01
Introducere
Polimerii armați cu fibre de carbon (CFRP) constau dintr-o rășină care acționează ca material pentru faza matricei și fibre de carbon care servesc ca material pentru faza de armare. Prin combinarea proprietăților materialelor atât ale matricei de rășină, cât și ale armăturii cu fibră de carbon, CFRP prezintă caracteristici precum greutatea redusă, rezistența la coroziune, rezistența la uzură și duritatea ridicată. În consecință, este utilizat pe scară largă în domenii cu cerințe puternice pentru ușurare structurală-cum ar fi industria aerospațială, industria auto, construcțiile navale navale, generarea de energie eoliană și inginerie civilă. Metodele primare de fabricație pentru materiale CFRP includ turnarea prin transfer de rășină (RTM), turnarea în autoclavă, turnarea în sac în vid și înfășurarea filamentului; aceste metode permit ca structurile CFRP să fie produse prin procesare aproape-net-formei. Cu toate acestea, în aplicațiile industriale practice, prelucrarea secundară a CFRP este de obicei necesară pentru a obține geometria dorită a piesei-inclusiv caracteristici precum găuri, fante și caneluri de asamblare-și pentru a îndeplini precizia dimensională și toleranțele de formă specificate în proiectarea piesei. Datorită diferențelor semnificative în proprietățile termice și mecanice dintre fibrele de carbon de armare și rășina matrice din CFRP, această prelucrare secundară prezintă provocări considerabile și este predispusă la diferite defecte, ducând adesea la o calitate compromisă a prelucrării. Prin urmare, pentru a satisface cerințele dimensionale și de performanță ale componentelor finale, este de o importanță capitală să se investigheze tehnologiile de procesare pentru materialele CFRP și să se exploreze metode de procesare de înaltă-calitate,{12}}înaltă eficiență.
02
Mecanisme de îndepărtare a materialelor în prelucrarea cu laser
Odată cu apariția materialelor de inginerie avansate care posedă proprietăți fizice complexe-cum ar fi polimerii armați cu fibră de carbon (CFRP)-, competitivitatea prelucrării mecanice tradiționale, a prelucrării cu jet de apă și a prelucrării cu descărcare electrică a scăzut treptat. În procesarea cu laser, îndepărtarea materialului implică în mod fundamental absorbția, răspunsul și transferul energiei laser în interiorul materialului. În timpul acestui proces, laserul iradiază suprafața materialului, iar electronii absorb energia fotonului. Ulterior, transferul de energie are loc prin ciocniri de rețea-de electroni, rezultând o creștere a temperaturii rețelei și o scădere a temperaturii electronilor până când se stabilește echilibrul termic între electroni și rețea. Cu toate acestea, deoarece temperatura de sublimare a fibrelor de carbon (~3600 K) este de aproximativ cinci ori mai mare decât cea a matricei de rășină (~800 K), aportul de energie necesar pentru îndepărtarea fibrelor de carbon este semnificativ mai mare decât cel necesar pentru rășină. În plus, datorită conductivității termice anizotrope a fibrelor de carbon, căldura generată în timpul procesului de sublimare a fibrei de carbon se propagă de preferință în matricea rășinii, ducând la descompunerea rășinii și formarea de substanțe nocive. Cercetătorii au propus un mecanism de îndepărtare în două{11}}etape pentru CFRP: piroliza indusă de laser-și exfolierea termomecanică. Plasma generată în timpul etapei inițiale a ablației materialului absoarbe căldură și produce unde de șoc termic direcțional. Fibrele de carbon expuse în timpul prelucrării sunt supuse forțelor radiale de forfecare, ducând la rupere fragilă și desprinderea materialului.
Când durata impulsului laser scade sub 10 ps, durata pulsului devine mai scurtă decât timpul de relaxare a rețelei de electroni-, ceea ce face ca mecanismul de îndepărtare a materialului să se apropie de ablația termică tradițională. Mecanismul de procesare este ilustrat în Figura 2: materialul de rășină prezintă o conductivitate electrică slabă și un număr limitat de electroni liberi, cu un interval de energie de 2–4 eV; invers, fibra de carbon posedă o conductivitate electrică bună și conține o anumită cantitate de electroni liberi. În timpul iradierii cu laser, electronii liberi din fibra de carbon absorb direct energia laserului, rezultând o creștere a temperaturii sistemului de electroni. Când energia unui singur foton este mai mică decât banda interzisă a rășinii, electronii liberi sunt generați prin mecanismul de ionizare multifoton (MPI), așa cum se arată în Figura 2 (b). Când energia unui singur foton depășește banda interzisă, ionizarea unui singur foton{10}domină mecanismul de excitare a electronilor. Electronii liberi generați se ciocnesc cu electronii legați, transferând energie prin ionizare prin impact; aceasta declanșează ionizarea avalanșă-după cum este prezentată în Figura 2(c)-care crește semnificativ densitatea electronilor liberi. În timpul fazei de iradiere cu laser cu impuls ultrascurt-, temperatura rețelei se modifică lent din cauza inerției termice, în timp ce temperatura sistemului de electroni crește rapid. Tranzițiile de fază implicate includ atât tranziții non-termice, cât și termice. Dacă energia fotonului laser este suficient de mare, electronii absorb suficientă energie pentru a depăși forțele de legare Coulomb ale nucleelor atomice, ducând la ionizare termică și lăsând în urmă un număr mare de ioni pozitivi. Acești ioni pozitivi se resping unul pe altul datorită forțelor Coulomb, rezultând o „explozie coulombiană” și o ablație electrostatică-un proces cunoscut sub numele de „ablație la rece”-după cum se arată în Figura 2(d). Pe măsură ce împrăștierea energiei rețelei de electroni are loc în mod continuu, temperatura rețelei crește treptat, iar conducția căldurii are loc între fibra de carbon și rășină, așa cum este ilustrat în Figura 2(e). În consecință, când temperatura depășește un anumit prag, au loc tranziții de fază termică-cum ar fi vaporizarea și explozia de fază-, generând o plasmă de-temperatură înaltă,-înaltă-și densitate-înaltă, care este ejectată de la suprafață, purtând resturile de căldură și procesând.
Defectele din zona-afectată de căldură (HAZ) se referă la regiunile din CFRP în care apar modificări localizate ale proprietăților ca urmare a interacțiunilor cu materialele laser-, precum și a eterogenității și anizotropiei inerente ale materialului. Aceste modificări includ evaporarea ne-uniformă și degradarea termică a rășinii matricei, precum și expunerea fibrelor de carbon. Un fascicul laser gaussian generează o distribuție spațială ne-uniformă a energiei, iar efectele de difuzie termică fac ca materialul CFRP să se încălzească în vecinătatea zonei de procesare. În această regiune specifică, energia termică depășește pragul necesar pentru descompunerea matricei de rășină, dar rămâne sub pragul necesar pentru îndepărtarea fibrelor de carbon. Aceasta duce la o deteriorare a proprietăților rășinii și la expunerea localizată a fibrelor de carbon. În această zonă, conducția căldurii încălzește atât rășina, cât și fibrele de carbon. Datorită diferenței semnificative dintre temperaturile de evaporare ale rășinii și fibrelor de carbon, rășina din această regiune se evaporă în timp ce fibrele de carbon nu reușesc să-și atingă temperatura de evaporare, ducând la expunerea fibrelor de carbon.
