01
Rhagymadrodd
Mae Polymerau wedi'u Atgyfnerthu â Ffibr Carbon (CFRP) yn cynnwys resin sy'n gweithredu fel deunydd cyfnod matrics a ffibrau carbon sy'n gwasanaethu fel deunydd y cyfnod atgyfnerthu. Trwy gyfuno priodweddau materol y matrics resin a'r atgyfnerthu ffibr carbon, mae CFRP yn arddangos nodweddion megis pwysau ysgafn, ymwrthedd cyrydiad, ymwrthedd gwisgo, a chaledwch uchel. O ganlyniad, mae'n cael ei ddefnyddio'n eang mewn meysydd lle mae galw mawr am ysgafnhau strwythurol-fel awyrofod, y diwydiant modurol, adeiladu llongau llyngesol, cynhyrchu ynni gwynt, a pheirianneg sifil. Mae'r prif ddulliau gweithgynhyrchu ar gyfer deunyddiau CFRP yn cynnwys Mowldio Trosglwyddo Resin (RTM), mowldio awtoclaf, mowldio bagiau gwactod, a dirwyn ffilament; mae'r dulliau hyn yn galluogi strwythurau CFRP i gael eu cynhyrchu trwy brosesu siâp bron. Fodd bynnag, mewn cymwysiadau diwydiannol ymarferol, mae angen prosesu eilaidd CFRP yn nodweddiadol i gyflawni'r geometreg rhan a ddymunir-gan gynnwys nodweddion megis tyllau, slotiau, a rhigolau cydosod-ac i fodloni'r cywirdeb dimensiwn a'r goddefiannau ffurf a nodir yn y dyluniad rhan. Oherwydd y gwahaniaethau sylweddol mewn priodweddau thermol a mecanyddol rhwng y ffibrau carbon atgyfnerthu a'r resin matrics o fewn CFRP, mae'r prosesu eilaidd hwn yn cyflwyno heriau sylweddol ac yn dueddol o ddioddef diffygion amrywiol, gan arwain yn aml at ansawdd prosesu dan fygythiad. Felly, er mwyn bodloni gofynion dimensiwn a pherfformiad y cydrannau terfynol, mae'n hollbwysig ymchwilio i dechnolegau prosesu ar gyfer deunyddiau CFRP ac archwilio dulliau prosesu o ansawdd uchel, effeithlonrwydd uchel.
02
Mecanweithiau Tynnu Deunydd mewn Prosesu Laser
Gydag ymddangosiad deunyddiau peirianneg uwch sydd â phriodweddau ffisegol cymhleth-fel Polymerau Atgyfnerthedig â Ffibr Carbon (CFRP)-mae cystadleurwydd peiriannu mecanyddol traddodiadol, peiriannu jet dŵr, a pheiriannu gollwng trydanol wedi lleihau'n raddol. Mewn prosesu laser, mae tynnu deunydd yn sylfaenol yn cynnwys amsugno, ymateb a throsglwyddo ynni laser o fewn y deunydd. Yn ystod y broses hon, mae'r laser yn arbelydru arwyneb y deunydd, ac mae electronau'n amsugno'r egni ffoton. Yn dilyn hynny, mae trosglwyddiad egni yn digwydd trwy wrthdrawiadau electronau, gan arwain at gynnydd yn y tymheredd dellt a gostyngiad yn nhymheredd yr electronau nes bod ecwilibriwm thermol wedi'i sefydlu rhwng yr electronau a'r dellt. Fodd bynnag, oherwydd bod tymheredd sychdarthiad ffibrau carbon (~ 3600 K) tua phum gwaith yn fwy na'r matrics resin (~800 K), mae'r mewnbwn ynni sydd ei angen i dynnu'r ffibrau carbon yn sylweddol uwch na'r hyn sy'n ofynnol ar gyfer y resin. Ar ben hynny, oherwydd dargludedd thermol anisotropig ffibrau carbon, mae'r gwres a gynhyrchir yn ystod y broses sychdarthiad ffibr carbon yn cael ei ledaenu'n ffafriol i'r matrics resin, gan arwain at ddadelfennu resin a ffurfio sylweddau niweidiol. Mae ymchwilwyr wedi cynnig mecanwaith tynnu dau gam ar gyfer CFRP: pyrolysis a achosir gan laser a diblisgo thermomecanyddol. Mae'r plasma a gynhyrchir yn ystod cam cychwynnol abladiad deunydd yn amsugno gwres ac yn cynhyrchu siocdonnau thermol cyfeiriadol. Mae'r ffibrau carbon sy'n dod i'r amlwg yn ystod y prosesu yn destun grymoedd cneifio rheiddiol, gan arwain at dorri asgwrn brau a datgysylltu deunyddiau.
