01
Ievads
Oglekļa šķiedras pastiprinātie polimēri (CFRP) sastāv no sveķiem, kas darbojas kā matricas fāzes materiāls, un oglekļa šķiedrām, kas kalpo kā stiegrojuma fāzes materiāls. Apvienojot gan sveķu matricas, gan oglekļa šķiedras stiegrojuma materiāla īpašības, CFRP piemīt tādas īpašības kā viegls svars, izturība pret koroziju, nodilumizturība un augsta cietība. Līdz ar to to plaši izmanto jomās, kurās ir lielas prasības pēc konstrukcijas vieglā svara-, piemēram, kosmosa rūpniecībā, automobiļu rūpniecībā, jūras kuģu būvē, vēja enerģijas ražošanā un civilajā inženierijā. Galvenās CFRP materiālu ražošanas metodes ietver sveķu pārneses formēšanu (RTM), autoklāvu formēšanu, vakuuma maisu formēšanu un kvēldiegu uztīšanu; šīs metodes ļauj izveidot CFRP struktūras, izmantojot gandrīz -neto-formu apstrādi. Tomēr praktiskos rūpnieciskos lietojumos CFRP otrreizēja apstrāde parasti ir nepieciešama, lai sasniegtu vēlamo detaļas ģeometriju,{7}}tostarp tādas funkcijas kā caurumi, spraugas un montāžas rievas{8}}, kā arī izpildītu detaļas projektā norādīto izmēru precizitāti un formas pielaides. Sakarā ar ievērojamām atšķirībām termiskajās un mehāniskajās īpašībās starp pastiprinošajām oglekļa šķiedrām un matricas sveķiem CFRP sastāvā, šī otrreizējā apstrāde rada ievērojamas problēmas un ir pakļauta dažādiem defektiem, kā rezultātā bieži tiek pasliktināta apstrādes kvalitāte. Tāpēc, lai izpildītu gala komponentu izmēru un veiktspējas prasības, ir ārkārtīgi svarīgi izpētīt CFRP materiālu apstrādes tehnoloģijas un izpētīt augstas{11}kvalitatīvas, efektīvas apstrādes metodes.
02
Materiālu noņemšanas mehānismi lāzerapstrādē
Līdz ar progresīvu inženiertehnisko materiālu parādīšanos ar sarežģītām fizikālajām īpašībām,{0}}piemēram, oglekļa šķiedru pastiprināti polimēri (CFRP)-tradicionālās mehāniskās apstrādes, ūdensstrūklas apstrādes un elektriskās izlādes apstrādes konkurētspēja ir pakāpeniski mazinājusies. Lāzera apstrādē materiāla noņemšana pamatā ietver lāzera enerģijas absorbciju, reakciju un pārnesi materiālā. Šī procesa laikā lāzers apstaro materiāla virsmu, un elektroni absorbē fotonu enerģiju. Pēc tam enerģijas pārnešana notiek elektronu-režģa sadursmēs, kā rezultātā paaugstinās režģa temperatūra un pazeminās elektronu temperatūra, līdz starp elektroniem un režģi tiek izveidots termiskais līdzsvars. Tomēr, tā kā oglekļa šķiedru sublimācijas temperatūra (~ 3600 K) ir aptuveni piecas reizes augstāka par sveķu matricas temperatūru (~ 800 K), oglekļa šķiedru noņemšanai nepieciešamā enerģijas padeve ir ievērojami lielāka nekā sveķiem. Turklāt oglekļa šķiedru anizotropās siltumvadītspējas dēļ siltums, kas rodas oglekļa šķiedras sublimācijas procesā, galvenokārt izplatās sveķu matricā, izraisot sveķu sadalīšanos un kaitīgu vielu veidošanos. Pētnieki ir ierosinājuši divu{11}}pakāpju CFRP noņemšanas mehānismu: lāzera{12}}pirolīzi un termomehānisko pīlingu. Materiāla ablācijas sākotnējā stadijā radītā plazma absorbē siltumu un rada virziena termiskos triecienviļņus. Apstrādes laikā pakļautās oglekļa šķiedras tiek pakļautas radiāliem bīdes spēkiem, kā rezultātā rodas trausls lūzums un materiāla atdalīšanās.
