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域都是一種極為重要與關鍵的多功能特種工程材料，特別是其在航空航天領域有巨大的應用價值，但是在我國碳纖維材料研究進展緩慢，并且對于其加工工藝及加工機理目前也沒有系統(tǒng)的研究工作，這使得對其研究具有重大的意義。碳纖維材料具有質量輕硬度大的特點，傳統(tǒng)的加工手段已經不能滿足對其精細加工需要，結合短脈沖激光在特種加工中的優(yōu)勢，本文將探索短脈沖激光加工碳纖維材料工藝，包括優(yōu)質高效的加工工藝條件、相互作用機理。<

2、br>　　本文探究不同脈沖寬度的激光對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3.5mm厚的碳纖維材料進行打孔，對比所加工出的孔形貌、加工效率。結果表明飛秒脈沖激光所加工出的孔徑熱效應小，徑深比較?。患{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達到去除材料的目的，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，與實驗結果相符

3、。同時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。結果表明短脈沖激光能量利用率高，且加工形貌好。
　　通過對比試驗，探究不同參數對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、貌質量好的加工參數。主要依靠對碳纖維材料打孔、刻線和加工微結構的結果，對激光重頻、掃描次數、掃描速度、不同光源和焦點位移量等參數會對碳纖維材料基本加工的結果分析得出：(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行加工；如果精度要求適中，建議使用高重頻的激光進行加工，避免資源的浪費。(b)對于掃描次數和掃描速度的影響：在材料表面進行刻線的情況下，可以增加掃描速度，多次掃描，但也需要控制掃描次數，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更高質量的形狀，納秒脈沖激光能夠獲得較大的刻線深度。(d)焦點位移量的影響：對于飛秒激光對碳纖維材料進行刻線的情況，焦點相對位移與單次掃描深度的比值應該在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構更精細的微結構。
　　根據實驗結果，對短脈沖激光與超硬材料的相互作用機制進行分析