碳纤维复合材料皮秒激光加工工艺研究

发布时间：2021-10-14 09:48

　　采用不同波长皮秒激光器在碳纤维复合材料板材上进行制孔加工,研究了不同波长（532,355 nm）、扫描速度（3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 mm/s）、加工缝宽（0.4、0.5、0.6 mm）对加工孔表面热影响区、孔锥度、加工时长等加工质量的影响。结果表明:激光波长越短,加工孔的表面质量越好,热影响区越小。在5 mm厚的碳纤维板材上加工直径为3 mm的孔,当激光波长为532 nm时,加工孔边缘热影响区大小为200μm;当激光波长为355 nm时,加工孔边缘热影响区大小为70μm。在不影响加工效率的前提下,一定范围内,加工速度越大越好,缝宽越小越好。当扫描速度为5 000 mm/s、加工缝宽为0.4 mm时,表面孔边缘热影响区大小仅为33.8μm,其孔径上下表面差为184.1μm,均为以上所有参数条件下最好效果。 

【文章来源】：应用激光. 2020,40(01)北大核心CSCD

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

皮秒激光加工系统

碳纤维的微观结构是层状结构,其原子排布如图4所示,其中每个碳原子间均与其他三个碳原子相连,包含两个C-C键及一个C=C键。其中常态下C-C键的键能为3.45 eV,C=C键的键能为6.34 eV。环氧树脂的主要结构如图5所示,可以看出其中主要包含 C-O、C-H、C-C、C=C等化学键,其中C-O键键能为7.56 eV,C-H键键能4.30 eV。图5 环氧树脂分子结构

图4 碳纤维原子排布图紫外激光为波长 355 nm,其单光子能量为3.49 eV,高于两种材料分子主结构中均含有的 C-C 键键能(3.45 ev)。因此当采用 355nm 紫外激光加工 CFRP 时,激光光子能够直接将碳纤维和环氧树脂中的 C-C 键打断,使材料脱离基材,实现去除目的。因此,在紫外激光加工条件下,材料的去除方式主要是光化学去除,对材料造成的热影响比较小。

【参考文献】：
期刊论文
[1]皮秒激光工程应用研究现状与发展分析[J]. 季凌飞,凌晨,李秋瑞,吴燕,闫胤洲,鲍勇,蒋毅坚.  机械工程学报. 2014(05)
[2]皮秒和纳秒脉冲激光作用于半导体材料的加热机理研究[J]. 沈中华,陆建,倪晓武.  中国激光. 1999(09)

硕士论文
[1]基于短脉冲激光的碳纤维材料加工研究[D]. 赵煦.哈尔滨工业大学 2014



本文编号：3435925