01
Indledning
Kulfiberforstærkede polymerer (CFRP) består af en harpiks, der fungerer som matrixfasemateriale, og kulfibre, der tjener som forstærkningsfasemateriale. Ved at kombinere materialeegenskaberne af både harpiksmatricen og kulfiberforstærkningen udviser CFRP egenskaber såsom let vægt, korrosionsbestandighed, slidstyrke og høj hårdhed. Som følge heraf bruges den i vid udstrækning inden for områder med store krav til strukturel letvægtning-såsom rumfart, bilindustrien, flådeskibsbygning, vindkraftproduktion og civilingeniør. De primære fremstillingsmetoder for CFRP-materialer omfatter Resin Transfer Molding (RTM), autoklavestøbning, vakuumposestøbning og filamentvikling; disse metoder gør det muligt at producere CFRP-strukturer via næsten-net-formbehandling. I praktiske industrielle applikationer er sekundær behandling af CFRP dog typisk påkrævet for at opnå den ønskede delgeometri-inklusive funktioner såsom huller, slidser og samlingsriller-og for at opfylde den dimensionelle nøjagtighed og formtolerancer, der er specificeret i delens design. På grund af de betydelige forskelle i termiske og mekaniske egenskaber mellem de forstærkende kulfibre og matrixharpiksen i CFRP, giver denne sekundære forarbejdning betydelige udfordringer og er tilbøjelig til forskellige defekter, hvilket ofte resulterer i kompromitteret forarbejdningskvalitet. For at opfylde de endelige komponenters dimensions- og ydeevnekrav er det derfor af afgørende betydning at undersøge forarbejdningsteknologier for CFRP-materialer og at udforske høj{11}}kvalitet og høj{12}}effektive behandlingsmetoder.
02
Mekanismer til materialefjernelse i laserbehandling
Med fremkomsten af avancerede ingeniørmaterialer med komplekse fysiske egenskaber-såsom Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP)-er konkurrenceevnen for traditionel mekanisk bearbejdning, vandstrålebearbejdning og bearbejdning med elektrisk udladning gradvist formindsket. Ved laserbehandling involverer materialefjernelse grundlæggende absorption, respons og overførsel af laserenergi i materialet. Under denne proces bestråler laseren materialets overflade, og elektroner absorberer fotonenergien. Efterfølgende sker energioverførsel gennem elektron-gitterkollisioner, hvilket resulterer i en stigning i gittertemperaturen og et fald i elektrontemperaturen, indtil der er etableret termisk ligevægt mellem elektronerne og gitteret. Men fordi sublimeringstemperaturen for kulfibre (~3600 K) er cirka fem gange højere end for harpiksmatricen (~800 K), er den energitilførsel, der kræves for at fjerne kulfibrene, betydeligt større end den, der kræves for harpiksen. På grund af kulfibres anisotrope termiske ledningsevne forplanter den varme, der genereres under kulfibersublimeringsprocessen, sig fortrinsvis ind i harpiksmatrixen, hvilket fører til harpiksnedbrydning og dannelse af skadelige stoffer. Forskere har foreslået en to-fjernelsesmekanisme for CFRP: laser-induceret pyrolyse og termomekanisk eksfoliering. Plasmaet, der genereres under den indledende fase af materialeablation, absorberer varme og producerer retningsbestemte termiske chokbølger. De kulfibre, der udsættes under forarbejdningen, udsættes for radiale forskydningskræfter, hvilket resulterer i sprøde brud og materialeløsnelse.
Når laserpulsvarigheden falder til under 10 ps, bliver pulsvarigheden kortere end elektron-afslapningstiden, hvilket får materialefjernelsesmekanismen til at afvige fra traditionel termisk ablation. Behandlingsmekanismen er illustreret i figur 2: harpiksmaterialet udviser dårlig elektrisk ledningsevne og et begrænset antal frie elektroner med et energibåndgab på 2-4 eV; omvendt har kulfiberen god elektrisk ledningsevne og indeholder en vis mængde frie elektroner. Under laserbestråling absorberer frie elektroner i kulfiberen laserenergien direkte, hvilket resulterer i en stigning i elektronsystemets temperatur. Når energien af en enkelt foton er lavere end harpiksens båndgab, genereres frie elektroner via multifotonioniseringsmekanismen (MPI), som vist i figur 2(b). Når energien af en enkelt foton overstiger båndgabet, dominerer enkelt{10}}fotonionisering elektronexcitationsmekanismen. De genererede frie elektroner kolliderer med bundne elektroner og overfører energi gennem stødionisering; dette udløser lavineionisering-som vist i figur 2(c)-hvilket øger tætheden af frie elektroner markant. Under den ultrakorte-pulslaserbestrålingsfase ændres gittertemperaturen langsomt på grund af termisk inerti, mens temperaturen i elektronsystemet stiger hurtigt. De involverede faseovergange omfatter både ikke-termiske og termiske faseovergange. Hvis laserfotonenergien er tilstrækkelig høj, absorberer elektronerne nok energi til at overvinde Coulomb-bindingskræfterne i atomkernerne, hvilket fører til termisk ionisering og efterlader et stort antal positive ioner. Disse positive ioner frastøder hinanden på grund af Coulomb-kræfter, hvilket resulterer i en "Coulomb-eksplosion" og elektrostatisk ablation-en proces kendt som "kold ablation"-som vist i figur 2(d). Da elektron-gitreenergispredning sker kontinuerligt, stiger gittertemperaturen gradvist, og varmeledning finder sted mellem kulfiberen og harpiksen, som illustreret i figur 2(e). Når temperaturen overstiger en vis tærskel, opstår der følgelig termiske faseovergange-såsom fordampning og faseeksplosion-, hvilket genererer en høj-temperatur, højt-tryk og høj-densitetsplasma, der udstødes fra overfladen og transporterer varme og bearbejdning væk.
Defekter inden for den varme-påvirkede zone (HAZ) refererer til områder inden for CFRP, hvor lokaliserede egenskabsændringer forekommer som følge af laser-materialeinteraktioner samt materialets iboende heterogenitet og anisotropi. Disse ændringer omfatter den ikke-ensartede fordampning og termiske nedbrydning af matrixharpiksen, såvel som eksponeringen af kulfibrene. En gaussisk laserstråle genererer en ikke-ensartet rumlig energifordeling, og termiske diffusionseffekter får CFRP-materialet til at varme op i nærheden af behandlingszonen. I dette specifikke område overstiger den termiske energi den tærskel, der kræves til nedbrydning af harpiksmatricen, men forbliver under den tærskel, der kræves til fjernelse af kulfibrene. Dette fører til en forringelse af harpiksens egenskaber og den lokaliserede eksponering af kulfibrene. Inden for denne zone opvarmer varmeledning både harpiksen og kulfibrene. På grund af den betydelige forskel mellem fordampningstemperaturerne for harpiksen og kulfibrene, fordamper harpiksen i dette område, mens kulfibrene ikke når deres fordampningstemperatur, hvilket resulterer i eksponering af kulfibrene.
