

2.1技术新颖性：

大深径比微盲孔是机械领域典型制造难题之一，异质叠层构件微盲孔在满足深径比的同时，需将超薄铜箔（<10μm）完整暴露在盲孔底部，制造难度指数级激增。微盲孔当前主流加工方法为机械钻削，但异质叠层材料层间剪切强度低，钻削断续切削力极易产生分层、撕裂等损伤，且钻头端部存在固定钻尖角，无法获得平整盲孔，损伤夹层金属。激光因其独特优势已成为复合材料高质量加工的重要途径，但现有研究主要围绕通孔加工，异质叠层构件高质量微盲孔加工方法未见公开报道。本项目创新异质叠层构件群微盲孔高质量激光可控加工技术，其新颖性主要分为三个方面：

（1）提出异质叠层构件激光加工能量非线性吸收和热力跨尺度传递模型，揭示其热力跨尺度蚀除机理，基于此，发明了跳跃扫描与硅油喷涂复合的能量调控损伤抑制新策略，实现异质叠层微盲孔高质量加工，制孔最大热影响区≤4.114μm（Φ8 mm、厚2 mm，公开文献最优），抗拉强度提高了13.69%；

（2）提出异质叠层界面声波精确辨识及工艺闭环调控方法，通过跨异质界面下声波时频域及余弦相似性特征突变提取与分析，突破界面状态精准感知难题，（位置误差<3 μm，时间误差<0.05 ms）；并闭环调控激光工艺，国际首次实现异质叠层复合材料构件超薄铜箔完整暴露微盲孔精准制造，铜箔暴露面积≥90.8%；

（3）提出复杂曲面群微盲孔高精度分割拼接与路径规划技术，通过建立考虑复杂曲率变化的自由曲面与群微盲孔高保真映射模型，突破几何与工艺约束下曲面多级分割与高精度拼接策略，并提出自适应离散灰狼优化的群孔路径规划方法，有效保障了复杂曲面雷达罩群微盲孔加工精度与效率，曲面多级分区拼接误差下降94.69%（88.95 μm→4.72 μm），群孔加工效率提升55.5%。

相关成果在2024年发表SCI学术论文7篇，申请发明专利3项，获机械工业科学技术科技进步一等奖，中国产学研合作创新成果二等奖等奖项。

2.2实质性的突破

（1）打破异质叠层构件微盲孔激光加工工艺与监测的孤立性：提出声波余弦相似性特征突变提取方法，实现2 mm构件内超薄铜箔（<10 μm）分布位置精确辨识（位置误差<3 μm，时间误差<0.05 ms），并在线闭环反馈调控扫描轨迹、激光功率等工艺参数，使未暴露铜箔区域继续加工，已暴露铜箔不在后续扫描中烧蚀去除，国际首次实现异质叠层复合材料构件超薄铜箔完整暴露微盲孔精准制造，铜箔暴露面积≥90.8%；

（2）突破复杂曲面构件群盲孔高质高效加工技术难题：通过建立考虑复杂曲率变化的自由曲面与群微盲孔高保真映射模型，突破几何与工艺约束下曲面多级分割与高精度拼接策略，曲面拼接误差下降94.69%（88.95 μm→4.72 μm），并提出自适应离散灰狼优化的群孔路径规划方法，有效提升群孔加工效率提升55.5%，将二维平面构件加工拓展为三维空间曲面构件，有效拓展激光加工能力与应用范围。

2.3是否解决卡脖子技术难题：

异质叠层雷达罩群微盲孔加工质量直接影响驻电关联结构连接，进而影响战机雷达电磁性能与隐身性能。国外异质叠层频率选择雷达罩研发与应用起步较早，英国BASE公司开发了频率选择雷达罩激光制造系统与装备，已实现隐身雷达罩的批量制造与应用；美国C-140喷气运输机、F-22和F-35等多款战斗机已装备异质叠层频率选择雷达罩，实现了特定频率电磁波带外隐身和带内传输的功能，极大提升战机雷达探测与隐身防护性能。而我国相关研究起步较晚，目前仅处于电磁屏蔽夹层结构设计阶段，并在实验室内初步实现异质叠层频率选择雷达罩功能验证，但在高稳定性制造工艺与应用化验证环节尚属空白，严重制约我国战机频率选择雷达罩迭代升级。

项目创新的异质叠层构件群微盲孔高质量激光可控加工技术，揭示了上层CFRP激光制孔热力蚀除机理，提出了异质界面精确辨识及工艺闭环调控方法，发明了曲面高精度分割拼接及群孔路径规划技术，国际首次实现异质叠层复合材料构件超薄铜箔完整暴露微盲孔精准制造；并基于此研发了大尺寸异质叠层构件激光制孔装备，为16个国家重大型号装备生产制造奠定了关键制造基石，为新一代战机异质叠层频率选择雷达罩高稳定性制造提供技术支撑，打破欧美国家对新一代隐身战机雷达罩制造技术封锁。

