毫秒/納秒激光致碳纖維環氧樹脂損傷形貌研究

姜珊珊,蔡繼興,金光勇,苑博識

(長春理工大學 理學院 , 長春 130022)

引 言

復合材料是一種復雜的新型材料，近些年來復合材料迅速發展，由于其具有較高的比剛度、比強度，因而作為傳統金屬材料的替代材料已被廣泛應用于航空、航天飛行器和汽車等領域，其中應用最廣的為碳纖維環氧樹脂復合材料。碳纖維環氧樹脂復合材料的抗燒蝕性能是其重要的性質，因此掌握其作用過程燒蝕機制，具有重要的研究意義和應用價值[1]。碳纖維環氧樹脂復合材料是由兩種完全不同的材料組成的，其基體環氧樹脂是高分子有機化合物，在激光與碳纖維環氧樹脂復合材料相互作用過程中，其材料的燒蝕性能與激光特性有關[2-4]。因此，研究激光參量變化對碳纖維環氧樹脂材料所產生的不同損傷特性，以及對其損傷機理進行分析具有非常重要的理論和現實意義。

一些學者對激光與碳纖維復合材料的燒蝕破壞和加工已經開展了一定的研究。近幾年來，研究者對激光與復合材料相互作用過程中的切割工藝[5-6]、熱燒蝕規律[7]、彈性模量[8-9]、吸收特性[10-11]、燒蝕閾值[12]進行了研究。國外的一些學者對長脈沖激光對復合材料進行打孔[13]以及對材料表面粗糙度粘附性[14]等進行了研究。國內學者WAN等人對不同激光參量下復合材料樣品的損傷形貌進行了分析[15]。HUANG等人采用了Nd∶YAG連續激光輻照碳纖維/環氧樹脂，并利用高速攝像的方法分析了熱燒蝕規律[16]。ZHAO使用不同脈沖寬度的激光對碳纖維超硬材料進行加工，并對加工效果進行分析[17]。2013年，ECAULT等人對激光沖擊波對增強型碳纖維復合材料的損傷進行了研究，使用光學顯微鏡，X射線照相術，或干涉共聚焦顯微鏡來表征激光沖擊波的損傷[18],并將實驗結果進行了對比，得到了動態負載下碳纖維復合材料的損傷結果。目前，激光對碳纖維復合材料的損傷機理研究主要集中在對激光的切割以及熱燒蝕率的研究，實驗手段主要采用掃描電子顯微鏡、高速攝像等方法，這些方法并不能給出損傷深度以及損傷形貌的變化，并且不同的激光參量對復合材料的損傷形貌作用效果不同。因此，關于不同脈寬激光輻照復合材料的損傷形貌及損傷深度鮮見系統的報道。

本文中采用了毫秒/納秒脈沖激光輻照碳纖維環氧樹脂復合材料，得到碳纖維環氧樹脂在不同能量密度下的損傷形貌，通過對其損傷深度及損傷面積進行測量分析，得到了兩種脈寬激光與碳纖維環氧樹脂相互作用的規律特性，揭示了其損傷特性的差異。研究結果可為激光加工碳纖維環氧樹脂提供實驗上的依據。

