01
مقدمه
پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) از یک رزین تشکیل شده است که به عنوان ماده فاز ماتریس عمل می کند و الیاف کربن به عنوان ماده فاز تقویت کننده عمل می کند. با ترکیب خواص مواد ماتریس رزین و تقویت کننده فیبر کربن، CFRP ویژگی هایی مانند وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر سایش و سختی بالا را نشان می دهد. در نتیجه، به طور گسترده در زمینههایی با تقاضای قوی برای سبکسازی ساختاری-مانند هوافضا، صنعت خودروسازی، کشتیسازی نیروی دریایی، تولید نیروی بادی و مهندسی عمران استفاده میشود. روشهای تولید اولیه برای مواد CFRP شامل قالبگیری انتقال رزین (RTM)، قالبگیری اتوکلاو، قالبگیری کیسه خلاء و سیمپیچ رشتهای است. این روشها ساختارهای CFRP را قادر میسازند از طریق پردازش شکل نزدیک-شبکه- تولید شوند. با این حال، در کاربردهای صنعتی عملی، پردازش ثانویه CFRP معمولاً برای دستیابی به هندسه قطعه مورد نظر-شامل ویژگیهایی مانند سوراخها، شکافها و شیارهای مونتاژ-و برای برآوردن دقت ابعادی و تلورانسهای شکل مشخص شده در طراحی قطعه مورد نیاز است. با توجه به تفاوت های قابل توجه در خواص حرارتی و مکانیکی بین الیاف کربن تقویت کننده و رزین ماتریس در CFRP، این پردازش ثانویه چالش های قابل توجهی را ارائه می دهد و مستعد عیوب مختلف است که اغلب منجر به کاهش کیفیت پردازش می شود. بنابراین، برای برآورده ساختن الزامات ابعادی و عملکردی اجزای نهایی، بررسی فناوریهای پردازش برای مواد CFRP و کشف روشهای پردازش با کیفیت بالا و کارایی بالا از اهمیت بالایی برخوردار است.
02
مکانیسم های حذف مواد در پردازش لیزری
با ظهور مواد مهندسی پیشرفته که دارای خواص فیزیکی پیچیده هستند-مانند پلیمرهای تقویتشده با فیبر کربن (CFRP){1}} رقابت ماشینکاری مکانیکی سنتی، ماشینکاری واترجت و ماشینکاری تخلیه الکتریکی به تدریج کاهش یافته است. در پردازش لیزر، حذف مواد اساساً شامل جذب، پاسخ و انتقال انرژی لیزر در داخل ماده است. در طی این فرآیند، لیزر به سطح ماده تابش میکند و الکترونها انرژی فوتون را جذب میکنند. متعاقباً، انتقال انرژی از طریق برخوردهای الکترون{5}}شبکه صورت میگیرد و در نتیجه دمای شبکه افزایش مییابد و دمای الکترون کاهش مییابد تا زمانی که تعادل حرارتی بین الکترونها و شبکه برقرار شود. با این حال، از آنجایی که دمای تصعید الیاف کربن (~3600 K) تقریباً پنج برابر ماتریس رزین (~800 K) است، انرژی ورودی مورد نیاز برای حذف الیاف کربن به طور قابل توجهی بیشتر از انرژی مورد نیاز برای رزین است. علاوه بر این، به دلیل هدایت حرارتی ناهمسانگرد الیاف کربن، گرمای تولید شده در طی فرآیند تصعید فیبر کربن ترجیحاً در ماتریس رزین منتشر می شود که منجر به تجزیه رزین و تشکیل مواد مضر می شود. محققان یک مکانیسم حذف دو مرحلهای برای CFRP پیشنهاد کردهاند: پیرولیز ناشی از لیزر و لایهبرداری حرارتی مکانیکی. پلاسمای تولید شده در مرحله اولیه فرسایش مواد، گرما را جذب کرده و امواج شوک حرارتی جهت دار تولید می کند. الیاف کربنی که در طول پردازش در معرض نیروهای برشی شعاعی قرار می گیرند، منجر به شکستگی شکننده و جدا شدن مواد می شود.
