激光加工纤维增强复合材料研究进展
发布时间：2021-12-11 02:29
激光加工纤维增强复合材料的常见方法是切割、钻孔和表面处理等,本文综述了激光加工纤维增强复合材料的国内外研究进展,重点聚焦碳纤维增强复合材料的激光加工方法,阐述了激光加工纤维增强复合材料的特点和物理去除机制,总结了激光工艺参数对加工质量和加工效率的影响规律,最后展望了激光加工纤维复合材料的发展与挑战。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
准分子激光和CO2激光分别切割AFRP和CFRP的切面形貌[41]。（a）准分子激光切割AFRP;(b)CO2激光切割AFRP;(c）准分子激光切割CFRP;(d)CO2激光切割CFRP
Negarestani等[24]利用纳秒Nd∶YAG激光加工CFRP，通过响应曲面法确定了激光加工的最优参数，并研究了辅助气体中氧气含量对切割质量的影响。结果表明，将氧气与氮气的混合气体用作切割保护气，加工效果要比使用纯氧或纯氮作为保护气体好得多，如图8所示，这是因为氧气在一定程度上增大了材料去除率，而氮气又可以让材料加工区域温度迅速降下来。同时指出辅助气体的压力越大，加工质量越好。Takahashi等[44]利用高功率红外纳秒激光配合扫描振镜切割了CFRP，实验结果表明扫描间距和扫描速度对切割质量有较大的影响，他们采用如图9所示的非零间距激光扫描方式消除了加工过程中产生的粉尘和废气对激光的屏蔽作用，使激光更好地作用于材料去除，从而获得了良好的加工质量。
激光加工纤维增强复合材料时产生的热效应与激光波长、激光工作模式、加工速度及复合材料的热学性能等参数密切相关。1985年，Tagliaferri等[26]做了开创性的工作，他们用500W的CO2激光分别切割了芳纶纤维、碳纤维和玻璃纤维增强复合材料（分别简称AFRP、CFRP和GFRP），他们指出，纤维和树脂的热学性能是影响切割质量的主要因素，所得到的切割面质量与光束和材料的相互作用时间联系密切。由于芳纶纤维与树脂基体具有相似的物理性质，所以AFRP相比其他两种复合材料可以得到更好的加工质量。Caprino等[27]提出了一个基于激光功率、材料厚度和光斑直径的单因素温度模型，可以预测CO2激光切割纤维增强复合材料所能够达到的最大切割速度，并对碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维三种复合材料进行了实验论证，结果与模型预测较吻合，如图1所示。他们还根据切面形貌对切割质量进行了分类，发现切割质量与激光工艺参数密切相关，切割速度越大，切割质量越好。Cenna等[28]建立了基于激光束空间分布、激光与材料相互作用时间、激光波长的吸收系数和材料热性能的理论模型，预测了材料的激光入口宽度、出口宽度和材料去除率等，并用CO2激光分别对AFRP和GFRP进行了切割实验，计算结果与实验结果相关性较好，说明利用理论模拟计算已经可以较准确地得到CO2激光的加工结果。Goeke等[29]研究发现，波长为1.07μm的光纤激光主要被纤维吸收，然后纤维将热量传递到树脂基体中，而波长为10.6μm的CO2激光则可以被树脂基体直接吸收，通过聚合物链的振动将激光辐射转化为热能，材料对不同波长激光的吸收率影响了材料的热影响区尺寸。他们指出两种激光都在工业应用上具备发展潜力，CO2激光在切割较厚的CFRP方面比光纤激光更具优势。Niino等[30]利用1kW红外光纤激光切割CFRP，结果表明运用扫描振镜带动高功率激光对材料进行高速多道扫描时可以得到干净平整的切割截面和很小的热影响区，如图2所示。另外，在实验中用紫外激光和红外激光照射CFRP，观测到的材料烟羽辐射光谱有很大差异，这表明二者加工材料的物理反应机制有明显区别。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光切割中离轴量影响气体动力学性能的研究[J]. 孙凤,宋园园,赵庆龙,王思航,佟玲,单光坤,张晓友. 中国激光. 2020(04)