1 實驗系統

實驗裝置由激光器、分光鏡、聚焦透鏡、可移動3維樣品平臺、能量計、示波器組成。實驗系統示意圖如圖1所示。其中激光器采用納秒激光器(輸出激光波長為1064nm，激光能量范圍為0J～2J可調節，輸出激光脈寬為1ns～10ns可調節，重復頻率為1Hz～10Hz可調節，本振電壓為100V～1000V可選)、毫秒激光器(輸出波長為1064nm，輸出激光脈寬為1ms～3ms可調節，重復頻率為1Hz～10Hz可調節，激光輸出能量為1J～20J可調節)。實驗過程中，一部分激光被分光鏡反射到能量計上，以便實時監測激光能量值；另一部分激光經過聚焦透鏡輻照在碳纖維環氧樹脂表面，通過3維平移臺調節碳纖維環氧樹脂復合材料的位置，通過調節聚焦透鏡的位置可以控制作用激光光斑的大小。采用脈寬探頭將激光漫反射的光采集，并且通過示波器對脈寬進行測量。燒蝕后靶材的損傷形貌及深度利用全自動變焦3維表面測量儀進行測量。全自動變焦測量技術是一種新型的表面形貌測量技術，其工作原理結合了景深測量與垂直掃描兩種有效的技術。當光線通過共軸的分光棱鏡和物鏡，匯聚到材料上，在表面發生反射，反射的光學信號經由分光棱鏡被信號傳感器所接受。通過連續的自動掃描及圖像處理，來獲得完整的表面3維形貌。實驗中采用1ms和10ns脈沖激光對碳纖維復合材料進行多次輻照實驗，其中光斑半徑均為0.7mm，重復頻率均為1Hz，得到了能量密度在8.6J/cm2～130.0J/cm2范圍內的損傷形貌，對其進行測量分析。

Fig.1 Experimental system for laser-irradiating carbon fiber epoxy resin composite material

2 實驗結果與討論

2.1 毫秒/納秒脈沖激光輻照碳纖維環氧樹脂損傷面積研究

實驗中采用自動變焦3維表面測量儀對損傷后的碳纖維環氧樹脂復合材料的損傷面積進行離線測量。

Fig.2 Relationship between damage area of carbon fiber epoxy resin and energy density under the action of millisecond/nanosecond pulsed laser

圖2所示分別為在毫秒/納秒脈沖激光作用下，碳纖維環氧樹脂的損傷面積隨能量密度變化規律。由于碳纖維環氧樹脂復合材料是由兩種不同材料組成，在判定材料的損傷面積時，以材料整體任意部分發生的損傷判定其損傷面積，即碳纖維未發生損傷，環氧樹脂損傷即判定其被損壞。由圖2可知，在兩種脈寬激光作用條件下，碳纖維環氧樹脂的損傷面積隨著能量密度的變化整體趨勢是一致的，但其損傷面積的數值卻存在著很大的差異。

在納秒脈沖激光作用下，損傷面積的上升趨勢比較明顯；而在毫秒脈沖激光作用下，損傷面積隨能量密度變化比較緩慢平穩。這是由于在納秒脈沖作用下，損傷區域隨能量密度的增加而向外延伸，并且在光斑周圍有明顯的熱反應區域，在能量密度較小時，材料表面熱反應區也較小；而在能量密度增大時，更多的損傷效果體現在光斑作用區域周圍的環氧樹脂的損傷及熱反應區的增大，當能量密度大于47.3J/cm2的時候，表面的熱反應區尤為明顯。而當在毫秒脈沖激光作用下，損傷面積上升趨勢比較緩慢，由于時間的積累，損傷區域主要為熔融損傷，隨著激光能量密度的增大，損傷區域會有一定深度變化，損傷面積變化不明顯。

2.2 毫秒/納秒脈沖激光輻照碳纖維環氧樹脂損傷深度研究

圖3分別為在毫秒/納秒脈沖激光作用下，能量密度為20.5J/cm2時，碳纖維環氧樹脂損傷深度圖。在碳纖維環氧樹脂損傷區域表面上截取一條線，觀察碳纖維環氧樹脂復合材料在截線上的高度分布，其切割線高度分布如圖3所示。如圖3a所示，當激光能量密度為20.5J/cm2時，在毫秒脈沖激光作用下，碳纖維環氧樹脂的損傷深度達到了47.3μm，材料表面析出的炭化物的高度為157.1μm；而在納秒脈沖激光作用下，如圖3b所示，碳纖維環氧樹脂的表面析出的炭化物高度為107.1μm，材料表面并沒有明顯的深度變化，其只是表層損傷。產生這種差異的原因是由于在毫秒脈沖激光作用下，主要是熱損傷，達到材料的熔點時，材料中心會產生熔融損傷，產生一定損傷深度。而當局部溫度升高到樹脂基體熔點時，在激光熱源的作用下，激光輻照區域表面層附近的聚合物會發生熔融、軟化，其樹脂基體熱解會形成不飽和碳氫分子，這些不飽和的碳氫分子經過一系列脫氫、聚合后，形成了炭黑，在輻照區域周圍可以明顯地看到有熔融焦化的聚合物析出，并覆蓋在原來的碳纖維表面上，會產生一定的高度。當納秒脈沖激光作用時，由于作用時間較短，溫度未到達環氧樹脂熱解熔融的溫度，對復合材料的損傷只是表層損傷，并未產生損傷深度，而在損傷區域周圍，會看到一些碳化物的堆積。

