基于激光技術(shù)的碳纖維材料加工研究

李全東+吳同同

（材料科學(xué)與工程學(xué)院 東北大學(xué) 遼寧沈陽 110819）

摘要：本文介紹了激光技術(shù)在打孔、切割、焊接等應(yīng)用，以及激光表面改性等新技術(shù)， 并對激光技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。碳纖維作為一種新型材料，在很多領(lǐng)域都是十分重要多功能工程材料，在航空航天領(lǐng)域尤為如此，有巨大的應(yīng)用價(jià)值，但是我國的碳纖維材料研究進(jìn)展緩慢，加工工藝并沒有系統(tǒng)研究。碳纖維材料的質(zhì)量輕硬度大的優(yōu)勢，完全替代了傳動手工業(yè)材料的細(xì)致加工的需求，結(jié)合短脈沖激光的優(yōu)勢，本文將探索包括優(yōu)質(zhì)高效的加工工藝條件、相互作用機(jī)理。探究不同脈沖寬度的激光對碳纖維材料加工效果的影響的同時(shí)，找到兼顧加工效率的加工參數(shù)。依靠對碳纖維材料加工的結(jié)果，對激光重頻、掃描次數(shù)、速度碳纖維材料基本加工的結(jié)果，分析得出：飛秒脈沖激光與材料相互作用過程中，利用產(chǎn)生的等離子體，有利于實(shí)現(xiàn)高精度加工；而納秒脈沖激光能量使材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料韌化； 功能一體化，結(jié)構(gòu)材料和功能材料的相互滲透、綜合集成； 高性能化， 進(jìn)一步提高比強(qiáng)度、比模量； 智能化， 材料、結(jié)構(gòu)和電子相互融合； 低成本化， 從過去主要關(guān)心性能與質(zhì)量轉(zhuǎn)到降低成本， 強(qiáng)調(diào)低成本生產(chǎn)技術(shù)。關(guān)鍵詞：激光技術(shù)； 碳纖維材料；材料加工；

關(guān)鍵詞：激光技術(shù) 碳纖維材料 激光加工

1 激光加工技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀

激光作為20 世紀(jì)人類的四大發(fā)明之一、高新技術(shù)的重要組成部分，是 20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的里程碑、現(xiàn)代信息社會產(chǎn)業(yè)的重要支柱。21 世紀(jì)已進(jìn)入光電子時(shí)代 ，作為能量光電子、激光技術(shù)的進(jìn)步， 將極大改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活。激光加工因?qū)崿F(xiàn)了光 、機(jī) 、電技術(shù)結(jié)合，是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，目前正處于向傳統(tǒng)制造技術(shù)工藝過度，積極滲透的階段， 如已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、機(jī)械制造等重要部門，且在提高質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率，減少消耗，減少污染等起到愈來愈重要的作用 。

1.1激光加工技術(shù)的主要特點(diǎn)

激光材料加工與常規(guī)熱加工相比，有下述主要特點(diǎn)：（1）激光加工能量高及移動速度可調(diào)的特殊屬性，導(dǎo)致可以實(shí)現(xiàn)多種加工；（2）激光可對多種金屬、非金屬進(jìn)行加工，特別是可加工高硬度、高脆性材料；（3）激光加工過程中，無磨損，無“切削力”作用于工件；（4）激光能量密度高、速度快，且系局部加工，故對非加工表面影響極小，同時(shí)其熱影響區(qū)小、后續(xù)加工量小；（5）激光束易導(dǎo)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進(jìn)行加工，而且這是一種極為靈活的加工方法；（6）可透過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行加工；（7）生產(chǎn)率高，加工質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益好。

1.2激光加工技術(shù)的應(yīng)用概況

德國為了推廣激光加工技術(shù)，建立9個(gè)國家級激光中心的同時(shí)，還簡歷了激光加工站；如大眾汽車廠建立了齒輪激光加工生產(chǎn)線，奔馳汽車廠房安裝了激光加工生產(chǎn)線。