Kad lāzera impulsa ilgums nokrītas zem 10 ps, impulsa ilgums kļūst īsāks nekā elektronu-režģa relaksācijas laiks, izraisot materiāla noņemšanas mehānisma novirzi no tradicionālās termiskās ablācijas. Apstrādes mehānisms ir parādīts 2. attēlā: sveķu materiālam ir slikta elektrovadītspēja un ierobežots brīvo elektronu skaits ar enerģijas joslas spraugu 2–4 eV; otrādi, oglekļa šķiedrai ir laba elektrovadītspēja un tā satur noteiktu daudzumu brīvo elektronu. Lāzera apstarošanas laikā brīvie elektroni oglekļa šķiedrā tieši absorbē lāzera enerģiju, kā rezultātā paaugstinās elektronu sistēmas temperatūra. Ja viena fotona enerģija ir zemāka par sveķu joslas atstarpi, brīvie elektroni tiek ģenerēti, izmantojot daudzfotonu jonizācijas (MPI) mehānismu, kā parādīts 2. b attēlā. Kad viena fotona enerģija pārsniedz joslas atstarpi, elektronu ierosmes mehānismā dominē viena{10}}fotona jonizācija. Radītie brīvie elektroni saduras ar saistītajiem elektroniem, pārnesot enerģiju caur triecienjonizāciju; tas izraisa lavīnu jonizāciju,{12}}kā parādīts 2. attēlā (c){14}}, kas ievērojami palielina brīvo elektronu blīvumu. Ultraīsā-impulsa lāzera apstarošanas fāzē režģa temperatūra lēni mainās termiskās inerces dēļ, savukārt elektronu sistēmas temperatūra strauji paaugstinās. Fāzu pārejas ietver gan ne-termiskās, gan termiskās fāzes pārejas. Ja lāzera fotonu enerģija ir pietiekami augsta, elektroni absorbē pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu atomu kodolu Kulona saistošos spēkus, izraisot termisko jonizāciju un atstājot lielu skaitu pozitīvu jonu. Šie pozitīvie joni atgrūž viens otru Kulona spēku ietekmē, izraisot Kulona sprādzienu un elektrostatisko ablāciju-, kas pazīstams kā "aukstā ablācija"-, kā parādīts 2. attēlā. Tā kā elektronu-režģa enerģijas izkliede notiek nepārtraukti, režģa temperatūra pakāpeniski paaugstinās un starp oglekļa šķiedru un sveķiem notiek siltuma vadīšana, kā parādīts 2. attēlā. Līdz ar to, kad temperatūra pārsniedz noteiktu slieksni, notiek termiskās fāzes pārejas, piemēram, iztvaikošana un fāzes sprādziens, radot augstu temperatūru, augstu spiedienu un augsta blīvuma plazmu, kas tiek izvadīta no virsmas un tiek izvadīta no virsmas.
Defekti karstuma -ietekmētajā zonā (HAZ) attiecas uz CFRP reģioniem, kur lokālas īpašību izmaiņas notiek lāzera-materiālu mijiedarbības, kā arī materiāla raksturīgās neviendabības un anizotropijas rezultātā. Šīs izmaiņas ietver nevienmērīgu matricas sveķu iztvaikošanu un termisko noārdīšanos, kā arī oglekļa šķiedru iedarbību. Gausa lāzera stars ģenerē nevienmērīgu telpisko enerģijas sadalījumu, un termiskās difūzijas efekti izraisa CFRP materiāla uzkaršanu apstrādes zonas tuvumā. Šajā konkrētajā reģionā siltumenerģija pārsniedz slieksni, kas nepieciešams sveķu matricas sadalīšanai, bet paliek zem sliekšņa, kas nepieciešams oglekļa šķiedru noņemšanai. Tas noved pie sveķu īpašību pasliktināšanās un lokālas oglekļa šķiedru iedarbības. Šajā zonā siltuma vadīšana silda gan sveķus, gan oglekļa šķiedras. Tā kā sveķu un oglekļa šķiedru iztvaikošanas temperatūras ir ievērojamas atšķirības, sveķi šajā reģionā iztvaiko, kamēr oglekļa šķiedras nesasniedz iztvaikošanas temperatūru, kā rezultātā oglekļa šķiedras tiek pakļautas.
