01
Johdanto
Hiilikuituvahvisteiset polymeerit (CFRP) koostuvat hartsista, joka toimii matriisifaasimateriaalina, ja hiilikuiduista, jotka toimivat lujitefaasimateriaalina. Yhdistämällä sekä hartsimatriisin että hiilikuituvahvikkeen materiaaliominaisuudet, CFRP:llä on ominaisuuksia, kuten keveys, korroosionkestävyys, kulutuskestävyys ja korkea kovuus. Tästä syystä sitä käytetään laajalti aloilla, joilla on suuria vaatimuksia rakenteelliselle keveydelle,-kuten ilmailuteollisuudessa, autoteollisuudessa, laivaston laivanrakennuksessa, tuulivoiman tuotannossa ja maa- ja vesirakentamisessa. CFRP-materiaalien ensisijaisia valmistusmenetelmiä ovat hartsisiirtomuovaus (RTM), autoklaavimuovaus, tyhjiöpussipuristus ja filamenttien käämitys; nämä menetelmät mahdollistavat CFRP-rakenteiden tuottamisen lähes-net-muodonkäsittelyn avulla. Käytännön teollisissa sovelluksissa CFRP:n toissijainen prosessointi vaaditaan kuitenkin tyypillisesti halutun osan geometrian saavuttamiseksi,{7}}mukaan lukien ominaisuudet, kuten reiät, raot ja kokoonpanourit,-ja osan suunnittelussa määritellyn mittatarkkuuden ja muototoleranssien saavuttamiseksi. Vahvistavien hiilikuitujen ja CFRP:n sisällä olevan matriisihartsin välisten merkittävien termisten ja mekaanisten ominaisuuksien erojen vuoksi tämä toissijainen käsittely aiheuttaa huomattavia haasteita ja on altis erilaisille vikoille, jotka usein johtavat käsittelyn laadun heikkenemiseen. Siksi on äärimmäisen tärkeää tutkia CFRP-materiaalien prosessointiteknologioita ja tutkia laadukkaita ja tehokkaita käsittelymenetelmiä loppukomponenttien mitta- ja suorituskykyvaatimusten täyttämiseksi.
02
Materiaalinpoistomekanismit laserkäsittelyssä
Kehittyneiden teknisten materiaalien, joilla on monimutkaiset fysikaaliset ominaisuudet, -kuten hiilikuituvahvisteiset polymeerit (CFRP)-, perinteisen mekaanisen koneistuksen, vesisuihkukoneistuksen ja sähköpurkauskoneistuksen kilpailukyky on vähitellen heikentynyt. Laserkäsittelyssä materiaalin poistoon kuuluu pohjimmiltaan laserenergian imeytyminen, vaste ja siirto materiaalin sisällä. Tämän prosessin aikana laser säteilyttää materiaalin pintaa ja elektronit absorboivat fotonienergiaa. Myöhemmin energiansiirto tapahtuu elektroni-hilan törmäysten kautta, mikä johtaa hilan lämpötilan nousuun ja elektronien lämpötilan laskuun, kunnes elektronien ja hilan välille muodostuu lämpötasapaino. Kuitenkin, koska hiilikuitujen sublimaatiolämpötila (~ 3600 K) on noin viisi kertaa hartsimatriisin (~ 800 K) sublimaatiolämpötila, hiilikuitujen poistamiseen tarvittava energiapanos on huomattavasti suurempi kuin hartsille vaadittu. Lisäksi hiilikuitujen anisotrooppisesta lämmönjohtavuudesta johtuen hiilikuitujen sublimaatioprosessin aikana syntyvä lämpö etenee ensisijaisesti hartsimatriisiin, mikä johtaa hartsin hajoamiseen ja haitallisten aineiden muodostumiseen. Tutkijat ovat ehdottaneet kaksivaiheista poistomekanismia CFRP:lle: laser-indusoitu pyrolyysi ja lämpömekaaninen kuorinta. Materiaalin ablaation alkuvaiheessa syntyvä plasma imee lämpöä ja tuottaa suunnattuja lämpöiskuaaltoja. Käsittelyn aikana paljastuvat hiilikuidut altistuvat säteittäisille leikkausvoimille, mikä johtaa hauraaseen murtumaan ja materiaalin irtoamiseen.
