飞秒激光对玻璃钢表面的烧蚀特性试验研究_何宗泰.pdf

飞秒激光对玻璃钢表面的烧蚀特性试验研究：.飞秒激光对玻璃钢表面的烧蚀特性试验研究何宗泰，刘可欣，刘 鸣，刘 顿，杨奇彪（湖北工业大学 机械工程学院，武汉）摘要：玻璃钢因其优良的透波性和介电性能而被广泛应用于雷达设备的容器或外壳的制造。为了对玻璃钢表面进行精密加工，采用波长为 的飞秒脉冲激光对玻璃钢表面进行刻蚀，研究了不同激光能量密度、扫描速度以及刻蚀次数对玻璃纤维增强树脂基复合材料表面的烧蚀效果。研究发现飞秒激光对玻璃钢的烧蚀状态可分为弱烧蚀与强烧蚀，且强烧蚀状态可在弱烧蚀的基础上演变形成。弱烧蚀状态时，激光对材料的去除机制主要为热解汽化，热影响较小，加工后的表面能够维持部分原始组织结构与化学性质。当激光能量密度、光斑重叠率或扫描次数增加后，材料表面的热累积效应增强，加剧了材料的消融率，形成强烧蚀状态，烧蚀后材料表面组织结构与化学性质发生改变，碳化现象显著。关键词：飞秒激光；玻璃钢；材料烧蚀中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：作者简介：何宗泰（），男，硕士研究生，研究方向为超快激光加工。通讯作者：刘顿（），男，博士，教授，研究方向为超快激光与光场调控，.。玻璃纤维增强树脂基复合材料（简称玻璃钢）具有优良的透波性与介电性能，被广泛用于制造雷达设备的容器或外形蒙皮。在复杂的电磁环境中，需要在玻璃钢表面加工微型槽用于埋设特殊电路，以满足电磁兼容的需求。然而玻璃钢具有非均质性与各向异性，导致传统机械加工手段难以实现微型槽的精密刻蚀。激光作为一种非接触加工手段，可满足高精度加工的需求。等研究了碳纤维复合材料的层合结构在连续激光辐照下的烧蚀特性，发现材料表面非单调温升和热影响区的形状与层合结构的热流密度有关；等使用紫外纳秒激光分别对碳纤维和玻璃纤维增强树脂基复合材料进行烧蚀，验证了激光对纤维增强复合材料精密加工的可行性；彭国良等提出了激光对玻璃钢力学剥蚀的模型和判据，结果表明力学剥蚀过程可有效降低烧蚀穿孔所需能量。在各种不同脉冲宽度的激光中，飞秒激光由于脉冲持续时间极短，可输出极高的峰值功率。同时，年 月复合材料科学与工程由于脉冲持续时间一般小于材料内部晶格热传导时间，因此加工热效应极低，易获得高质量的加工效果。基于上述原因，飞秒激光在复合材料精密加工领域的应用得到了许多国内外学者的关注。等使用飞秒激光对 复合材料表面进行抛光，结果表明随着激光入射角的增加，抛光质量显著提高。等以及邱一等对飞秒激光在碳纤维增强树脂基复合材料的热累积效应进行研究，分别构建了热累积理论模型并发现了脉冲能量与重复频率对热累积的影响趋势。目前在飞秒激光加工复合材料领域，已积累了包括作用机制、理论模型和参数影响在内的一些研究成果，但关于飞秒激光对玻璃钢表面的烧蚀研究仍鲜有报道。本文采用飞秒激光对玻璃钢表面进行扫描刻蚀，并对不同参数下的烧蚀结果进行了分析，为减少玻璃钢表面的烧蚀碳化效应、优化精密加工工艺提供参考。试验设备与方法试验所使用的材料为 的 黄色环氧树脂玻璃钢板材，其中玻璃纤维为二维平织结构，纤维间交织角度为，由若干层叠的预浸料在热压罐中固化成型。如图 所示，试验采用的飞秒激光加工系统主要由激光器、扩束镜、扫描振镜、平场透镜、轴升降台以及计算机控制终端等部分组成，其中飞秒激光器（）的主要参数如表 所示。轴升降台的运动精度在 以内，使靶材表面处于激光焦深范围内。试验所加工的直线槽尺寸为 .，焦平面上的激光光斑直径约 。