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2016-03-27 23:36 |
高功率紫外激光器在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工中的應(yīng)用
在交通運(yùn)輸行業(yè)中，由于對提高燃料效率和降低碳排放量有著強(qiáng)烈的需求，因而極大地推動了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）在各種飛機(jī)和汽車零部件制造中的應(yīng)用。隨著這種材料的成本持續(xù)下降，對它的需求和使用將進(jìn)一步加強(qiáng)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種輕質(zhì)、經(jīng)久耐用的材料，具有良好的耐腐蝕性和抗振性，因而可取代許多金屬零部件。優(yōu)化設(shè)計(jì)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件比鋼能的質(zhì)量輕70%，比鋁則輕了30%，這些優(yōu)點(diǎn)使其對許多非交通運(yùn)輸相關(guān)行業(yè)也極具吸引力，例如風(fēng)能發(fā)電中使用的零部件、運(yùn)動器材、石油勘探設(shè)備和消費(fèi)類電子產(chǎn)品。 K`#bLCXEV0
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但是這些優(yōu)點(diǎn)在讓碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成為一種獨(dú)特而有用的材料的同時(shí)，也使得難以對其進(jìn)行高質(zhì)量的加工。在其產(chǎn)品中使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造商也在尋求降低制造成本的方法。由于刀具磨損以及操作成本很高，常規(guī)的機(jī)械和磨料水射流切割技術(shù)的成本高昂，并且加工過程中的纖維斷裂和材料分層情況很常見，因而造成了成品率損失。而使用激光加工的方法能提供諸多優(yōu)點(diǎn)，例如非接觸式的加工過程以及在當(dāng)前的生產(chǎn)環(huán)境下容易實(shí)現(xiàn)自動化。激光加工避免了刀具磨損以及機(jī)械技術(shù)引起的質(zhì)量逐步下降，并且能降低操作成本。此外還可以減少或消除加工過程中的纖維損傷和材料分層情況。不過，對于激光加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來說，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)就是同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的生產(chǎn)率以及在材料中形成最小的熱影響區(qū)（HAZ）。 ^YwTO/Q|
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脈沖紫外激光器的功能 tNbZ {=I>
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高功率連續(xù)波（CW）紅外（IR）激光器（千瓦功率級）能以更高的速度來加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，但是在材料上會留下難以接受的大量的熱影響區(qū)。另一方面，超快激光器可以帶來低的熱影響區(qū)，但通常加工材料的速度會比較慢。因此，所面臨的挑戰(zhàn)就是找到一個(gè)能實(shí)現(xiàn)速度和質(zhì)量的良好平衡的激光源和工藝。脈沖納秒激光器具有良好的加工速度和質(zhì)量，波長往往會對最后的結(jié)果產(chǎn)生重大影響。特別是，在紫外（UV）波長的較強(qiáng)吸收能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的加工。Spectra-Physics的高功率Quasar紫外激光器和TimeShift脈沖整形技術(shù)非常適合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的燒蝕、切割和鉆孔，并且不會破壞纖維，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)高的速度和質(zhì)量。 tsvh/)V
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為了展示Quasar紫外激光器的能力，我們對厚度為250μm的基于聚丙烯腈（PAN）的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材進(jìn)行加工（圖1）。我們使用了不同的脈寬、功率、重復(fù)頻率和掃描速度。我們還測試了Quasar技術(shù)所進(jìn)行的脈沖串加工的性能。我們對比了各種情況下的切割速度和熱影響區(qū)（在這里是指沿著切割路徑暴露的纖維的平均長度）。 =w
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