زمانی که مدت پالس لیزر به کمتر از 10 ثانیه میرسد، مدت زمان پالس کوتاهتر از زمان آرامش شبکه الکترون میشود و باعث میشود مکانیسم حذف مواد از فرسایش حرارتی سنتی منحرف شود. مکانیسم پردازش در شکل 2 نشان داده شده است: مواد رزین دارای رسانایی الکتریکی ضعیف و تعداد محدودی الکترون آزاد، با فاصله باند انرژی 2-4 eV است. برعکس، فیبر کربن دارای رسانایی الکتریکی خوبی است و حاوی مقدار مشخصی الکترون آزاد است. در طول تابش لیزر، الکترونهای آزاد درون فیبر کربن مستقیماً انرژی لیزر را جذب میکنند و در نتیجه دمای سیستم الکترونی افزایش مییابد. همانطور که در شکل 2(b) نشان داده شده است، وقتی انرژی یک فوتون منفرد کمتر از فاصله باند رزین باشد، الکترون های آزاد از طریق مکانیسم یونیزاسیون چند فوتونی (MPI) تولید می شوند. وقتی انرژی یک فوتون منفرد از شکاف باند بیشتر شود، یونیزاسیون تک فوتون بر مکانیسم تحریک الکترون غالب است. الکترون های آزاد تولید شده با الکترون های مقید برخورد می کنند و انرژی را از طریق یونیزاسیون ضربه منتقل می کنند. این باعث یونیزاسیون بهمن می شود-همانطور که در شکل 2(c) نشان داده شده است-که به طور قابل توجهی چگالی الکترون های آزاد را افزایش می دهد. در طول فاز تابش لیزر پالسی فوق کوتاه{16}، دمای شبکه به آرامی به دلیل اینرسی حرارتی تغییر میکند، در حالی که دمای سیستم الکترونی به سرعت افزایش مییابد. انتقال فاز شامل هر دو انتقال فاز غیر حرارتی و حرارتی است. اگر انرژی فوتون لیزر به اندازه کافی زیاد باشد، الکترونها انرژی کافی را جذب میکنند تا بر نیروهای اتصال کولن هستههای اتمی غلبه کنند، که منجر به یونیزاسیون حرارتی و باقی گذاشتن تعداد زیادی یون مثبت میشود. این یونهای مثبت در اثر نیروهای کولن یکدیگر را دفع میکنند و منجر به "انفجار کولن" و فرسایش الکترواستاتیکی میشود، فرآیندی که به عنوان "فرسایش سرد"- شناخته میشود، همانطور که در شکل 2(d) نشان داده شده است. همانطور که در شکل 2 (e) نشان داده شده است، همانطور که پراکندگی انرژی شبکه الکترون به طور مداوم رخ می دهد، دمای شبکه به تدریج افزایش می یابد و هدایت گرما بین فیبر کربن و رزین انجام می شود. در نتیجه، زمانی که دما از آستانه معینی فراتر رود، انتقالهای فاز حرارتی-مانند تبخیر و انفجار فاز- رخ میدهد که پلاسمای با دمای{30}، فشار{31} و چگالی بالا{32} ایجاد میکند که گرما را از سطح خارج میکند.
عیوب در منطقه{0}}در اثر گرما (HAZ) به مناطقی در CFRP اشاره دارد که در آن تغییرات خصوصیات موضعی در نتیجه برهمکنشهای مواد لیزر{1}}و همچنین ناهمگنی و ناهمسانگردی ذاتی ماده رخ میدهد. این تغییرات شامل تبخیر غیریکنواخت و تخریب حرارتی رزین ماتریکس و همچنین قرار گرفتن در معرض الیاف کربن می شود. یک پرتو لیزر گاوسی توزیع انرژی فضایی غیریکنواختی ایجاد میکند و اثرات انتشار حرارتی باعث گرم شدن ماده CFRP در مجاورت منطقه پردازش میشود. در این منطقه خاص، انرژی حرارتی از آستانه مورد نیاز برای تجزیه ماتریس رزین فراتر می رود اما زیر آستانه مورد نیاز برای حذف الیاف کربن باقی می ماند. این منجر به بدتر شدن خواص رزین و قرار گرفتن در معرض موضعی الیاف کربن می شود. در این ناحیه، رسانش گرما هم رزین و هم الیاف کربن را گرم می کند. به دلیل تفاوت قابل توجه بین دمای تبخیر رزین و الیاف کربن، رزین در این ناحیه تبخیر می شود در حالی که الیاف کربن به دمای تبخیر خود نمی رسند و در نتیجه الیاف کربن در معرض قرار می گیرند.