考虑到加工边缘质量与加工效率，使用图 中所示的“几”字型填充方式进行激光扫描。图 飞秒激光加工系统部分装置与加工方式示意图.表 飞秒激光器主要参数 波长 平均功率 重复频率 脉冲宽度 光束质量 光斑圆度 采用 透反偏光显微镜（公司）测量激光烧蚀的凹坑直径，用 形状测量激光显微系统（公司）测量并合成加工表面的三维形貌，用 型扫描电子显微镜（公司）观测样品微观组织结构，用 傅里叶变换红外光谱仪（公司）检测样品表面的化学成分。结果与讨论.烧蚀阈值测算为了寻找合理的激光烧蚀能量密度区间，采用面积推算法测算该型飞秒激光器加工玻璃钢的烧蚀阈值。根据飞秒脉冲激光能量呈高斯分布的特性，光束能量密度与截面半径之间的关系为：（）（）其中：为光束的束腰半径，；为激光平均功率，；为脉冲重复频率，；设直径为 的烧蚀区域外轮廓的能量密度为，则：（）由式（）可得 与 之间存在如下关系：（）式（）是一条关于 的直线，当烧蚀区域直径减小至 时，所对应的能量密度即为材料的烧蚀阈值：（）其中，为此时的激光平均功率值。根据上述关系式在不同激光功率下对测试数据进行整理，材料烧蚀孔径的平方与激光功率对数的关系如图 所示，计算得出材料表面的烧蚀阈值为.，与 等测得的结果相近。年第 期飞秒激光对玻璃钢表面的烧蚀特性试验研究图 加工孔径的平方与激光功率对数的关系曲线.烧蚀形貌分析设置飞秒激光的脉冲重复频率为 ，并分别在不同能量密度、扫描速度 和扫描次数 的条件下，采用图 所示的扫描方式对玻璃钢材料表面进行刻蚀。如图（）所示，在 的条件下，当.时，刻蚀底面与原始表面的平均高度差为.，材料表面的树脂层被均匀剥离，底面平整且刻蚀边缘整齐；当 .时，刻蚀底面与原始表面的平均高度差为.，底面出现若干形状与位置分布均无规则的凹坑，刻蚀边缘出现圆角但整体直线度保持良好，这是由于激光脉冲能量提高后，光斑内能量密度超过材料烧蚀阈值的区域增大，对材料产生了更大的有效刻蚀面积，在若干光斑的排列与叠加下形成了如图（）所示的刻蚀形貌。如图（）所示，在.的条件下，相邻光斑间的重叠率提高。当.时，刻蚀底面与原始表面的平均高度差为.，其底部凹坑呈等距排列，且刻蚀边缘出现周期性波浪状条纹。分析产生该现象的原因是激光传递至靶材的热量在 与 方向排列的纤维中传导率不同，热量容易在导热率较差的位置累积，对树脂产生消融。当光斑重叠率提高后，热累积效应增强，从而扩大了刻蚀边缘处的热影响区。如图（）所示，当扫描次数增加至 次后，激光作用区内已无法建立刻蚀底面基准，其高度差最大值达到.。此时刻槽内有大量烧蚀产物填充，刻蚀边缘的烧蚀现象显著。图 刻蚀面的三维形貌.进一步采用扫描电子显微镜对上述不同参数下进行激光刻蚀后的样品进行表征。由图（）可观察到材料表面激光作用区边缘处的树脂层变化情况：原始表面的树脂层光滑平整，当激光作用于其表面后，树脂层发生了热解，形成页岩状不规则的碎裂边缘，且边缘未见明显的热熔痕迹，这是由于飞秒激光脉冲作用时间极短，受到高峰值功率的激光脉冲作用后树脂瞬间热解汽化，热量未及时传导至激光作用区周围，使周围材料仍保持受热分解前的固态。在激光作用区内可见树脂剥离后露出了下层的玻璃纤维，此时玻璃纤维未发生明显断裂，纤维间排列紧密。如图（）所示，当能量密度增加至.后，纤维上的大部分树脂分解，少量树脂残留物呈融雪状沉积于玻璃纤维表面。玻璃纤维在激光的辐照下发生断裂，断口粗糙无规则，部分区域发生了纤维 树脂脱黏。不同于图（）的树脂剥离效果，当激光能量密度降低但光斑重合度提高时，纤维表面残留的树脂呈絮状且出现了收缩聚积的趋势，如图（）所示，此时可见纤维断裂面大多光滑平整。