Fig.3 a—damage depth of carbon fiber epoxy resin with energy density of 20.5J/cm2under millisecond pulsed laser b—damage depth of carbon fiber epoxy resin with energy density of 20.5J/cm2under nanosecond pulsed laser

Fig.4 Relationship between damage depth of carbon fiber epoxy resin and energy density under millisecond/nanosecond pulsed laser

圖4為在毫秒/納秒脈沖激光作用下，碳纖維環氧樹脂的損傷深度隨能量密度的變化規律。由前面的分析可以得到，在毫秒脈沖激光作用下，碳纖維環氧樹脂的損傷深度隨激光能量密度的增大而增大，這是由于隨著激光能量密度的增大，材料表面中心產生了熔融損傷，并且深度逐漸增大。而在納秒脈沖激光作用下，由于作用時間較短，沒有一定的時間積累，碳纖維環氧樹脂沒有明顯的損傷深度，材料只是表層損傷，沒有產生一定的深度，損傷深度幾乎為0。

圖5為在毫秒/納秒脈沖激光作用下，碳纖維環氧樹脂表面析出的碳化物隨能量密度的變化規律。碳纖維環氧樹脂表面產生碳化物是由于在激光的熱作用下，激光輻照區域表面層附近的聚合物會發生熔融、軟化，其樹脂基體熱解會形成不飽和碳氫分子，這些不飽和的碳氫分子經過一系列脫氫、聚合后，形成了炭黑，覆蓋在輻照區域邊緣，會產生一定的高度。在這個過程中，材料熱膨脹也導致材料中心出現材料中心出現材料分層、纖維斷裂以及纖維凸起等高度變化，但高度并沒有輻照區域周圍殘炭積累的高度明顯。由圖5可知，碳化物的在輻照區域邊緣附著的高度隨著能量密度的增大逐漸升高。在相同能量密度下，毫秒脈沖作用下表面碳化物的高度比在納秒脈沖作用下高，這是由于毫秒脈沖激光對材料的損傷比較嚴重，表層材料斷裂、融化和分解產生的堆積也比納秒脈沖作用下的明顯。

Fig.5 Relationship between carbonized height of carbon fiber epoxy resin and energy density under millisecond/nanosecond pulsed laser

2.3 毫秒/納秒脈沖激光輻照碳纖維環氧樹脂損傷形貌研究

圖6為在毫秒脈沖激光作用下，碳纖維環氧樹脂的損傷形貌隨著能量密度的變化規律。由圖可知，在低能量密度下，碳纖維環氧樹脂的損傷面積較小，材料表面的熱反應區形狀呈橢圓型，并隨著能量密度的增加損傷面積逐漸變大。由于每層碳纖維環氧樹脂材料徑向和軸向的熱傳導系數均不同，而且主要成分碳纖維和環氧樹脂的熱物性差別很大，并且在材料表層以下的碳纖維采用單項的鋪層方式，在熱傳遞上有著很強的方向性，因此碳纖維環氧樹脂在毫秒脈沖激光輻照下，由于時間的積累，表現出了各向異性的燒蝕特征，表現為橢圓形狀的燒蝕區。

