01
Zavedení
Polymery vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP) se skládají z pryskyřice působící jako materiál matricové fáze a uhlíkových vláken sloužících jako materiál vyztužující fáze. Kombinací materiálových vlastností pryskyřičné matrice a výztuže z uhlíkových vláken vykazuje CFRP vlastnosti, jako je nízká hmotnost, odolnost proti korozi, odolnost proti opotřebení a vysoká tvrdost. V důsledku toho je široce používán v oblastech se silnými požadavky na strukturální odlehčení,-jako je letecký a kosmický průmysl, automobilový průmysl, stavba lodí, větrná energie a stavební inženýrství. Primární výrobní metody pro CFRP materiály zahrnují Resin Transfer Molding (RTM), lisování v autoklávu, lisování vakuových sáčků a navíjení vláken; tyto metody umožňují vytvářet struktury CFRP prostřednictvím zpracování téměř-net{5}}tvaru. V praktických průmyslových aplikacích je však pro dosažení požadované geometrie součásti-včetně prvků, jako jsou otvory, drážky a montážní drážky-a pro splnění rozměrové přesnosti a tolerancí tvaru specifikovaných v návrhu součásti obvykle vyžadováno sekundární zpracování CFRP. Vzhledem k výrazným rozdílům v tepelných a mechanických vlastnostech mezi výztužnými uhlíkovými vlákny a matricovou pryskyřicí v CFRP představuje toto sekundární zpracování značné problémy a je náchylné k různým defektům, které často vedou ke zhoršené kvalitě zpracování. Abychom uspokojili rozměrové a výkonnostní požadavky konečných komponent, je nanejvýš důležité prozkoumat technologie zpracování materiálů CFRP a prozkoumat vysoce-kvalitní a vysoce{12}}efektivní metody zpracování.
02
Mechanismy odstraňování materiálu při laserovém zpracování
Se vznikem pokročilých technických materiálů se složitými fyzikálními vlastnostmi-, jako jsou polymery vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP)-, se postupně snižuje konkurenceschopnost tradičního mechanického obrábění, obrábění vodním paprskem a obrábění elektrickým výbojem. Při laserovém zpracování zahrnuje odstraňování materiálu v podstatě absorpci, odezvu a přenos laserové energie v materiálu. Během tohoto procesu laser ozařuje povrch materiálu a elektrony absorbují energii fotonu. Následně dochází k přenosu energie prostřednictvím srážek elektronové-mřížky, což má za následek zvýšení teploty mřížky a snížení teploty elektronů, dokud se mezi elektrony a mřížkou neustaví tepelná rovnováha. Protože však teplota sublimace uhlíkových vláken (~3600 K) je přibližně pětkrát vyšší než teplota pryskyřičné matrice (~800 K), je spotřeba energie potřebná k odstranění uhlíkových vláken výrazně vyšší než teplota potřebná pro pryskyřici. Dále se vlivem anizotropní tepelné vodivosti uhlíkových vláken teplo vznikající při procesu sublimace uhlíkových vláken přednostně šíří do pryskyřičné matrice, což vede k rozkladu pryskyřice a tvorbě škodlivých látek. Výzkumníci navrhli dvoufázový{11}}mechanismus odstraňování CFRP: laserem{12}}indukovaná pyrolýza a termomechanická exfoliace. Plazma generované během počáteční fáze ablace materiálu absorbuje teplo a vytváří směrové tepelné rázové vlny. Uhlíková vlákna vystavená během zpracování jsou vystavena radiálním smykovým silám, což má za následek křehký lom a oddělení materiálu.
Když doba trvání laserového pulzu klesne pod 10 ps, doba trvání pulzu se zkrátí než doba relaxace elektronové -mřížky, což způsobí, že se mechanismus odstraňování materiálu odchýlí od tradiční tepelné ablace. Mechanismus zpracování je znázorněn na obrázku 2: pryskyřičný materiál vykazuje špatnou elektrickou vodivost a omezený počet volných elektronů s energetickou šířkou pásma 2–4 eV; naopak uhlíkové vlákno má dobrou elektrickou vodivost a obsahuje určité množství volných elektronů. Během laserového ozařování volné elektrony uvnitř uhlíkového vlákna přímo absorbují laserovou energii, což vede ke zvýšení teploty elektronového systému. Když je energie jednoho fotonu nižší než bandgap pryskyřice, volné elektrony jsou generovány mechanismem multifotonové ionizace (MPI), jak je znázorněno na obrázku 2(b). Když energie jednoho fotonu překročí pásmovou mezeru, dominuje v mechanismu excitace elektronů ionizace jednoho fotonu. Generované volné elektrony se srážejí s vázanými elektrony a přenášejí energii prostřednictvím nárazové ionizace; tím se spustí lavinová ionizace-jak je znázorněno na obrázku 2(c)-která výrazně zvyšuje hustotu volných elektronů. Během fáze ultrakrátkého-pulsu laserového ozařování se teplota mřížky mění pomalu v důsledku tepelné setrvačnosti, zatímco teplota elektronového systému rychle stoupá. Mezi fázové přechody patří jak netepelné, tak tepelné fázové přechody. Pokud je energie laserových fotonů dostatečně vysoká, elektrony absorbují dostatek energie k překonání Coulombových vazebných sil atomových jader, což vede k tepelné ionizaci a zanechává za sebou velké množství kladných iontů. Tyto kladné ionty se navzájem odpuzují vlivem Coulombových sil, což vede k „Coulombově explozi“ a elektrostatické ablaci-procesu známému jako „studená ablace“-, jak je znázorněno na obrázku 2(d). Jak neustále dochází k rozptylu energie elektronové-mřížky, teplota mřížky postupně stoupá a mezi uhlíkovým vláknem a pryskyřicí dochází k vedení tepla, jak je znázorněno na obrázku 2(e). V důsledku toho, když teplota překročí určitou prahovou hodnotu, dochází k tepelným fázovým přechodům,-jako je vypařování a fázová exploze-, generující-plazma o vysoké teplotě, vysokém-tlaku a vysoké{32}}hustě, která je vyvrhována z povrchu a odnáší teplo a odpad ze zpracování.
Defekty v tepelně-ovlivněné zóně (HAZ) označují oblasti v rámci CFRP, kde dochází k lokalizovaným změnám vlastností v důsledku laserových-interakcí materiálu a také přirozené heterogenity a anizotropie materiálu. Tyto změny zahrnují nerovnoměrné odpařování a tepelnou degradaci matricové pryskyřice, stejně jako vystavení uhlíkových vláken. Gaussův laserový paprsek generuje nerovnoměrnou prostorovou distribuci energie a účinky tepelné difúze způsobují zahřívání CFRP materiálu v blízkosti zóny zpracování. V této specifické oblasti překračuje tepelná energie prahovou hodnotu potřebnou pro rozklad pryskyřičné matrice, ale zůstává pod prahovou hodnotou potřebnou pro odstranění uhlíkových vláken. To vede ke zhoršení vlastností pryskyřice a lokalizovanému vystavení uhlíkových vláken. V této zóně ohřívá vedení tepla jak pryskyřici, tak uhlíková vlákna. V důsledku značného rozdílu mezi teplotami vypařování pryskyřice a uhlíkových vláken se pryskyřice v této oblasti vypařuje, zatímco uhlíková vlákna nedosáhnou své odpařovací teploty, což vede k obnažení uhlíkových vláken.
