01
Introduzzjoni
Polimeri Rinfurzati bil-Fibra tal-Karbonju (CFRP) jikkonsistu f'reżina li taġixxi bħala l-materjal tal-fażi matriċi u fibri tal-karbonju li jservu bħala l-materjal tal-fażi ta 'rinfurzar. Billi tgħaqqad il-proprjetajiet materjali kemm tal-matriċi tar-reżina kif ukoll tat-tisħiħ tal-fibra tal-karbonju, CFRP juri karatteristiċi bħal piż ħafif, reżistenza għall-korrużjoni, reżistenza għall-ilbies u ebusija għolja. Konsegwentement, huwa utilizzat ħafna f'oqsma b'domandi qawwija għal ħfief strutturali-bħall-ajruspazju, l-industrija tal-karozzi, il-bini tal-vapuri navali, il-ġenerazzjoni tal-enerġija mir-riħ, u l-inġinerija ċivili. Il-metodi ta 'manifattura primarji għall-materjali CFRP jinkludu l-Moulding ta' Trasferiment tar-Raża (RTM), iffurmar ta 'awtoklavi, iffurmar ta' borża tal-vakwu, u tkebbib tal-filament; dawn il-metodi jippermettu li l-istrutturi CFRP jiġu prodotti permezz ta' proċessar tal-forma near-net-. Madankollu, f'applikazzjonijiet industrijali prattiċi, l-ipproċessar sekondarju tas-CFRP huwa tipikament meħtieġ biex tinkiseb il-ġeometrija tal-parti mixtieqa-inklużi karatteristiċi bħal toqob, slots, u skanalaturi tal-assemblaġġ-u biex tilħaq l-eżattezza dimensjonali u t-tolleranzi tal-forma speċifikati fid-disinn tal-parti. Minħabba d-differenzi sinifikanti fil-proprjetajiet termali u mekkaniċi bejn il-fibri tal-karbonju li jsaħħu u r-reżina tal-matriċi fi ħdan CFRP, dan l-ipproċessar sekondarju jippreżenta sfidi konsiderevoli u huwa suxxettibbli għal diversi difetti, li ħafna drabi jirriżulta fi kwalità tal-ipproċessar kompromessa. Għalhekk, biex jiġu sodisfatti r-rekwiżiti dimensjonali u ta' prestazzjoni tal-komponenti finali, huwa ta' importanza kbira li jiġu investigati teknoloġiji tal-ipproċessar għal materjali CFRP u li jiġu esplorati metodi ta' proċessar ta'-kwalità għolja,-effiċjenza għolja.
02
Mekkaniżmi għat-Tneħħija tal-Materjal fl-Ipproċessar bil-Lejżer
Bil-ħolqien ta 'materjali ta' inġinerija avvanzati li jippossjedu proprjetajiet fiżiċi kumplessi-bħal Polimeri Rinfurzati bil-Fibra tal-Karbonju (CFRP)-il-kompetittività tal-magni mekkaniċi tradizzjonali, makkinar bil-ġett tal-ilma, u makkinar ta 'skarigu elettriku naqset gradwalment. Fl-ipproċessar tal-lejżer, it-tneħħija tal-materjal tinvolvi fundamentalment l-assorbiment, ir-rispons u t-trasferiment tal-enerġija tal-lejżer fil-materjal. Matul dan il-proċess, il-laser irradja l-wiċċ tal-materjal, u l-elettroni jassorbu l-enerġija tal-fotoni. Sussegwentement, it-trasferiment tal-enerġija jseħħ permezz ta' kolliżjonijiet tal--kannizzata tal-elettroni, li jirriżultaw f'żieda fit-temperatura tal-kannizzata u tnaqqis fit-temperatura tal-elettroni sakemm jiġi stabbilit ekwilibriju termali bejn l-elettroni u l-kannizzata. Madankollu, minħabba li t-temperatura tas-sublimazzjoni tal-fibri tal-karbonju (~ 3600 K) hija bejn wieħed u ieħor ħames darbiet dik tal-matriċi tar-reżina (~ 800 K), l-input tal-enerġija meħtieġ biex jitneħħew il-fibri tal-karbonju huwa akbar b'mod sinifikanti minn dak meħtieġ għar-reżina. Barra minn hekk, minħabba l-konduttività termali anisotropika tal-fibri tal-karbonju, is-sħana ġġenerata matul il-proċess ta 'sublimazzjoni tal-fibra tal-karbonju tippropaga b'mod preferenzjali fil-matriċi tar-reżina, li twassal għal dekompożizzjoni tar-reżina u l-formazzjoni ta' sustanzi ta 'ħsara. Ir-riċerkaturi pproponew mekkaniżmu ta' tneħħija f'żewġ-stadji għal CFRP: piroliżi indotta bil-lejżer-u tqaxxir termomekkaniku. Il-plażma ġġenerata matul l-istadju inizjali tal-ablazzjoni tal-materjal tassorbi s-sħana u tipproduċi shockwaves termali direzzjonali. Il-fibri tal-karbonju esposti matul l-ipproċessar huma soġġetti għal forzi ta 'shear radjali, li jirriżultaw fi ksur fraġli u distakk tal-materjal.