Fig.6 Damage morphology of carbon fiber epoxy resin with energy density under the action of millisecond pulsed laser

a—8.6J/cm2b—20.5J/cm2c—69.2J/cm2d—119.2J/cm2

在毫秒脈沖激光作用初期，由于材料吸收激光能量，碳纖維環氧樹脂復合材料表面溫度迅速升高，發生氧化、軟化和分解效應，同時表面樹脂基體焦化生成炭黑粉末，在材料表面產生多種成分混合的噴濺物。隨著能量密度的增大，可以觀察到材料表面纖維絲崩裂，并有熔覆現象，當局部溫度升高到樹脂基體熔點時，在熱源的作用下，激光輻照區域內層樹脂基體熱分解會形成不飽和碳氫分子，這些不飽和的碳氫分子經過一系列脫氫、聚合后，形成了炭黑，在輻照區域周圍可以明顯的看到熔融焦化的聚合物析出，并覆蓋在原來的碳纖維表面上。

隨著毫秒激光能量密度從低到高,依次出現的主要燒蝕現象為：(1)碳纖維環氧樹脂的表面樹脂基體焦化生成炭黑粉末的激光表面燒蝕現象；(2)碳纖維環氧樹脂內層樹脂材料熱分解的激光體燒蝕現象；(3)表面氣化燃燒的激光表面燒蝕現象。

Fig.7 Damage morphology of carbon fiber epoxy resin with energy density under the action of nanosecond pulsed laser

a—8.6J/cm2b—20.5J/cm2c—69.2J/cm2d—119.2J/cm2

圖7為在納秒脈沖激光作用下，碳纖維環氧樹脂的損傷形貌隨著能量密度的增大的變化規律。由圖7可知，碳纖維環氧樹脂的損傷面積隨著能量密度的增大逐漸增大。在納秒脈沖激光作用下，材料的損傷區域為圓形，這是由于損傷形式主要為表層損傷，并且納秒激光能量更好地分布在材料表面激光作用區周圍，而非只向單一方向延伸，因此可以觀察到損傷區域周圍有較明顯熱影響區。隨著能量密度的增大，激光能量在碳纖維復合材料表面上迅速沉積，樹脂基體裂解炭化程度加劇，在材料表面殘留的炭黑，在輻照區周圍會有聚合物沉積，并覆蓋在原來的碳纖維表面結構上。當能量密度達到119.2J/cm2時，由于納秒脈沖激光作用時間短而快，激光會對復合材料產生一定的沖力，當壓力足夠大時，材料內部的樹脂裂解，產生的氣體會對材料表層的碳纖維布有膨脹壓力的作用，當內部氣體向外膨脹可以沖開孔隙和表面聚合物的凝結力時，氣體將會噴出表層，對纖維造成一定的損傷，導致纖維結構斷裂，光斑中心會有明顯的纖維凸起。在此過程中，由于纖維樹脂不同屬性的材質之間熱膨脹系數的差異，由熱效應累積帶來的材料表面溫度梯度變化會導致表層碳纖維受到熱應力的影響，同時也會導致纖維斷裂。

與毫秒脈沖激光作用效果差異之處，納秒脈沖主要為表層損傷，作用時間短而快，損傷主要作用在碳纖維環氧樹脂表面，并沒有明顯損傷深度；而毫秒脈沖主要為熱損傷形式，會在損傷區域中心產生一定的溫度積累，對材料中心有一定的熱效應。

3 結 論

采用全自動變焦測量技術分析了在毫秒/納秒脈沖激光作用下碳纖維環氧樹脂復合材料的損傷形貌的變化。在納秒脈沖激光作用下，損傷面積的上升趨勢比較明顯；相比之下，在毫秒脈沖激光作用下，損傷面積隨能量密度變化比較緩慢平穩；在毫秒脈沖激光作用下，碳纖維環氧樹脂復合材料出現了表面樹脂焦化、內層樹脂熱分解、表面氣化燃燒等現象，損傷深度及碳化物高度隨著激光能量密度增大而增大；由于納秒脈沖激光作用時間短而快，損傷形式主要為表層損傷，隨著能量密度的增大，在碳纖維環氧樹脂內部產生的氣向外膨脹，以及表層碳纖維受到熱應力的影響，導致纖維結構斷裂。