Pan fydd hyd pwls y laser yn gostwng o dan 10 ps, mae hyd y pwls yn dod yn fyrrach na'r amser ymlacio dellt electron, gan achosi i'r mecanwaith tynnu deunydd wyro oddi wrth abladiad thermol traddodiadol. Dangosir y mecanwaith prosesu yn Ffigur 2: mae'r deunydd resin yn arddangos dargludedd trydanol gwael a nifer gyfyngedig o electronau rhydd, gyda bwlch band egni o 2-4 eV; i'r gwrthwyneb, mae gan y ffibr carbon ddargludedd trydanol da ac mae'n cynnwys swm penodol o electronau rhydd. Yn ystod arbelydru laser, mae electronau rhydd o fewn y ffibr carbon yn amsugno'r egni laser yn uniongyrchol, gan arwain at gynnydd yn nhymheredd y system electronau. Pan fo egni un ffoton yn is na bwlch band y resin, cynhyrchir electronau rhydd trwy'r mecanwaith ïoneiddiad amlffoton (MPI), fel y dangosir yn Ffigur 2(b). Pan fydd egni un ffoton yn fwy na'r bwlch band, mae ïoneiddiad ffoton sengl yn dominyddu'r mecanwaith cyffroi electronau. Mae'r electronau rhydd a gynhyrchir yn gwrthdaro ag electronau rhwymedig, gan drosglwyddo egni trwy ïoneiddiad trawiad; mae hyn yn sbarduno ïoneiddiad eirlithriadau-fel y dangosir yn Ffigur 2(c)-sy'n cynyddu dwysedd electronau rhydd yn sylweddol. Yn ystod y cyfnod arbelydru laser pwls ultrashort, mae'r tymheredd dellt yn newid yn araf oherwydd syrthni thermol, tra bod tymheredd y system electronau yn codi'n gyflym. Mae'r trawsnewidiadau cyfnod dan sylw yn cynnwys trawsnewidiadau cyfnod nad ydynt yn-thermol a thermol. Os yw'r egni ffoton laser yn ddigon uchel, mae'r electronau'n amsugno digon o egni i oresgyn grymoedd rhwymo Coulomb y niwclysau atomig, gan arwain at ïoneiddiad thermol a gadael nifer fawr o ïonau positif ar ôl. Mae'r ïonau positif hyn yn gwrthyrru ei gilydd oherwydd grymoedd Coulomb, gan arwain at "ffrwydrad Coulomb" ac abladiad electrostatig-proses a elwir yn "abladiad oer"-fel y dangosir yn Ffigur 2(d). Wrth i wasgariad egni dellt electronau ddigwydd yn barhaus, mae'r tymheredd dellt yn codi'n raddol, ac mae dargludiad gwres yn digwydd rhwng y ffibr carbon a'r resin, fel y dangosir yn Ffigur 2(e). O ganlyniad, pan fydd y tymheredd yn uwch na throthwy penodol, mae trawsnewidiadau gwedd thermol megis anweddu a ffrwydrad gwedd yn digwydd, gan gynhyrchu tymheredd uchel, pwysedd uchel a phlasma dwysedd uchel sy'n cael ei daflu allan o'r wyneb, gan gludo gwres a phrosesu malurion.
Mae diffygion o fewn y parth yr effeithir arno gan wres (HAZ) yn cyfeirio at ranbarthau o fewn y CFRP lle mae newidiadau eiddo lleol yn digwydd o ganlyniad i ryngweithiadau deunydd laser, yn ogystal â heterogenedd cynhenid ac anisotropi y deunydd. Mae'r newidiadau hyn yn cwmpasu anweddiad anffurf a diraddio thermol y resin matrics, yn ogystal ag amlygiad y ffibrau carbon. Mae pelydr laser Gaussian yn cynhyrchu dosbarthiad egni gofodol nad yw'n unffurf, ac mae effeithiau trylediad thermol yn achosi i'r deunydd CFRP gynhesu yng nghyffiniau'r parth prosesu. Yn y rhanbarth penodol hwn, mae'r ynni thermol yn fwy na'r trothwy sy'n ofynnol ar gyfer dadelfennu'r matrics resin ond yn parhau i fod yn is na'r trothwy sy'n ofynnol ar gyfer tynnu'r ffibrau carbon. Mae hyn yn arwain at ddirywiad yn eiddo'r resin ac amlygiad lleol y ffibrau carbon. O fewn y parth hwn, mae dargludiad gwres yn cynhesu'r resin a'r ffibrau carbon. Oherwydd y gwahaniaeth sylweddol rhwng tymheredd anweddiad y resin a'r ffibrau carbon, mae'r resin yn y rhanbarth hwn yn anweddu tra bod y ffibrau carbon yn methu â chyrraedd eu tymheredd anweddu, gan arwain at amlygiad y ffibrau carbon.
