01
Введение
Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), состоят из смолы, действующей как материал матричной фазы, и углеродных волокон, служащих материалом армирующей фазы. Сочетая свойства материала как смоляной матрицы, так и армирования из углеродного волокна, углепластик демонстрирует такие характеристики, как легкий вес, коррозионная стойкость, износостойкость и высокая твердость. Следовательно, он широко используется в областях с высокими требованиями к облегчению конструкций,-таких как аэрокосмическая, автомобильная промышленность, военное судостроение, производство ветровой энергии и гражданское строительство. Основные методы производства углепластиков включают трансфертное формование смолы (RTM), автоклавное формование, формование в вакуумных мешках и накальную намотку; эти методы позволяют создавать конструкции из углепластика посредством обработки почти -чистой- формы. Однако в практическом промышленном применении вторичная обработка углепластика обычно требуется для достижения желаемой геометрии детали-включая такие элементы, как отверстия, пазы и сборочные канавки-, а также для соблюдения точности размеров и допусков формы, указанных в конструкции детали. Из-за значительных различий в термических и механических свойствах армирующих углеродных волокон и матричной смолы в углепластике вторичная обработка представляет собой значительные проблемы и подвержена различным дефектам, что часто приводит к ухудшению качества обработки. Поэтому, чтобы удовлетворить требования к размерам и характеристикам конечных компонентов, крайне важно изучить технологии обработки углепластиков и изучить высококачественные и высокоэффективные методы обработки.
02
Механизмы удаления материала при лазерной обработке
С появлением современных конструкционных материалов, обладающих сложными физическими свойствами,-таких как полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP)-, конкурентоспособность традиционной механической обработки, гидроабразивной обработки и электроэрозионной обработки постепенно снизилась. При лазерной обработке удаление материала в основном включает в себя поглощение, реакцию и передачу лазерной энергии внутри материала. Во время этого процесса лазер облучает поверхность материала, а электроны поглощают энергию фотонов. Впоследствии передача энергии происходит за счет столкновений электронов -решетки, что приводит к увеличению температуры решетки и снижению температуры электронов до тех пор, пока между электронами и решеткой не установится тепловое равновесие. Однако поскольку температура сублимации углеродных волокон (~3600 К) примерно в пять раз превышает температуру сублимации матрицы смолы (~800 К), затраты энергии, необходимые для удаления углеродных волокон, значительно больше, чем необходимые для смолы. Кроме того, из-за анизотропной теплопроводности углеродных волокон тепло, образующееся в процессе сублимации углеродных волокон, преимущественно распространяется в матрицу смолы, что приводит к разложению смолы и образованию вредных веществ. Исследователи предложили двухэтапный механизм удаления углепластика: лазерный-пиролиз и термомеханическое отшелушивание. Плазма, образующаяся на начальном этапе абляции материала, поглощает тепло и создает направленные термические ударные волны. Углеродные волокна, подвергающиеся воздействию во время обработки, подвергаются радиальным сдвиговым силам, что приводит к хрупкому разрушению и отслоению материала.
Когда длительность лазерного импульса падает ниже 10 пс, длительность импульса становится короче времени релаксации электронной-решетки, в результате чего механизм удаления материала отклоняется от традиционной термической абляции. Механизм обработки показан на рисунке 2: материал смолы обладает плохой электропроводностью и ограниченным количеством свободных электронов, а ширина запрещенной зоны составляет 2–4 эВ; и наоборот, углеродное волокно обладает хорошей электропроводностью и содержит определенное количество свободных электронов. Во время лазерного облучения свободные электроны внутри углеродного волокна непосредственно поглощают энергию лазера, что приводит к повышению температуры электронной системы. Когда энергия одного фотона ниже ширины запрещенной зоны смолы, свободные электроны генерируются посредством механизма многофотонной ионизации (MPI), как показано на рисунке 2 (b). Когда энергия отдельного фотона превышает ширину запрещенной зоны, в механизме электронного возбуждения доминирует однофотонная ионизация. Генерируемые свободные электроны сталкиваются со связанными электронами, передавая энергию посредством ударной ионизации; это вызывает лавинную ионизацию, -как показано на рисунке 2(c)-, которая значительно увеличивает плотность свободных электронов. Во время фазы лазерного облучения ультракороткими-импульсами температура решетки изменяется медленно из-за тепловой инерции, в то время как температура электронной системы быстро возрастает. Фазовые переходы включают как не-тепловые, так и термические фазовые переходы. Если энергия лазерных фотонов достаточно высока, электроны поглощают достаточно энергии, чтобы преодолеть кулоновские силы связи атомных ядер, что приводит к термической ионизации и оставляет после себя большое количество положительных ионов. Эти положительные ионы отталкивают друг друга под действием кулоновских сил, что приводит к «кулоновскому взрыву» и электростатической абляции -процессу, известному как «холодная абляция»-, как показано на рисунке 2(d). Поскольку рассеяние энергии электронов -решетки происходит непрерывно, температура решетки постепенно повышается, и между углеродным волокном и смолой происходит теплопроводность, как показано на рисунке 2 (e). Следовательно, когда температура превышает определенный порог, происходят тепловые фазовые переходы,-такие как испарение и фазовый взрыв,-генерирующие плазму с высокой-температурой, высоким-давлением и высокой-плотностью, которая выбрасывается с поверхности, унося тепло и обрабатывая мусор.
Дефекты в зоне-теплового воздействия (ЗТВ) относятся к областям углепластика, где локализованные изменения свойств происходят в результате лазерного-взаимодействия материалов, а также присущей материалу неоднородности и анизотропии. Эти изменения включают в себя неоднородное-испарение и термическое разложение матричной смолы, а также воздействие на углеродные волокна. Луч гауссова лазера создает неоднородное пространственное распределение энергии, а эффекты термодиффузии приводят к нагреванию углепластика вблизи зоны обработки. В этой конкретной области тепловая энергия превышает порог, необходимый для разложения матрицы смолы, но остается ниже порога, необходимого для удаления углеродных волокон. Это приводит к ухудшению свойств смолы и локализованному обнажению углеродных волокон. Внутри этой зоны теплопроводность нагревает как смолу, так и углеродные волокна. Из-за значительной разницы между температурами испарения смолы и углеродных волокон смола в этой области испаряется, в то время как углеродные волокна не достигают своей температуры испарения, что приводит к обнажению углеродных волокон.
