01
Introduktion
Kolfiberförstärkta polymerer (CFRP) består av ett harts som fungerar som matrisfasmaterial och kolfibrer som fungerar som förstärkningsfasmaterial. Genom att kombinera materialegenskaperna hos både hartsmatrisen och kolfiberförstärkningen uppvisar CFRP egenskaper som låg vikt, korrosionsbeständighet, slitstyrka och hög hårdhet. Följaktligen används den i stor utsträckning inom områden med höga krav på strukturell lättvikts-som flyg, bilindustrin, marin skeppsbyggnad, vindkraftsproduktion och civilingenjör. De primära tillverkningsmetoderna för CFRP-material inkluderar Resin Transfer Molding (RTM), autoklavgjutning, vakuumpåsgjutning och filamentlindning; dessa metoder gör att CFRP-strukturer kan produceras via nära-net-formbehandling. I praktiska industriella applikationer krävs dock vanligtvis sekundär bearbetning av CFRP för att uppnå önskad detaljgeometri-inklusive funktioner som hål, slitsar och monteringsspår-och för att möta dimensionsnoggrannheten och formtoleranserna som specificeras i detaljkonstruktionen. På grund av de betydande skillnaderna i termiska och mekaniska egenskaper mellan de förstärkande kolfibrerna och matrishartset inom CFRP, innebär denna sekundära bearbetning avsevärda utmaningar och är utsatt för olika defekter, vilket ofta resulterar i försämrad bearbetningskvalitet. För att uppfylla de slutliga komponenternas dimensions- och prestandakrav är det därför av yttersta vikt att undersöka bearbetningstekniker för CFRP-material och att utforska bearbetningsmetoder med hög-kvalitet och hög-effektivitet.
02
Mekanismer för borttagning av material vid laserbearbetning
Med framväxten av avancerade tekniska material med komplexa fysikaliska egenskaper-som kolfiberförstärkta polymerer (CFRP)-har konkurrenskraften för traditionell mekanisk bearbetning, vattenjetbearbetning och bearbetning med elektrisk urladdning gradvis minskat. Vid laserbearbetning involverar materialborttagning i grunden absorption, respons och överföring av laserenergi i materialet. Under denna process bestrålar lasern materialytan och elektroner absorberar fotonenergin. Därefter sker energiöverföring genom elektron-gitterkollisioner, vilket resulterar i en ökning av gittertemperaturen och en minskning av elektrontemperaturen tills termisk jämvikt har etablerats mellan elektronerna och gittret. Men eftersom sublimeringstemperaturen för kolfibrer (~3600 K) är ungefär fem gånger högre än för hartsmatrisen (~800 K), är energitillförseln som krävs för att avlägsna kolfibrerna betydligt större än den som krävs för hartset. Dessutom, på grund av kolfibrernas anisotropa värmeledningsförmåga, fortplantar sig värmen som genereras under kolfibersublimeringsprocessen företrädesvis in i hartsmatrisen, vilket leder till hartsnedbrytning och bildning av skadliga ämnen. Forskare har föreslagit en -borttagningsmekanism i två steg för CFRP: laser-inducerad pyrolys och termomekanisk exfoliering. Plasma som genereras under det inledande skedet av materialablation absorberar värme och producerar riktade termiska stötvågor. Kolfibrerna som exponeras under bearbetningen utsätts för radiella skjuvkrafter, vilket resulterar i spröd brott och materiallossning.
När laserpulsens varaktighet sjunker under 10 ps blir pulslängden kortare än elektron-gittrets relaxationstid, vilket gör att materialavlägsningsmekanismen avviker från traditionell termisk ablation. Bearbetningsmekanismen illustreras i figur 2: hartsmaterialet uppvisar dålig elektrisk ledningsförmåga och ett begränsat antal fria elektroner, med ett energibandgap på 2–4 eV; omvänt har kolfibern god elektrisk ledningsförmåga och innehåller en viss mängd fria elektroner. Under laserbestrålning absorberar fria elektroner i kolfibern laserenergin direkt, vilket resulterar i en ökning av temperaturen i elektronsystemet. När energin hos en enskild foton är lägre än hartsets bandgap genereras fria elektroner via multifotonjoniseringsmekanismen (MPI), som visas i figur 2(b). När energin för en enskild foton överstiger bandgapet dominerar-enkelfotonjonisering elektronexcitationsmekanismen. De genererade fria elektronerna kolliderar med bundna elektroner och överför energi genom stötjonisering; detta utlöser lavinjonisering-som visas i figur 2(c)-som avsevärt ökar tätheten av fria elektroner. Under den ultrakorta-pulslaserbestrålningsfasen ändras gittertemperaturen långsamt på grund av termisk tröghet, medan temperaturen i elektronsystemet stiger snabbt. Inblandade fasövergångar inkluderar både icke-termiska och termiska fasövergångar. Om laserfotonenergin är tillräckligt hög absorberar elektronerna tillräckligt med energi för att övervinna Coulomb-bindningskrafterna i atomkärnorna, vilket leder till termisk jonisering och lämnar efter sig ett stort antal positiva joner. Dessa positiva joner stöter bort varandra på grund av Coulomb-krafter, vilket resulterar i en "Coulomb-explosion" och elektrostatisk ablation-en process som kallas "kallablation"-som visas i figur 2(d). Eftersom elektron-energispridning sker kontinuerligt, stiger gittertemperaturen gradvis och värmeledning sker mellan kolfibern och hartset, som illustreras i figur 2(e). Följaktligen, när temperaturen överstiger ett visst tröskelvärde, uppstår termiska fasövergångar-såsom förångning och fasexplosion-, vilket genererar en hög-temperatur, högt-tryck och hög-densitetsplasma som stöts ut från ytan och transporterar bort skräp och bearbetning.
Defekter inom den värme-påverkade zonen (HAZ) hänvisar till regioner inom CFRP där lokaliserade egenskapsförändringar inträffar som ett resultat av laser-materialinteraktioner, såväl som materialets inneboende heterogenitet och anisotropi. Dessa förändringar omfattar den o-jämna förångningen och termiska nedbrytningen av matrishartset, såväl som exponeringen av kolfibrerna. En gaussisk laserstråle genererar en o-jämn rumslig energifördelning, och termiska diffusionseffekter gör att CFRP-materialet värms upp i närheten av bearbetningszonen. I detta specifika område överskrider den termiska energin det tröskelvärde som krävs för sönderdelningen av hartsmatrisen men förblir under det tröskelvärde som krävs för att avlägsna kolfibrerna. Detta leder till en försämring av hartsets egenskaper och den lokaliserade exponeringen av kolfibrerna. Inom denna zon värmer värmeledning både hartset och kolfibrerna. På grund av den betydande skillnaden mellan förångningstemperaturerna för hartset och kolfibrerna, avdunstar hartset i detta område medan kolfibrerna inte når sin förångningstemperatur, vilket resulterar i exponering av kolfibrerna.
