01
Sissejuhatus
Süsinikkiududega tugevdatud polümeerid (CFRP) koosnevad vaigust, mis toimib maatriksifaasi materjalina, ja süsinikkiududest, mis toimivad tugevdusfaasi materjalina. Kombineerides nii vaigumaatriksi kui ka süsinikkiust tugevduse materjaliomadusi, on CFRP-l sellised omadused nagu kerge kaal, korrosioonikindlus, kulumiskindlus ja kõrge kõvadus. Sellest tulenevalt kasutatakse seda laialdaselt valdkondades, kus on suured nõudmised konstruktsiooni kergeks muutmiseks-, nagu lennundus, autotööstus, mereväe laevaehitus, tuuleenergia tootmine ja tsiviilehitus. CFRP materjalide peamised tootmismeetodid hõlmavad vaigu ülekandevormimist (RTM), autoklaavivormimist, vaakumkotti vormimist ja hõõgniidi mähimist; need meetodid võimaldavad CFRP-struktuure toota peaaegu-net-kujutöötluse kaudu. Kuid praktilistes tööstuslikes rakendustes on CFRP sekundaarne töötlemine tavaliselt vajalik, et saavutada soovitud detaili geomeetria,{7}}sealhulgas sellised omadused nagu augud, pilud ja montaažisooned- ning täita detaili konstruktsioonis määratud mõõtmete täpsust ja vormitolerantse. CFRP-s sisalduvate tugevdavate süsinikkiudude ja maatriksvaigu termiliste ja mehaaniliste omaduste oluliste erinevuste tõttu kujutab see sekundaarne töötlemine märkimisväärseid väljakutseid ja on altid erinevatele defektidele, mille tulemuseks on sageli töötlemise kvaliteet. Seetõttu on lõppkomponentide mõõtmete ja jõudluse nõuete täitmiseks ülimalt oluline uurida CFRP materjalide töötlemistehnoloogiaid ning uurida kvaliteetseid ja tõhusaid töötlemismeetodeid.
02
Materjali eemaldamise mehhanismid lasertöötluses
Keeruliste füüsikaliste omadustega täiustatud tehniliste materjalide -nagu süsinikkiust tugevdatud polümeerid (CFRP)-tekkimisega on traditsioonilise mehaanilise töötlemise, veejoaga töötlemise ja elektrilahendusega töötlemise konkurentsivõime järk-järgult vähenenud. Lasertöötluses hõlmab materjali eemaldamine põhimõtteliselt laserenergia neeldumist, reageerimist ja ülekandmist materjali sees. Selle protsessi käigus kiiritab laser materjali pinda ja elektronid neelavad footoni energiat. Seejärel toimub energiaülekanne elektron-võre kokkupõrgete kaudu, mille tulemuseks on võre temperatuuri tõus ja elektronide temperatuuri langus, kuni elektronide ja võre vahel on saavutatud termiline tasakaal. Kuna aga süsinikkiudude sublimatsioonitemperatuur (~3600 K) on ligikaudu viis korda kõrgem vaigumaatriksi omast (~800 K), on süsinikkiudude eemaldamiseks vajalik energiasisend oluliselt suurem kui vaigu jaoks vajalik. Lisaks levib süsinikkiudude anisotroopse soojusjuhtivuse tõttu süsinikkiudude sublimatsiooniprotsessi käigus tekkiv soojus eelistatavalt vaigumaatriksisse, mis viib vaigu lagunemiseni ja kahjulike ainete moodustumiseni. Teadlased on välja pakkunud kaheetapilise CFRP eemaldamise mehhanismi: laser{12}indutseeritud pürolüüs ja termomehaaniline koorimine. Materjali ablatsiooni algfaasis tekkiv plasma neelab soojust ja tekitab suunatavaid termilisi lööklaineid. Töötlemise ajal eksponeeritud süsinikkiud on allutatud radiaalsetele nihkejõududele, mille tulemuseks on rabedad purunemised ja materjali eraldumine.