Kun laserpulssin kesto putoaa alle 10 ps:n, pulssin kestosta tulee elektroni-hilan rentoutumisaikaa lyhyempi, jolloin materiaalinpoistomekanismi poikkeaa perinteisestä lämpöablaatiosta. Prosessointimekanismi on havainnollistettu kuvassa 2: hartsimateriaalilla on huono sähkönjohtavuus ja rajoitettu määrä vapaita elektroneja, energiakaistalla 2–4 eV; päinvastoin hiilikuidulla on hyvä sähkönjohtavuus ja se sisältää tietyn määrän vapaita elektroneja. Lasersäteilytyksen aikana hiilikuidun sisällä olevat vapaat elektronit absorboivat suoraan laserenergiaa, mikä johtaa elektronijärjestelmän lämpötilan nousuun. Kun yksittäisen fotonin energia on pienempi kuin hartsin bandgap, vapaita elektroneja syntyy monifotoni-ionisaatiomekanismin (MPI) kautta, kuten kuvassa 2(b). Kun yksittäisen fotonin energia ylittää kaistavälin, yhden{10}}fotonin ionisaatio hallitsee elektronien viritysmekanismia. Syntyneet vapaat elektronit törmäävät sitoutuneisiin elektroneihin siirtäen energiaa iskuionisaation kautta; tämä laukaisee lumivyöryionisaation-kuten kuvassa 2(c)-joka lisää merkittävästi vapaiden elektronien tiheyttä. Ultralyhyen-pulssilasersäteilytysvaiheen aikana hilan lämpötila muuttuu hitaasti termisen inertian vuoksi, kun taas elektronijärjestelmän lämpötila nousee nopeasti. Mukana olevat vaihesiirtymät sisältävät sekä ei--lämpöiset että termiset faasisiirtymät. Jos laserin fotonienergia on riittävän korkea, elektronit absorboivat tarpeeksi energiaa voittaakseen atomiytimien Coulombin sitomisvoimat, mikä johtaa lämpöionisaatioon ja jättää jälkeensä suuren määrän positiivisia ioneja. Nämä positiiviset ionit hylkivät toisiaan Coulombin voimien vuoksi, mikä johtaa "Coulombin räjähdykseen" ja sähköstaattiseen ablaatioon -prosessi, joka tunnetaan nimellä "kylmäablaatio"-kuten kuvassa 2(d). Kun elektroni-hilan energiasironta tapahtuu jatkuvasti, hilan lämpötila nousee vähitellen ja lämmön johtuminen tapahtuu hiilikuidun ja hartsin välillä, kuten kuvassa 2(e). Tämän seurauksena, kun lämpötila ylittää tietyn kynnyksen, tapahtuu lämpöfaasimuutoksia-kuten höyrystymistä ja faasiräjähdystä-, jotka synnyttävät korkean-lämpötilan, korkean-paineen ja suuren-tiheyden, joka irtoaa pinnalta ja kuljettaa pois lämpöä ja käsittelyä.
Viat lämpö{0}}vaikutusvyöhykkeellä (HAZ) viittaavat CFRP:n alueisiin, joissa tapahtuu paikallisia ominaisuuksien muutoksia laser-materiaalivuorovaikutusten sekä materiaalin luontaisen heterogeenisyyden ja anisotropian seurauksena. Nämä muutokset kattavat matriisihartsin epätasaisen haihtumisen ja lämpöhajoamisen sekä hiilikuitujen altistumisen. Gaussin lasersäde tuottaa epätasaisen avaruudellisen energiajakauman, ja lämpödiffuusiovaikutukset aiheuttavat CFRP-materiaalin kuumenemisen käsittelyvyöhykkeen läheisyydessä. Tällä tietyllä alueella lämpöenergia ylittää hartsimatriisin hajoamiseen vaaditun kynnyksen, mutta jää hiilikuitujen poistamiseen vaadittavan kynnyksen alapuolelle. Tämä johtaa hartsin ominaisuuksien heikkenemiseen ja hiilikuitujen paikalliseen altistumiseen. Tällä vyöhykkeellä lämmönjohtavuus lämmittää sekä hartsia että hiilikuituja. Johtuen huomattavasta erosta hartsin ja hiilikuitujen haihtumislämpötilojen välillä, hartsi tällä alueella haihtuu, kun taas hiilikuidut eivät saavuta haihtumislämpötilaansa, mikä johtaa hiilikuitujen paljastamiseen.
