一次性整體成型或傳統(tǒng)的加工方式已不能滿足聚對苯撐苯并雙噁唑（PBO）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料精密加工和裝配的要求。首先分別采用波長為355 nm的紫外皮秒激光和波長為1030 nm的紅外皮秒激光對PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行切割加工,加工過程中采用漸進(jìn)式焦點(diǎn)下移和多道掃描策略;然后采用掃描電子顯微鏡觀察了復(fù)合材料的切割截面形貌,分析了材料的物理去除機(jī)制和加工熱損傷;最后研究了激光功率、掃描速度和方向、脈沖重復(fù)頻率等激光參數(shù)與切割質(zhì)量、切割效率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:紫外皮秒激光可以實(shí)現(xiàn)"冷加工"和光化學(xué)效應(yīng),得到了較高的切割質(zhì)量;激光焦點(diǎn)隨加工進(jìn)程下移可以有效提高加工質(zhì)量并改善材料切割表面的一致性。研究結(jié)果表明,采用8 W、400 kHz、1000 mm/s的激光參數(shù)可以進(jìn)行高質(zhì)、高效的材料加工。 

【文章來源】：中國激光. 2020,47(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

激光加工裝置(插圖為激光多道掃描示意圖)

當(dāng)激光掃描方向垂直于纖維排布方向時(shí),宏觀視角和光學(xué)顯微鏡下的切割截面形貌分別如圖3(a)和圖3(b)所示�？梢钥吹�,與平行掃描方式相比,紫外皮秒激光垂直于纖維排布方向切割時(shí),截面明顯發(fā)黑,并伴有燒蝕孔洞和周期性條紋狀溝槽出現(xiàn)。圖3(c)和圖3(d)分別展示了切割截面上部和下部的微觀形貌:上部的局部放大圖顯示材料具有良好的切割平面,樹脂填充完整,未見纖維末端膨脹;下部相比上部出現(xiàn)了更多的燒蝕孔洞,樹脂基體受熱分解或氣化,PBO纖維伸出,纖維末端膨脹熔化甚至相鄰纖維連成一體,表面附著有一層黑色的樹脂重鑄層,如圖3(d)中的區(qū)域A和區(qū)域B所示。圖3 紫外皮秒激光切割PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的垂直切面形貌。

圖2 紫外皮秒激光切割PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的平行切面形貌。實(shí)際上,圖3(c)所示的切面上部的局部放大圖顯示了原材料的實(shí)際切面特性,此時(shí)光化學(xué)效應(yīng)是材料的主要去除方式,幾乎沒有熱作用;而切面下部卻由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生了數(shù)量更多、尺寸更大的燒蝕孔洞。其中,燒蝕孔洞占切割截面的面積比從上部的2.65%增大到下部的13.13%。造成這種熱損傷的原因有4個(gè):1)樹脂的氣化溫度更低,當(dāng)PBO纖維熔化時(shí),樹脂已經(jīng)氣化或者降解成碳和石墨,氣化或碳化的樹脂從孔中噴射出來時(shí),熔化的纖維也會(huì)隨著氣化氣流排出加工區(qū)域,并在孔洞側(cè)壁和切割截面上附著,形成一層黑色的碳化層[7];2)切割截面下部由于遠(yuǎn)離激光聚焦平面,激光能量密度急劇下降,達(dá)到纖維燒蝕閾值的能量變少,多余的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?導(dǎo)致樹脂基體被大量氣化;3)由于激光脈沖是高斯脈沖,聚焦光斑中心的能量密度高,遠(yuǎn)離中心的能量密度迅速降低,不足以去除材料的剩余能量就會(huì)轉(zhuǎn)化成熱而擴(kuò)散;4)由于切縫寬度的限制和切割錐角的產(chǎn)生,切割至一定深度時(shí),入射的激光會(huì)被前道激光作用產(chǎn)生的廢氣阻擋而發(fā)生折射或散射,阻礙激光與材料的相互作用,產(chǎn)生屏蔽效應(yīng),或被切割截面吸收,致使脈沖能量不能有效地氣化材料,而是傳導(dǎo)到樹脂基體中,使熱累積效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)[20],導(dǎo)致切面下部的加工質(zhì)量變差。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]脈沖激光去除樹脂基復(fù)合材料表面涂層[J]. 賈寶申,唐洪平,蘇春洲,蔣一嵐.  中國激光. 2019(12)
[2]超短脈沖激光及其相關(guān)應(yīng)用的一些基本知識[J]. 朱曉農(nóng),包文霞.  中國激光. 2019(12)
[3]單晶金剛石飛秒激光加工的燒蝕閾值實(shí)驗(yàn)[J]. 陳根余,朱智超,殷赳,熊彪,金夢奇.  中國激光. 2019(04)
[4]超強(qiáng)度纖維柔性復(fù)合材料激光加工工藝研究[J]. 張玲玲,姜兆華,張偉,潘涌,王健超,韓華.  應(yīng)用激光. 2012(03)

碩士論文
[1]碳纖維復(fù)合材料皮秒激光切割及其與鋁合金連接研究[D]. 蔣翼.湖南大學(xué) 2017



本文編號：3596523