Kui laserimpulsi kestus langeb alla 10 ps, muutub impulsi kestus lühemaks kui elektronvõre relaksatsiooniaeg, mistõttu materjali eemaldamise mehhanism erineb traditsioonilisest termilisest ablatsioonist. Töötlemismehhanismi on illustreeritud joonisel 2: vaigumaterjalil on halb elektrijuhtivus ja piiratud arv vabu elektrone, energia ribalaius on 2–4 eV; vastupidi, süsinikkiul on hea elektrijuhtivus ja see sisaldab teatud koguses vabu elektrone. Laserkiirguse ajal neelavad süsinikkius olevad vabad elektronid otse laserenergiat, mille tulemuseks on elektronsüsteemi temperatuuri tõus. Kui ühe footoni energia on madalam kui vaigu ribalaius, genereeritakse vabad elektronid multifotoni ionisatsiooni (MPI) mehhanismi kaudu, nagu on näidatud joonisel 2(b). Kui üksiku footoni energia ületab ribalaiuse, domineerib elektronide ergastusmehhanismis üksiku{10}}fotoni ionisatsioon. Tekkinud vabad elektronid põrkuvad seotud elektronidega, kandes energiat löögiionisatsiooni kaudu; see käivitab laviini ionisatsiooni-nagu on kujutatud joonisel 2(c)-, mis suurendab oluliselt vabade elektronide tihedust. Ultralühikese-impulsslaseriga kiiritamise faasis muutub võre temperatuur termilise inertsi tõttu aeglaselt, samal ajal kui elektronsüsteemi temperatuur tõuseb kiiresti. Kaasatud faasisiirete hulka kuuluvad nii mitte-termilised kui ka termilised faasisiirded. Kui laseri footoni energia on piisavalt kõrge, neelavad elektronid piisavalt energiat, et ületada aatomituumade Coulombi sidumisjõud, mis viib termilise ionisatsioonini ja jätab maha suure hulga positiivseid ioone. Need positiivsed ioonid tõrjuvad üksteist Coulombi jõudude toimel, mille tulemuseks on "Coulombi plahvatus" ja elektrostaatiline ablatsioon, -mida nimetatakse "külmablatsiooniks"-, nagu on näidatud joonisel 2(d). Kuna elektron-võre energia hajumine toimub pidevalt, tõuseb võre temperatuur järk-järgult ning süsinikkiu ja vaigu vahel toimub soojusjuhtivus, nagu on näidatud joonisel 2(e). Järelikult, kui temperatuur ületab teatud läve, tekivad termilised faasisiirded-nagu aurustumine ja faasiplahvatus-, mis tekitavad kõrge temperatuuri, kõrge rõhu ja suure tihedusega plasma, mis eemaldatakse pinnalt ja töödeldakse soojust.
Kuumus{0}}mõjutatud tsoonis (HAZ) esinevad defektid viitavad CFRP-i piirkondadele, kus lokaliseeritud omaduste muutused toimuvad materjalide laser-interaktsioonide, aga ka materjali loomuliku heterogeensuse ja anisotroopia tõttu. Need muutused hõlmavad maatriksvaigu ebaühtlast aurustumist ja termilist lagunemist, samuti süsinikkiudude kokkupuudet. Gaussi laserkiir tekitab ebaühtlase ruumilise energiajaotuse ja termilise difusiooniefektid põhjustavad CFRP materjali kuumenemist töötlemistsooni läheduses. Selles konkreetses piirkonnas ületab soojusenergia vaigumaatriksi lagunemiseks vajaliku läve, kuid jääb allapoole süsinikkiudude eemaldamiseks vajalikku läve. See toob kaasa vaigu omaduste halvenemise ja süsinikkiudude lokaalse kokkupuute. Selles tsoonis soojendab soojusjuhtivus nii vaiku kui ka süsinikkiude. Vaigu ja süsinikkiudude aurustumistemperatuuride olulise erinevuse tõttu aurustub vaik selles piirkonnas, samal ajal kui süsinikkiud ei saavuta oma aurustumistemperatuuri, mille tulemuseks on süsinikkiudude kokkupuude.
