基于激光技术的碳纤维材料加工研究

李全东+吴同同

（材料科学与工程学院 东北大学 辽宁沈阳 110819）

摘要：本文介绍了激光技术在打孔、切割、焊接等应用，以及激光表面改性等新技术， 并对激光技术发展进行展望。碳纤维作为一种新型材料，在很多领域都是十分重要多功能工程材料，在航空航天领域尤为如此，有巨大的应用价值，但是我国的碳纤维材料研究进展缓慢，加工工艺并没有系统研究。碳纤维材料的质量轻硬度大的优势，完全替代了传动手工业材料的细致加工的需求，结合短脉冲激光的优势，本文将探索包括优质高效的加工工艺条件、相互作用机理。探究不同脉冲宽度的激光对碳纤维材料加工效果的影响的同时，找到兼顾加工效率的加工参数。依靠对碳纤维材料加工的结果，对激光重频、扫描次数、速度碳纤维材料基本加工的结果，分析得出：飞秒脉冲激光与材料相互作用过程中，利用产生的等离子体，有利于实现高精度加工；而纳秒脉冲激光能量使材料结构复杂化，实现复合材料韧化； 功能一体化，结构材料和功能材料的相互渗透、综合集成； 高性能化， 进一步提高比强度、比模量； 智能化， 材料、结构和电子相互融合； 低成本化， 从过去主要关心性能与质量转到降低成本， 强调低成本生产技术。关键词：激光技术； 碳纤维材料；材料加工；

关鍵词：激光技术 碳纤维材料 激光加工

1 激光加工技术的特点和应用现状

激光作为20 世纪人类的四大发明之一、高新技术的重要组成部分，是 20 世纪科学技术发展的里程碑、现代信息社会产业的重要支柱。21 世纪已进入光电子时代 ，作为能量光电子、激光技术的进步， 将极大改变人类的生产生活。激光加工因实现了光 、机 、电技术结合，是一种先进的制造技术，目前正处于向传统制造技术工艺过度，积极渗透的阶段， 如已广泛应用于汽车、电子、机械制造等重要部门，且在提高质量、劳动生产率，减少消耗，减少污染等起到愈来愈重要的作用 。

1.1激光加工技术的主要特点

激光材料加工与常规热加工相比，有下述主要特点：（1）激光加工能量高及移动速度可调的特殊属性，导致可以实现多种加工；（2）激光可对多种金属、非金属进行加工，特别是可加工高硬度、高脆性材料；（3）激光加工过程中，无磨损，无“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，故对非加工表面影响极小，同时其热影响区小、后续加工量小；（5）激光束易导向，进而实现各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，而且这是一种极为灵活的加工方法；（6）可透过透明介质对密闭容器内的工件进行加工；（7）生产率高，加工质量可靠，经济效益和社会效益好。

1.2激光加工技术的应用概况

德国为了推广激光加工技术，建立9个国家级激光中心的同时，还简历了激光加工站；如大众汽车厂建立了齿轮激光加工生产线，奔驰汽车厂房安装了激光加工生产线。

美国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80亿美元，加工站数量已超过1765家。激光切割和焊接等在日本电子、电机、汽车、车辆零部件、OA机器等小件、大批量生产中也得到了迅速发展。我国于20世纪90年代初，在武汉建立了国家级的激光加工工程研究中心，为了在全国起到示范和推广。北京、上海等地与国家部委联合建立了激光加工工程研究中心。例如，天津冷轧薄板厂，采用激光毛化等先进技术，使面临倒闭的企业起死回生 ，出口创汇数千万美元；又如西安内燃机配件厂建立了12条缸套激光热处理生产线，已在全国范围推广。发展激光产业将带动传统工业的改造和发展。我国目前还只有130～140家激光加工站，有必要加大推广力度。

总体而言，激光加工技术在20世纪，激光问世不久，就得到人们的重视，经过40多年的发展，现已成为先进制造技术的代名词，在美国、欧洲和日本，高功率激光切割机的装机量都大大超过了一万台，德国大众汽车厂，用于制造的激光机械手多达475台，我国长江实业公司的封装生产线，上也装备了近百台激光标记机。全球激光加工设备市场2000年起受经济萧条的影响，增长速度随着世界经济复苏有所增强，于2004年又迅速回升。我国激光加工设备的销售额增长更快，尤其是从2000年开始到2004年已超过了15亿元人民币，但仍只占全球销售额的5%，这对一个制造大国来说是不相称的的激光加工技术，改造传统的制造工艺，提升我国的制造水平力争成为制造强国。

2 碳纤维材料国内外研究应用现状

在20世纪60年代中期才发展起来的碳纤维结构材料备受欢迎。碳纤维材料依照其碳纤维根据基础原料不同，可以分为三大类：以聚丙烯腈、基碳纤维、基碳纤维、粘胶基碳纤维。由于在力学性能方面，基碳纤维要远远优于沥青基和粘胶、基碳纤维在全世界的碳纤维生产成为当前碳纤维工业发展的主流和主要研究方向。

2.1国内外研究现状总结

从国内外现状可以看出，碳纤维材料由于其独特的特性，特别是航空航天领域，有极大的需要，但是几乎所有重要技术和生产的产量随着需求的增长和碳纤维材料对军工领域的重要性，使针对其研究要求越来越迫切。针对碳纤维材料加工的研究大多数也是基于传统机械加工的工艺参数进行优化以及长脉冲激光加工，已经成为激光加工重要方向。本文所研究的碳纤维材料其硬度极大，传统的加工手段结合短脉冲加工的优势，兼顾效率与质量的最佳加工参数。

3激光与材料相互作用机理分析 飞秒脉冲激光加工碳纤维材料产生等离子体光谱分析

3.1 飞秒脉冲激光加工碳纤维材料产生等离子体光谱分析

在脉冲加工碳纤维材料过程中，会产生明亮的等离子体如图1所示，等离子体会吸收入射激光的大部分能量，使入射激光自由电子通过逆韧致辐射吸收激光能量，并将这些能量或离子受激电离，动能增加电子数量也随之增加，以此方式提高了材料的吸收能力。对等离子体光谱可以得出飞秒脉冲激光作用机制。等离子体的光谱由热电子的韧致辐射和电子与离子的复合辐射产生的，线状谱线由原子或离子束缚态之间的电子跃迁产生，辐射光的频率由跃迁的能级差决定。endprint