01
Въведение
Подсилените с въглеродни влакна полимери (CFRP) се състоят от смола, действаща като материал на матричната фаза, и въглеродни влакна, служещи като материал на усилващата фаза. Чрез комбиниране на свойствата на материала както на смолистата матрица, така и на армировката от въглеродни влакна, CFRP показва характеристики като леко тегло, устойчивост на корозия, устойчивост на износване и висока твърдост. Следователно той се използва широко в области със силни изисквания за структурно олекотяване-като космическата индустрия, автомобилната индустрия, военноморското корабостроене, генерирането на вятърна енергия и гражданското строителство. Основните производствени методи за CFRP материали включват формоване с трансфер на смола (RTM), формоване в автоклав, формоване във вакуумна торбичка и навиване на нишки; тези методи позволяват CFRP структури да се произвеждат чрез почти -net-обработка на формата. В практическите промишлени приложения обаче обикновено се изисква вторична обработка на CFRP за постигане на желаната геометрия на детайла-включително елементи като отвори, слотове и монтажни жлебове-и за постигане на точността на размерите и допустимите отклонения на формата, посочени в проекта на детайла. Поради значителните различия в термичните и механични свойства между подсилващите въглеродни влакна и матричната смола в рамките на CFRP, тази вторична обработка представлява значителни предизвикателства и е склонна към различни дефекти, често водещи до компрометирано качество на обработка. Следователно, за да се удовлетворят изискванията за размери и производителност на крайните компоненти, е от първостепенно значение да се проучат технологиите за обработка на CFRP материали и да се проучат високо{11}}качествени, високо-ефективни методи за обработка.
02
Механизми за отстраняване на материал при лазерна обработка
С появата на усъвършенствани инженерни материали, притежаващи сложни физични свойства-като полимери, подсилени с въглеродни влакна (CFRP)-конкурентоспособността на традиционната механична обработка, обработката с водна струя и обработката с електрически разряд постепенно намалява. При лазерната обработка отстраняването на материал основно включва абсорбцията, реакцията и преноса на лазерна енергия в материала. По време на този процес лазерът облъчва повърхността на материала и електроните абсорбират фотонната енергия. Впоследствие трансферът на енергия се осъществява чрез сблъсъци на -решетката на електроните, което води до повишаване на температурата на решетката и понижаване на температурата на електроните, докато се установи топлинно равновесие между електроните и решетката. Въпреки това, тъй като температурата на сублимация на въглеродните влакна (~3600 K) е приблизително пет пъти по-висока от тази на матрицата на смолата (~800 K), вложената енергия, необходима за отстраняване на въглеродните влакна, е значително по-голяма от тази, необходима за смолата. Освен това, поради анизотропната топлопроводимост на въглеродните влакна, топлината, генерирана по време на процеса на сублимация на въглеродни влакна, преференциално се разпространява в матрицата на смолата, което води до разлагане на смолата и образуването на вредни вещества. Изследователите са предложили дву{11}}механизъм за отстраняване на CFRP: лазерно-индуцирана пиролиза и термомеханично ексфолиране. Плазмата, генерирана по време на началния етап на аблация на материала, абсорбира топлина и произвежда насочени топлинни ударни вълни. Въглеродните влакна, изложени по време на обработката, са подложени на радиални сили на срязване, което води до крехко счупване и отделяне на материала.
Когато продължителността на лазерния импулс падне под 10 ps, продължителността на импулса става по-къса от времето за релаксация на електронна-решетка, което води до отклонение на механизма за отстраняване на материала от традиционната термична аблация. Механизмът на обработка е илюстриран на Фигура 2: смолистият материал показва лоша електрическа проводимост и ограничен брой свободни електрони, с енергиен диапазон от 2–4 eV; обратно, въглеродните влакна притежават добра електропроводимост и съдържат определено количество свободни електрони. По време на лазерно облъчване свободните електрони във въглеродните влакна директно абсорбират лазерната енергия, което води до повишаване на температурата на електронната система. Когато енергията на един фотон е по-ниска от забранената лента на смолата, свободните електрони се генерират чрез механизма на многофотонна йонизация (MPI), както е показано на Фигура 2(b). Когато енергията на единичен фотон превиши забранената зона, йонизацията на един-фотон доминира в механизма на възбуждане на електрони. Генерираните свободни електрони се сблъскват със свързани електрони, пренасяйки енергия чрез ударна йонизация; това задейства лавинообразна йонизация-както е показано на фигура 2(c)-което значително увеличава плътността на свободните електрони. По време на фазата на ултракъсо{16}}импулсно лазерно облъчване температурата на решетката се променя бавно поради топлинна инерция, докато температурата на електронната система се повишава бързо. Включените фазови преходи включват както не-термични, така и топлинни фазови преходи. Ако енергията на лазерния фотон е достатъчно висока, електроните абсорбират достатъчно енергия, за да преодолеят силите на свързване на Кулон на атомните ядра, което води до термична йонизация и оставя след себе си голям брой положителни йони. Тези положителни йони се отблъскват взаимно поради кулоновите сили, което води до „кулонова експлозия“ и електростатична аблация-процес, известен като „студена аблация“-както е показано на фигура 2(d). Тъй като разсейването на енергията на електронна-решетка се извършва непрекъснато, температурата на решетката постепенно се повишава и топлопроводимостта се осъществява между въглеродните влакна и смолата, както е показано на фигура 2(e). Следователно, когато температурата превиши определен праг, възникват топлинни фазови преходи-като изпаряване и фазова експлозия-, генерирайки висока-температура, високо-налягане и висока{32}}плътна плазма, която се изхвърля от повърхността, отнасяйки топлината и обработвайки отломки.
Дефектите в зоната, засегната от топлина- (HAZ) се отнасят за региони в рамките на CFRP, където възникват локализирани промени в свойствата в резултат на лазерни-взаимодействия на материала, както и присъщата хетерогенност и анизотропия на материала. Тези промени обхващат не-равномерното изпаряване и термичното разграждане на матричната смола, както и излагането на въглеродните влакна. Лазерен лъч на Гаус генерира не-равномерно пространствено разпределение на енергията и ефектите на топлинна дифузия карат CFRP материала да се нагрява в близост до обработващата зона. В този специфичен регион топлинната енергия надвишава прага, необходим за разграждането на матрицата от смола, но остава под прага, необходим за отстраняване на въглеродните влакна. Това води до влошаване на свойствата на смолата и локализирано излагане на въглеродните влакна. В тази зона топлопроводимостта загрява както смолата, така и въглеродните влакна. Поради значителното несъответствие между температурите на изпаряване на смолата и въглеродните влакна, смолата в този регион се изпарява, докато въглеродните влакна не успяват да достигнат температурата си на изпарение, което води до излагане на въглеродните влакна.
