基于短脈沖激光的碳纖維材料加工研究.pdf

1、碳纖維是一種新型材料，目前在軍用和民用領(lǐng)域都是一種極為重要與關(guān)鍵的多功能特種工程材料，特別是其在航空航天領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價(jià)值，但是在我國碳纖維材料研究進(jìn)展緩慢，并且對(duì)于其加工工藝及加工機(jī)理目前也沒有系統(tǒng)的研究工作，這使得對(duì)其研究具有重大的意義。碳纖維材料具有質(zhì)量輕硬度大的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的加工手段已經(jīng)不能滿足對(duì)其精細(xì)加工需要，結(jié)合短脈沖激光在特種加工中的優(yōu)勢(shì)，本文將探索短脈沖激光加工碳纖維材料工藝，包括優(yōu)質(zhì)高效的加工工藝條件、相互作用機(jī)理。<

2、br>　　本文探究不同脈沖寬度的激光對(duì)碳纖維超硬材料加工效果的影響，包括飛秒脈沖激光、納秒脈沖激光和連續(xù)激光。主要通過對(duì)3.5mm厚的碳纖維材料進(jìn)行打孔，對(duì)比所加工出的孔形貌、加工效率。結(jié)果表明飛秒脈沖激光所加工出的孔徑熱效應(yīng)小，徑深比較??；納秒脈沖激光所加工出的孔徑周圍有較大的熱影響；連續(xù)脈沖激光存在更大的熱影響，明顯看出是通過熔融效應(yīng)達(dá)到去除材料的目的，理論分析得出連續(xù)激光燒蝕碳纖維材料閾值為1.0×104J/cm2，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符

3、。同時(shí)分析納秒脈沖激光和飛秒脈沖激光加工碳纖維材料的閾值。主要依靠不同單脈沖能量下燒蝕區(qū)域的大小不同，根據(jù)燒蝕區(qū)域直徑擬合推到出碳纖維材料閾值。脈沖寬度為40fs的飛秒脈沖激光燒蝕碳纖維材料閾值為0.50±0.05J/cm2，脈沖寬度為4ns的納秒脈沖激光燒蝕碳纖維材料閾值為4.1±0.5J/cm2。結(jié)果表明短脈沖激光能量利用率高，且加工形貌好。
　　通過對(duì)比試驗(yàn)，探究不同參數(shù)對(duì)碳纖維超硬材料加工效果的影響，找到兼顧加工效率高和形

4、貌質(zhì)量好的加工參數(shù)。主要依靠對(duì)碳纖維材料打孔、刻線和加工微結(jié)構(gòu)的結(jié)果，對(duì)激光重頻、掃描次數(shù)、掃描速度、不同光源和焦點(diǎn)位移量等參數(shù)會(huì)對(duì)碳纖維材料基本加工的結(jié)果分析得出：(a)重頻的影響：如果加工精度要求較高，建議使用低重頻的激光進(jìn)行加工；如果精度要求適中，建議使用高重頻的激光進(jìn)行加工，避免資源的浪費(fèi)。(b)對(duì)于掃描次數(shù)和掃描速度的影響：在材料表面進(jìn)行刻線的情況下，可以增加掃描速度，多次掃描，但也需要控制掃描次數(shù)，這樣既能夠在保證刻線深度的

5、情況下，又能得到較好的形貌。(c)不同光源的影響：在刻線性能上，飛秒脈沖激光能夠刻蝕更加精細(xì)更高質(zhì)量的形狀，納秒脈沖激光能夠獲得較大的刻線深度。(d)焦點(diǎn)位移量的影響：對(duì)于飛秒激光對(duì)碳纖維材料進(jìn)行刻線的情況，焦點(diǎn)相對(duì)位移與單次掃描深度的比值應(yīng)該在1/4-1/2區(qū)間選取，能夠得到深度較大的刻線。并且使用飛秒脈沖激光、降低功率和使用短焦距透鏡聚焦能得到結(jié)構(gòu)更精細(xì)的微結(jié)構(gòu)。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)短脈沖激光與超硬材料的相互作用機(jī)制進(jìn)行分析