美國建立了世界上最早的激光加工站，其激光加工站的年收入已逾80億美元，加工站數(shù)量已超過1765家。激光切割和焊接等在日本電子、電機(jī)、汽車、車輛零部件、OA機(jī)器等小件、大批量生產(chǎn)中也得到了迅速發(fā)展。我國于20世紀(jì)90年代初，在武漢建立了國家級的激光加工工程研究中心，為了在全國起到示范和推廣。北京、上海等地與國家部委聯(lián)合建立了激光加工工程研究中心。例如，天津冷軋薄板廠，采用激光毛化等先進(jìn)技術(shù)，使面臨倒閉的企業(yè)起死回生 ，出口創(chuàng)匯數(shù)千萬美元；又如西安內(nèi)燃機(jī)配件廠建立了12條缸套激光熱處理生產(chǎn)線，已在全國范圍推廣。發(fā)展激光產(chǎn)業(yè)將帶動傳統(tǒng)工業(yè)的改造和發(fā)展。我國目前還只有130～140家激光加工站，有必要加大推廣力度。

總體而言，激光加工技術(shù)在20世紀(jì)，激光問世不久，就得到人們的重視，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為先進(jìn)制造技術(shù)的代名詞，在美國、歐洲和日本，高功率激光切割機(jī)的裝機(jī)量都大大超過了一萬臺，德國大眾汽車廠，用于制造的激光機(jī)械手多達(dá)475臺，我國長江實(shí)業(yè)公司的封裝生產(chǎn)線，上也裝備了近百臺激光標(biāo)記機(jī)。全球激光加工設(shè)備市場2000年起受經(jīng)濟(jì)蕭條的影響，增長速度隨著世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇有所增強(qiáng)，于2004年又迅速回升。我國激光加工設(shè)備的銷售額增長更快，尤其是從2000年開始到2004年已超過了15億元人民幣，但仍只占全球銷售額的5%，這對一個(gè)制造大國來說是不相稱的的激光加工技術(shù)，改造傳統(tǒng)的制造工藝，提升我國的制造水平力爭成為制造強(qiáng)國。

2 碳纖維材料國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

在20世紀(jì)60年代中期才發(fā)展起來的碳纖維結(jié)構(gòu)材料備受歡迎。碳纖維材料依照其碳纖維根據(jù)基礎(chǔ)原料不同，可以分為三大類：以聚丙烯腈、基碳纖維、基碳纖維、粘膠基碳纖維。由于在力學(xué)性能方面，基碳纖維要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于瀝青基和粘膠、基碳纖維在全世界的碳纖維生產(chǎn)成為當(dāng)前碳纖維工業(yè)發(fā)展的主流和主要研究方向。

2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)

從國內(nèi)外現(xiàn)狀可以看出，碳纖維材料由于其獨(dú)特的特性，特別是航空航天領(lǐng)域，有極大的需要，但是幾乎所有重要技術(shù)和生產(chǎn)的產(chǎn)量隨著需求的增長和碳纖維材料對軍工領(lǐng)域的重要性，使針對其研究要求越來越迫切。針對碳纖維材料加工的研究大多數(shù)也是基于傳統(tǒng)機(jī)械加工的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以及長脈沖激光加工，已經(jīng)成為激光加工重要方向。本文所研究的碳纖維材料其硬度極大，傳統(tǒng)的加工手段結(jié)合短脈沖加工的優(yōu)勢，兼顧效率與質(zhì)量的最佳加工參數(shù)。

3激光與材料相互作用機(jī)理分析 飛秒脈沖激光加工碳纖維材料產(chǎn)生等離子體光譜分析

3.1 飛秒脈沖激光加工碳纖維材料產(chǎn)生等離子體光譜分析

在脈沖加工碳纖維材料過程中，會產(chǎn)生明亮的等離子體如圖1所示，等離子體會吸收入射激光的大部分能量，使入射激光自由電子通過逆韌致輻射吸收激光能量，并將這些能量或離子受激電離，動能增加電子數(shù)量也隨之增加，以此方式提高了材料的吸收能力。對等離子體光譜可以得出飛秒脈沖激光作用機(jī)制。等離子體的光譜由熱電子的韌致輻射和電子與離子的復(fù)合輻射產(chǎn)生的，線狀譜線由原子或離子束縛態(tài)之間的電子躍遷產(chǎn)生，輻射光的頻率由躍遷的能級差決定。endprint