01
вступ
Полімери, армовані вуглецевим волокном (CFRP), складаються зі смоли, яка виконує роль матеріалу фази матриці, і вуглецевих волокон, які служать матеріалом фази зміцнення. Завдяки поєднанню властивостей матеріалу як смоляної матриці, так і армування вуглецевим волокном, CFRP демонструє такі характеристики, як легка вага, стійкість до корозії, зносостійкість і висока твердість. Отже, він широко використовується в галузях із високими вимогами до структурного полегшення-таких як аерокосмічна промисловість, автомобільна промисловість, морське суднобудування, виробництво енергії вітру та цивільне будівництво. Основні методи виробництва матеріалів з вуглепластику включають перенесення смолою (RTM), формування в автоклаві, формування у вакуумному пакеті та намотування нитки; ці методи дають змогу виготовляти структури CFRP за допомогою майже{4}}чистої-обробки форми. Однак у практичному промисловому застосуванні вторинна обробка CFRP зазвичай потрібна для досягнення бажаної геометрії деталей-включно з такими елементами, як отвори, прорізи та складальні пази-і для відповідності точності розмірів і допусків форми, зазначеним у конструкції деталі. Через значні відмінності в термічних і механічних властивостях між армуючими вуглецевими волокнами та матричною смолою в CFRP ця вторинна обробка представляє значні проблеми та схильна до різноманітних дефектів, що часто призводить до погіршення якості обробки. Тому, щоб задовольнити вимоги до розмірів і продуктивності кінцевих компонентів, надзвичайно важливо досліджувати технології обробки матеріалів CFRP і досліджувати високо{11}}якісні та високо{12}}ефективні методи обробки.
02
Механізми видалення матеріалу при лазерній обробці
З появою передових інженерних матеріалів зі складними фізичними властивостями-таких як армовані вуглецевим волокном полімери (CFRP)-конкурентоспроможність традиційної механічної обробки, обробки гідроабразивом та електроерозійної обробки поступово зменшилася. У лазерній обробці видалення матеріалу в основному включає поглинання, відгук і передачу лазерної енергії всередині матеріалу. Під час цього процесу лазер опромінює поверхню матеріалу, а електрони поглинають енергію фотона. Згодом передача енергії відбувається через електронні-зіткнення гратки, що призводить до підвищення температури решітки та зниження температури електронів до встановлення теплової рівноваги між електронами та ґраткою. Однак, оскільки температура сублімації вуглецевих волокон (~3600 K) приблизно в п’ять разів вища, ніж у матриці смоли (~800 K), енергоспоживання, необхідне для видалення вуглецевих волокон, значно більше, ніж для смоли. Крім того, завдяки анізотропній теплопровідності вуглецевих волокон тепло, що утворюється під час процесу сублімації вуглецевих волокон, переважно поширюється в матрицю смоли, що призводить до розкладання смоли та утворення шкідливих речовин. Дослідники запропонували двоступеневий-механізм видалення CFRP:-лазерний піроліз і термомеханічне відшарування. Плазма, що утворюється на початковій стадії абляції матеріалу, поглинає тепло і створює спрямовані теплові ударні хвилі. Вуглецеві волокна, оголені під час обробки, піддаються дії радіальних зсувних сил, що призводить до крихкого руйнування та відшарування матеріалу.
Коли тривалість лазерного імпульсу падає нижче 10 пс, тривалість імпульсу стає меншою за час релаксації електронної-гратки, що призводить до того, що механізм видалення матеріалу відрізняється від традиційної термічної абляції. Механізм обробки зображено на малюнку 2: смоляний матеріал має низьку електропровідність і обмежену кількість вільних електронів із шириною забороненої зони 2–4 еВ; навпаки, вуглецеве волокно має гарну електропровідність і містить певну кількість вільних електронів. Під час лазерного опромінення вільні електрони всередині вуглецевого волокна безпосередньо поглинають лазерну енергію, що призводить до підвищення температури електронної системи. Коли енергія одного фотона нижча за ширину забороненої зони смоли, вільні електрони генеруються за допомогою механізму багатофотонної іонізації (MPI), як показано на малюнку 2(b). Коли енергія одного фотона перевищує заборонену зону, іонізація одного-фотона домінує в механізмі збудження електронів. Генеровані вільні електрони стикаються зі зв’язаними електронами, передаючи енергію шляхом ударної іонізації; це викликає лавинну іонізацію-як показано на малюнку 2(c)-що значно збільшує щільність вільних електронів. Під час фази ультракороткого{16}}імпульсного лазерного опромінення температура решітки змінюється повільно через теплову інерцію, тоді як температура електронної системи швидко зростає. До фазових переходів належать як не-теплові, так і термічні фазові переходи. Якщо енергія лазерного фотона достатньо висока, електрони поглинають достатньо енергії, щоб подолати кулонівські сили зв’язку атомних ядер, що призводить до термічної іонізації та залишає велику кількість позитивних іонів. Ці позитивні іони відштовхуються один від одного через кулонівські сили, що призводить до «кулонівського вибуху» та електростатичної абляції-процес, відомий як «холодна абляція»-як показано на малюнку 2(d). Оскільки розсіювання енергії електронної-гратки відбувається безперервно, температура решітки поступово підвищується, і між вуглецевим волокном і смолою відбувається теплопровідність, як показано на малюнку 2(e). Отже, коли температура перевищує певний поріг, відбуваються термічні фазові переходи-такі як пароутворення та фазовий вибух-, утворюючи високу-температуру, високий-тиск і високу{32}}щільну плазму, яка викидається з поверхні, забираючи тепло та обробляючи сміття.
Дефекти в зоні термічного-впливу (ЗТВ) стосуються областей усередині вуглепластику, де відбуваються локалізовані зміни властивостей у результаті взаємодії лазерних-матеріалів, а також властивої неоднорідності та анізотропії матеріалу. Ці зміни охоплюють не-нерівномірне випаровування та термічну деградацію матричної смоли, а також оголення вуглецевих волокон. Лазерний промінь Гауса створює не-рівномірний просторовий розподіл енергії, а ефекти термічної дифузії спричиняють нагрівання матеріалу CFRP поблизу зони обробки. У цьому конкретному регіоні теплова енергія перевищує порогове значення, необхідне для розкладання матриці смоли, але залишається нижче порогового значення, необхідного для видалення вуглецевих волокон. Це призводить до погіршення властивостей смоли та локального опромінення вуглецевих волокон. У цій зоні теплопровідність нагріває як смолу, так і вуглецеві волокна. Через значну різницю між температурами випаровування смоли та вуглецевих волокон смола в цій області випаровується, тоді як вуглецеві волокна не досягають своєї температури випаровування, що призводить до оголення вуглецевих волокон.