[2]脉冲激光去除树脂基复合材料表面涂层[J]. 贾宝申,唐洪平,苏春洲,蒋一岚. 中国激光. 2019(12)
[3]超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识[J]. 朱晓农,包文霞. 中国激光. 2019(12)
[4]金刚石涂层钻头钻削碳纤维增强复合材料的工艺[J]. 杨进,李鹏南,唐思文,邱新义,张丽娜. 机械设计与研究. 2014(05)
[5]碳纤维增强树脂基复合材料的高速电火花穿孔加工试验研究[J]. 张俊清,汪炜,张伟,代建东,王宇盛. 电加工与模具. 2014(02)
[6]激光切割碳纤维复合材料的实验研究[J]. 花银群,肖淘,薛青,刘海霞,叶云霞,陈瑞芳. 激光技术. 2013(05)
[7]超强度纤维柔性复合材料激光加工工艺研究[J]. 张玲玲,姜兆华,张伟,潘涌,王健超,韩华. 应用激光. 2012(03)
[8]电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料研究[J]. 鲍永杰,高航,李凤全. 金刚石与磨料磨具工程. 2009(03)
[9]激光加工高性能复合材料的工艺与机理研究[J]. 庞思勤,刘伟成. 兵工学报. 1992(04)
博士论文
[1]超声辅助加工系统研发及其在复合材料加工中的应用[D]. 马付建.大连理工大学 2013
[2]碳纤维复合材料（CFRP）钻削加工技术的研究[D]. 张厚江.北京航空航天大学 1998
硕士论文
[1]聚合物基复合材料磨料水射流加工缺陷成因及消减策略[D]. 李宗原.大连理工大学 2019
[2]碳纤维增强复合材料电火花线切割加工特性研究[D]. 何振丰.哈尔滨工业大学 2018
[3]碳纤维复合材料皮秒激光切割及其与铝合金连接研究[D]. 蒋翼.湖南大学 2017
[4]单层碳纤维复合材料激光切割过程的数值模拟[D]. 于冬洋.大连理工大学 2017
[5]高模量碳纤维增强复合材料激光切割技术研究[D]. 薛庆明.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3533846
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(11)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
准分子激光和CO2激光分别切割AFRP和CFRP的切面形貌[41]。（a）准分子激光切割AFRP;(b)CO2激光切割AFRP;(c）准分子激光切割CFRP;(d)CO2激光切割CFRP
Negarestani等[24]利用纳秒Nd∶YAG激光加工CFRP，通过响应曲面法确定了激光加工的最优参数，并研究了辅助气体中氧气含量对切割质量的影响。结果表明，将氧气与氮气的混合气体用作切割保护气，加工效果要比使用纯氧或纯氮作为保护气体好得多，如图8所示，这是因为氧气在一定程度上增大了材料去除率，而氮气又可以让材料加工区域温度迅速降下来。同时指出辅助气体的压力越大，加工质量越好。Takahashi等[44]利用高功率红外纳秒激光配合扫描振镜切割了CFRP，实验结果表明扫描间距和扫描速度对切割质量有较大的影响，他们采用如图9所示的非零间距激光扫描方式消除了加工过程中产生的粉尘和废气对激光的屏蔽作用，使激光更好地作用于材料去除，从而获得了良好的加工质量。
激光加工纤维增强复合材料时产生的热效应与激光波长、激光工作模式、加工速度及复合材料的热学性能等参数密切相关。1985年，Tagliaferri等[26]做了开创性的工作，他们用500W的CO2激光分别切割了芳纶纤维、碳纤维和玻璃纤维增强复合材料（分别简称AFRP、CFRP和GFRP），他们指出，纤维和树脂的热学性能是影响切割质量的主要因素，所得到的切割面质量与光束和材料的相互作用时间联系密切。由于芳纶纤维与树脂基体具有相似的物理性质，所以AFRP相比其他两种复合材料可以得到更好的加工质量。