Meta t-tul tal-polz tal-lejżer jinżel taħt l-10 ps, it-tul tal-polz isir iqsar mill-ħin ta 'rilassament tal-kannizzata tal-elettron-, u jikkawża li l-mekkaniżmu tat-tneħħija tal-materjal jiddiverġi mill-ablazzjoni termali tradizzjonali. Il-mekkaniżmu tal-ipproċessar huwa illustrat fil-Figura 2: il-materjal tar-reżina juri konduttività elettrika fqira u numru limitat ta 'elettroni ħielsa, b'bandgap tal-enerġija ta' 2-4 eV; bil-maqlub, il-fibra tal-karbonju tippossjedi konduttività elettrika tajba u fiha ċerta kwantità ta 'elettroni ħielsa. Waqt l-irradjazzjoni tal-lejżer, l-elettroni ħielsa fil-fibra tal-karbonju jassorbu direttament l-enerġija tal-lejżer, u dan jirriżulta f'żieda fit-temperatura tas-sistema tal-elettroni. Meta l-enerġija ta 'foton wieħed hija inqas mill-bandgap tar-reżina, elettroni ħielsa huma ġġenerati permezz tal-mekkaniżmu ta' jonizzazzjoni multifoton (MPI), kif muri fil-Figura 2(b). Meta l-enerġija ta' foton wieħed taqbeż il-bandgap, l-jonizzazzjoni ta'-foton waħda tiddomina l-mekkaniżmu ta' eċitazzjoni tal-elettroni. L-elettroni ħielsa iġġenerati jaħbtu ma 'elettroni marbuta, u jittrasferixxu l-enerġija permezz ta' jonizzazzjoni ta 'impatt; dan iqajjem jonizzazzjoni tal-valanga-kif muri fil-Figura 2(c)-li żżid b'mod sinifikanti d-densità tal-elettroni ħielsa. Matul il-fażi tal-irradjazzjoni tal-laser tal-polz ultrashort-, it-temperatura tal-kannizzata tinbidel bil-mod minħabba l-inerzja termali, filwaqt li t-temperatura tas-sistema tal-elettroni togħla malajr. It-tranżizzjonijiet tal-fażi involuti jinkludu kemm transizzjonijiet tal-fażi mhux-termali kif ukoll termali. Jekk l-enerġija tal-fotoni tal-lejżer hija għolja biżżejjed, l-elettroni jassorbu biżżejjed enerġija biex jegħlbu l-forzi li jorbtu Coulomb tan-nuklei atomiċi, li jwasslu għal jonizzazzjoni termali u jħallu warajhom numru kbir ta 'jonji pożittivi. Dawn il-joni pożittivi jirripellaw lil xulxin minħabba l-forzi Coulomb, li jirriżultaw fi "splużjoni Coulomb" u ablazzjoni elettrostatika-proċess magħruf bħala "ablazzjoni kiesħa"-kif muri fil-Figura 2(d). Hekk kif it-tifrix tal-enerġija tal-kannizzata tal-elettroni-isseħħ kontinwament, it-temperatura tal-kannizzata titla 'gradwalment, u l-konduzzjoni tas-sħana sseħħ bejn il-fibra tal-karbonju u r-reżina, kif muri fil-Figura 2(e). Konsegwentement, meta t-temperatura taqbeż ċertu limitu, iseħħu transizzjonijiet ta' fażi termali-bħal vaporizzazzjoni u splużjoni ta' fażi-, li jiġġeneraw-temperatura għolja, pressjoni-għolja, u plażma ta'-densità għolja li tinħareġ mill-wiċċ, li ġġorr il-fdalijiet tas-sħana u l-ipproċessar.
Id-difetti fiż-żona ta' sħana-affetwata (HAZ) jirreferu għal reġjuni fi ħdan is-CFRP fejn iseħħu bidliet fil-proprjetà lokalizzati bħala riżultat ta' interazzjonijiet tal-materjal tal-laser-, kif ukoll l-eteroġeneità u l-aniżotropija inerenti tal-materjal. Dawn il-bidliet jinkludu l-evaporazzjoni mhux-uniformi u d-degradazzjoni termali tar-reżina tal-matriċi, kif ukoll l-espożizzjoni tal-fibri tal-karbonju. Raġġ tal-lejżer Gaussian jiġġenera distribuzzjoni tal-enerġija spazjali mhux-uniformi, u l-effetti tad-diffużjoni termali jikkawżaw li l-materjal CFRP jisħon fil-viċinanza taż-żona tal-ipproċessar. F'dan ir-reġjun speċifiku, l-enerġija termali taqbeż il-limitu meħtieġ għad-dekompożizzjoni tal-matriċi tar-reżina iżda tibqa 'taħt il-limitu meħtieġ għat-tneħħija tal-fibri tal-karbonju. Dan iwassal għal deterjorazzjoni tal-proprjetajiet tar-reżina u l-espożizzjoni lokalizzata tal-fibri tal-karbonju. F'din iż-żona, il-konduzzjoni tas-sħana ssaħħan kemm ir-reżina kif ukoll il-fibri tal-karbonju. Minħabba d-disparità sinifikanti bejn it-temperaturi ta 'evaporazzjoni tar-reżina u l-fibri tal-karbonju, ir-reżina f'dan ir-reġjun tevapora filwaqt li l-fibri tal-karbonju jonqsu milli jilħqu t-temperatura ta' evaporazzjoni tagħhom, li jirriżultaw fl-espożizzjoni tal-fibri tal-karbonju.
