皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料
发布时间：2022-01-19 08:15
一次性整体成型或传统的加工方式已不能满足聚对苯撑苯并双噁唑（PBO）纤维增强复合材料精密加工和装配的要求。首先分别采用波长为355 nm的紫外皮秒激光和波长为1030 nm的红外皮秒激光对PBO纤维增强复合材料进行切割加工,加工过程中采用渐进式焦点下移和多道扫描策略;然后采用扫描电子显微镜观察了复合材料的切割截面形貌,分析了材料的物理去除机制和加工热损伤;最后研究了激光功率、扫描速度和方向、脉冲重复频率等激光参数与切割质量、切割效率之间的关系。实验结果表明:紫外皮秒激光可以实现"冷加工"和光化学效应,得到了较高的切割质量;激光焦点随加工进程下移可以有效提高加工质量并改善材料切割表面的一致性。研究结果表明,采用8 W、400 kHz、1000 mm/s的激光参数可以进行高质、高效的材料加工。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
激光加工装置(插图为激光多道扫描示意图)
当激光扫描方向垂直于纤维排布方向时,宏观视角和光学显微镜下的切割截面形貌分别如图3(a)和图3(b)所示。可以看到,与平行扫描方式相比,紫外皮秒激光垂直于纤维排布方向切割时,截面明显发黑,并伴有烧蚀孔洞和周期性条纹状沟槽出现。图3(c)和图3(d)分别展示了切割截面上部和下部的微观形貌:上部的局部放大图显示材料具有良好的切割平面,树脂填充完整,未见纤维末端膨胀;下部相比上部出现了更多的烧蚀孔洞,树脂基体受热分解或气化,PBO纤维伸出,纤维末端膨胀熔化甚至相邻纤维连成一体,表面附着有一层黑色的树脂重铸层,如图3(d)中的区域A和区域B所示。图3 紫外皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料的垂直切面形貌。
图2 紫外皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料的平行切面形貌。实际上,图3(c)所示的切面上部的局部放大图显示了原材料的实际切面特性,此时光化学效应是材料的主要去除方式,几乎没有热作用;而切面下部却由于热效应而产生了数量更多、尺寸更大的烧蚀孔洞。其中,烧蚀孔洞占切割截面的面积比从上部的2.65%增大到下部的13.13%。造成这种热损伤的原因有4个:1)树脂的气化温度更低,当PBO纤维熔化时,树脂已经气化或者降解成碳和石墨,气化或碳化的树脂从孔中喷射出来时,熔化的纤维也会随着气化气流排出加工区域,并在孔洞侧壁和切割截面上附着,形成一层黑色的碳化层[7];2)切割截面下部由于远离激光聚焦平面,激光能量密度急剧下降,达到纤维烧蚀阈值的能量变少,多余的能量转变为热能,导致树脂基体被大量气化;3)由于激光脉冲是高斯脉冲,聚焦光斑中心的能量密度高,远离中心的能量密度迅速降低,不足以去除材料的剩余能量就会转化成热而扩散;4)由于切缝宽度的限制和切割锥角的产生,切割至一定深度时,入射的激光会被前道激光作用产生的废气阻挡而发生折射或散射,阻碍激光与材料的相互作用,产生屏蔽效应,或被切割截面吸收,致使脉冲能量不能有效地气化材料,而是传导到树脂基体中,使热累积效应进一步增强[20],导致切面下部的加工质量变差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]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)
[3]单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验[J]. 陈根余,朱智超,殷赳,熊彪,金梦奇. 中国激光. 2019(04)
[4]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)
硕士论文
[1]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
本文编号：3596523
【文章来源】：中国激光. 2020,47(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
激光加工装置(插图为激光多道扫描示意图)
当激光扫描方向垂直于纤维排布方向时,宏观视角和光学显微镜下的切割截面形貌分别如图3(a)和图3(b)所示。可以看到,与平行扫描方式相比,紫外皮秒激光垂直于纤维排布方向切割时,截面明显发黑,并伴有烧蚀孔洞和周期性条纹状沟槽出现。图3(c)和图3(d)分别展示了切割截面上部和下部的微观形貌:上部的局部放大图显示材料具有良好的切割平面,树脂填充完整,未见纤维末端膨胀;下部相比上部出现了更多的烧蚀孔洞,树脂基体受热分解或气化,PBO纤维伸出,纤维末端膨胀熔化甚至相邻纤维连成一体,表面附着有一层黑色的树脂重铸层,如图3(d)中的区域A和区域B所示。图3 紫外皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料的垂直切面形貌。
图2 紫外皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料的平行切面形貌。实际上,图3(c)所示的切面上部的局部放大图显示了原材料的实际切面特性,此时光化学效应是材料的主要去除方式,几乎没有热作用;而切面下部却由于热效应而产生了数量更多、尺寸更大的烧蚀孔洞。其中,烧蚀孔洞占切割截面的面积比从上部的2.65%增大到下部的13.13%。造成这种热损伤的原因有4个:1)树脂的气化温度更低,当PBO纤维熔化时,树脂已经气化或者降解成碳和石墨,气化或碳化的树脂从孔中喷射出来时,熔化的纤维也会随着气化气流排出加工区域,并在孔洞侧壁和切割截面上附着,形成一层黑色的碳化层[7];2)切割截面下部由于远离激光聚焦平面,激光能量密度急剧下降,达到纤维烧蚀阈值的能量变少,多余的能量转变为热能,导致树脂基体被大量气化;3)由于激光脉冲是高斯脉冲,聚焦光斑中心的能量密度高,远离中心的能量密度迅速降低,不足以去除材料的剩余能量就会转化成热而扩散;4)由于切缝宽度的限制和切割锥角的产生,切割至一定深度时,入射的激光会被前道激光作用产生的废气阻挡而发生折射或散射,阻碍激光与材料的相互作用,产生屏蔽效应,或被切割截面吸收,致使脉冲能量不能有效地气化材料,而是传导到树脂基体中,使热累积效应进一步增强[20],导致切面下部的加工质量变差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]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)
[3]单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验[J]. 陈根余,朱智超,殷赳,熊彪,金梦奇. 中国激光. 2019(04)
[4]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)
硕士论文
[1]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
本文编号：3596523
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3596523.html