2.4预期经济效益和社会效益：

支撑国家重大需求：异质叠层构件是航空航天领域重大装备性能进一步提升的核心基材，例如，复合材料-铜箔-复合材料叠层构件是新一代战机雷达罩电磁吸/透波从定频到选频的变革型共性制造基础，陶瓷基复合材料CMC-环境障碍涂层EBCs叠层构件能够将高马赫飞行器燃烧室、尖锥等热端部件的工作温度提高300℃~500℃。然而，当前异质叠层构件群微盲孔、微细沟槽等加工装备主要为西方发达国家所垄断，设备购买与使用昂贵，且存在禁运风险。本项目提出的异质叠层构件群微盲孔高质量激光可控加工技术为异质叠层构件批量化应用的核心关键环节，已成功应用于相关高性能装备研发与制造中，将打破西方发达国家技术垄断，满足国家重点型号制造急需，助力我国国防军工力量的提升。

促进战略新兴产业：新能源光伏是我国“十四五”规划与2035年远景目标纲要重要组成部分，2023年我国光伏太阳能产业规模超1.75万亿元，其中太阳能电池片为产业链核心关键，其高质高效加工技术与装备是支撑我国光伏产业高质量发展的制造基础。新一代异质结叠层电池可有效提升光电转化效率，但非晶硅薄膜沉积厚表面微突峰钝化与退货技术难以满足当前行业需求。本项目提出的异质叠层构件激光高质量加工方法可拓展应用于异质结电池生产中，有效提升异质叠层电池片退火与烧结质量，提升电池片发电效率，为我国战略新兴产业高质量健康发展提供技术支撑。

培养关键技术人才：项目在国家制造业高质量发展专项、国家自然科学基金面上项目、湖北省重大科技专项等国家级/省级项目支持下，以国家和地方重大需求为牵引，揭示了CFRP激光制孔热力蚀除机理，提出了异质界面精确辨识及工艺闭环调控方法，发明了曲面高精度分割拼接及群孔路径规划技术，形成异质叠层构件群微盲孔高质量激光可控加工技术，丰富和发展了我国航空航天及国防军工等领域核心关键构件高性能制造的基础理论体系，并培养一批异质叠层构件激光高性能加工技术的高素质人才，推动相关学科发展。

取得良好经济效益：异质叠层构件市场规模巨大，其中航空航天领域频率选择雷达罩、发动机燃烧室等关键构件市场规模超100亿元，第三代异质结电池片市场规模超5000亿元，且2023年复合增长率超60%。当前异质叠层构件群微盲孔、微细沟槽等加工装备主要为西方发达国家所垄断，设备购买与使用昂贵，且存在禁运风险。本项目研发的异质叠层构件激光高质量加工方法将突破国外相关领域技术封锁，且预计成本降低60%以上，同时使用过程中的维护费用也将降低，可大幅度降低构件生产成本，提升我国产业链完整性，市场前景广阔，创造显著的经济效益。

2.5转化、应用、推广程度：

项目团队与国内航空航天及国防军工等领域重点单位开展深入合作，开展产学研用联合创新，攻克了异质叠层构件群微盲孔高质量激光可控加工技术，研发了大尺寸异质叠层构件激光制孔装备，并将最新的技术与装备推广至实际生产中，实现7家航空航天、国防军工单位中16个国家重大型号装备关键构件高质量生产，满足了国家重点型号制造急需及产业传统制造技术替代。相关成果在2024年发表SCI学术论文7篇，申请发明专利3项，获机械工业科学技术科技进步一等奖，中国产学研合作创新成果二等奖等奖项。具体典型应用案例如下：

（1）面向深空探测卫星天线架及抛物面雷达罩等叠层构件高品质、高效率制孔需求，项目研发了飞秒激光高性能制孔装备，对某型号卫星天线及抛物面雷达罩试样进行了批量试制，超100件加工试样性能指标满足深空卫星使用需求，并推广应用于某型号卫星核心部件生产制造。

（2）面向我国DF系列导弹严苛生产制造需求，项目团队突破了制孔过程热力损伤“交错扫描+硅油喷涂”的抑制方法，原创了制孔热力耦合状态的声态观测方法及其过程稳定性监测技术，研制了飞秒热力协同制孔装备，用于某DF导弹复合裙等系列产品制造，具有制孔质量稳定、合格率高等优点，替代了传统制造技术，保障重点产品制造急需。

（3）面向战机复合材料构件受损区域高质量铣削修复需求，项目创新的阶梯盲孔激光精确铣削胶接修复方法，有效增大了孔壁表面与修复预浸料的结合力，核心部件修复后综合性能及一致性显著提升，且加工效率提升近一倍。现已在重点型号战机复合材料构件修复中试用并推广，有效减少了战机维修时间，提升复材构件修复后综合性能，为空军重点装备使用可靠性与安全性提供了有力保障。

（1）上层复合材料制孔热影响区≤4.114μm（Φ8 mm、厚2 mm，公开文献最优），抗拉强度提高了13.69%；

（2）声波监测系统最高采集频率≥30 MHz，特征采集与闭环响应调控周期<5 ms;

（3）叠层材料盲孔深度监测误差<0.1 mm；异质界面辨识误差<3 μm，时间误差<0.05 ms；

（3）异质叠层构件盲孔底部完整无损铜箔暴露面积>90.8%，构件总厚度≥2 mm，夹层铜箔厚度<10 μm；

（4）复杂曲率三维曲面构件多级分割拼接误差<4.72 μm.