Caprino等[27]提出了一个基于激光功率、材料厚度和光斑直径的单因素温度模型，可以预测CO2激光切割纤维增强复合材料所能够达到的最大切割速度，并对碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维三种复合材料进行了实验论证，结果与模型预测较吻合，如图1所示。他们还根据切面形貌对切割质量进行了分类，发现切割质量与激光工艺参数密切相关，切割速度越大，切割质量越好。Cenna等[28]建立了基于激光束空间分布、激光与材料相互作用时间、激光波长的吸收系数和材料热性能的理论模型，预测了材料的激光入口宽度、出口宽度和材料去除率等，并用CO2激光分别对AFRP和GFRP进行了切割实验，计算结果与实验结果相关性较好，说明利用理论模拟计算已经可以较准确地得到CO2激光的加工结果。Goeke等[29]研究发现，波长为1.07μm的光纤激光主要被纤维吸收，然后纤维将热量传递到树脂基体中，而波长为10.6μm的CO2激光则可以被树脂基体直接吸收，通过聚合物链的振动将激光辐射转化为热能，材料对不同波长激光的吸收率影响了材料的热影响区尺寸。他们指出两种激光都在工业应用上具备发展潜力，CO2激光在切割较厚的CFRP方面比光纤激光更具优势。Niino等[30]利用1kW红外光纤激光切割CFRP，结果表明运用扫描振镜带动高功率激光对材料进行高速多道扫描时可以得到干净平整的切割截面和很小的热影响区，如图2所示。另外，在实验中用紫外激光和红外激光照射CFRP，观测到的材料烟羽辐射光谱有很大差异，这表明二者加工材料的物理反应机制有明显区别。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光切割中离轴量影响气体动力学性能的研究[J]. 孙凤,宋园园,赵庆龙,王思航,佟玲,单光坤,张晓友. 中国激光. 2020(04)
[2]脉冲激光去除树脂基复合材料表面涂层[J]. 贾宝申,唐洪平,苏春洲,蒋一岚. 中国激光. 2019(12)
[3]超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识[J]. 朱晓农,包文霞. 中国激光. 2019(12)
[4]金刚石涂层钻头钻削碳纤维增强复合材料的工艺[J]. 杨进,李鹏南,唐思文,邱新义,张丽娜. 机械设计与研究. 2014(05)
[5]碳纤维增强树脂基复合材料的高速电火花穿孔加工试验研究[J]. 张俊清,汪炜,张伟,代建东,王宇盛. 电加工与模具. 2014(02)
[6]激光切割碳纤维复合材料的实验研究[J]. 花银群,肖淘,薛青,刘海霞,叶云霞,陈瑞芳. 激光技术. 2013(05)
[7]超强度纤维柔性复合材料激光加工工艺研究[J]. 张玲玲,姜兆华,张伟,潘涌,王健超,韩华. 应用激光. 2012(03)
[8]电镀金刚石钻头钻削碳纤维复合材料研究[J]. 鲍永杰,高航,李凤全. 金刚石与磨料磨具工程. 2009(03)
[9]激光加工高性能复合材料的工艺与机理研究[J]. 庞思勤,刘伟成. 兵工学报. 1992(04)
博士论文
[1]超声辅助加工系统研发及其在复合材料加工中的应用[D]. 马付建.大连理工大学 2013
[2]碳纤维复合材料（CFRP）钻削加工技术的研究[D]. 张厚江.北京航空航天大学 1998
硕士论文
[1]聚合物基复合材料磨料水射流加工缺陷成因及消减策略[D]. 李宗原.大连理工大学 2019
[2]碳纤维增强复合材料电火花线切割加工特性研究[D]. 何振丰.哈尔滨工业大学 2018
[3]碳纤维复合材料皮秒激光切割及其与铝合金连接研究[D]. 蒋翼.湖南大学 2017
[4]单层碳纤维复合材料激光切割过程的数值模拟[D]. 于冬洋.大连理工大学 2017
[5]高模量碳纤维增强复合材料激光切割技术研究[D]. 薛庆明.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3533846
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