如图（）所示，在 .，.的参数下连续刻蚀 次后，树脂发生了显著的烧蚀碳化，烧蚀产物聚缩成若干大体积凝团，造成了如图（）中所示刻槽阻塞的现象。此时可见树脂下方的玻璃纤维不再致密排列，出现了明显间隙，这是由于树脂受热膨胀、分解后，玻璃纤维失去了支撑与保护，并在碳化物的排挤下分散为若干独立纤维。在此状态下，若继续增加激光刻蚀次数，激光受碳化物凝团的阻碍将无法继续对材料进行有效刻蚀，且碳化物对激光的吸收率更高，在热累积效应的影响下，将加剧材料烧蚀现象，进一步降低刻槽质量。年 月复合材料科学与工程图 材料在不同参数下刻蚀后的表面微观形貌及其局部放大.傅里叶变换红外光谱检测（）使用上述参数在玻璃钢表面 的区域内分别进行激光扫描，并与原始表面进行比较，测得 光谱结果如图 所示。图 不同参数刻蚀后的材料表面红外光谱.由图 可知，谱线 中波数 处有一宽吸收峰，为缔合羟基的吸收，处为上的 键不对称伸缩振动吸收峰，处为=伸缩的特征峰。指纹区内 、和.处分别为 中 的剪式振动、的振动吸收、的伸缩振动和 的弯曲振动。上述几个位置的吸收峰在谱线 中仍有相同趋势的反映，但吸收峰强度有所降低，而在谱线、中未观察到明显波峰。产生该现象的原因是激光作用后材料内有机主链、侧链或化学键被打断，分解为小分子结构或无机产物。谱线、中.处为环氧基团的特征峰，但谱线 未观察到该峰，说明在前两者的参数下进行激光刻蚀后，刻蚀面位于纤维 树脂结合界面，此时环氧树脂的基本结构未受明显损伤，而后者发生了剧烈热解，表面的主要有机结构在热解中基本分解。结 论（）飞秒激光对玻璃钢的烧蚀状态可分为弱烧蚀与强烧蚀，且强烧蚀状态可在弱烧蚀的基础上演变形成。（）弱烧蚀状态时，激光对材料的去除机制主要为热解汽化，热影响较小，加工后的表面能够维持部分原始组织结构与化学性质。（）当激光能量密度、光斑重叠率或扫描次数增加后，材料表面的热累积效应增强，加剧了材料的消融率，形成强烧蚀状态，烧蚀后材料表面组织结构与化学性质发生改变，碳化现象显著。参考文献 李义全，王继艳，王海龙，等 高频透波玻璃钢天线罩性能的研究 玻璃钢 复合材料，（）：徐鹤，田桂芝，王琦 纤维增强复合材料的机械加工技术现代制造技术与装备，（）：，：，：彭国良，张相华，高银军，等 激光辐照玻璃纤维 环氧树脂复合材料的力学剥蚀研究 中国激光，（）：，：，（）：（下转第 页）年第 期石墨烯及其复合材料摩擦学研究进展 ，：（），（）：，（）：（），（）：（），（），（）：（），：，：（）胡超，徐静，余家欣，等 氧化石墨烯 聚酰亚胺复合材料摩擦学行为及机理研究 摩擦学学报，：，：（），：，：（），：，：，：，（）：李迎春，程蓓，邱明，等 不同石墨烯添加量下基复合涂层的摩擦磨损及耐腐蚀性能 中国机械工程，：，：，（）：（），：（）（上接第 页），：，（）：，（）：邱一，刘壮，李元成，等 飞秒激光扫描去除 复合材料的热累积分析 应用激光，（）：，：，（）：，（）：刘卫平，吕玉伟，吴丽雄，等 玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减的数值模拟 红外与激光工程，（）：胡飞燕，胡景，任碧野 灌封高折光指数有机硅树脂的制备与性能 化工进展，（）：，（）：潘彦斌，赵勇，张福义 红外指纹区特点及解析 现代仪器，（）：王吉中，陈安国，李文宣 用红外吸收光谱法研究海泡石的热相变 河北地质学院学报，（）：，年 月