01
pengenalan
Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) terdiri daripada resin yang bertindak sebagai bahan fasa matriks dan gentian karbon berfungsi sebagai bahan fasa tetulang. Dengan menggabungkan sifat bahan kedua-dua matriks resin dan tetulang gentian karbon, CFRP mempamerkan ciri-ciri seperti berat ringan, rintangan kakisan, rintangan haus dan kekerasan yang tinggi. Akibatnya, ia digunakan secara meluas dalam bidang yang mempunyai permintaan kukuh untuk pemberat ringan struktur-seperti aeroangkasa, industri automotif, pembinaan kapal tentera laut, penjanaan kuasa angin dan kejuruteraan awam. Kaedah pembuatan utama untuk bahan CFRP termasuk Resin Transfer Molding (RTM), pengacuan autoklaf, pengacuan beg vakum dan penggulungan filamen; kaedah ini membolehkan struktur CFRP dihasilkan melalui pemprosesan bentuk hampir-bersih-. Walau bagaimanapun, dalam aplikasi industri praktikal, pemprosesan sekunder CFRP biasanya diperlukan untuk mencapai geometri bahagian yang diingini-termasuk ciri seperti lubang, slot dan alur pemasangan-dan untuk memenuhi ketepatan dimensi dan toleransi bentuk yang dinyatakan dalam reka bentuk bahagian. Disebabkan oleh perbezaan ketara dalam sifat terma dan mekanikal antara gentian karbon tetulang dan resin matriks dalam CFRP, pemprosesan sekunder ini memberikan cabaran yang besar dan terdedah kepada pelbagai kecacatan, selalunya mengakibatkan kualiti pemprosesan terjejas. Oleh itu, untuk memenuhi keperluan dimensi dan prestasi komponen akhir, adalah amat penting untuk menyiasat teknologi pemprosesan untuk bahan CFRP dan meneroka kaedah pemprosesan-berkualiti tinggi,{12}}tinggi.
02
Mekanisme Penyingkiran Bahan dalam Pemprosesan Laser
Dengan kemunculan bahan kejuruteraan termaju yang mempunyai sifat fizikal yang kompleks-seperti Polimer Bertetulang Gentian Karbon (CFRP)-daya saing pemesinan mekanikal tradisional, pemesinan waterjet dan pemesinan nyahcas elektrik telah berkurangan secara beransur-ansur. Dalam pemprosesan laser, penyingkiran bahan secara asasnya melibatkan penyerapan, tindak balas, dan pemindahan tenaga laser dalam bahan. Semasa proses ini, laser menyinari permukaan bahan, dan elektron menyerap tenaga foton. Selepas itu, pemindahan tenaga berlaku melalui-perlanggaran kekisi elektron, mengakibatkan peningkatan suhu kekisi dan penurunan suhu elektron sehingga keseimbangan terma diwujudkan antara elektron dan kekisi. Walau bagaimanapun, kerana suhu pemejalwapan gentian karbon (~3600 K) adalah lebih kurang lima kali ganda daripada matriks resin (~800 K), input tenaga yang diperlukan untuk mengeluarkan gentian karbon adalah jauh lebih besar daripada yang diperlukan untuk resin. Tambahan pula, disebabkan kekonduksian terma anisotropik gentian karbon, haba yang dijana semasa proses pemejalwapan gentian karbon lebih disukai merambat ke dalam matriks resin, yang membawa kepada penguraian resin dan pembentukan bahan berbahaya. Penyelidik telah mencadangkan mekanisme penyingkiran dua-peringkat untuk CFRP:{12}}pirolisis akibat laser dan pengelupasan termomekanikal. Plasma yang dihasilkan semasa peringkat awal ablasi bahan menyerap haba dan menghasilkan gelombang kejutan haba berarah. Gentian karbon yang terdedah semasa pemprosesan tertakluk kepada daya ricih jejarian, mengakibatkan keretakan rapuh dan detasmen bahan.
Apabila tempoh nadi laser menurun di bawah 10 ps, tempoh nadi menjadi lebih pendek daripada-masa kelonggaran kekisi elektron, menyebabkan mekanisme penyingkiran bahan menyimpang daripada ablasi terma tradisional. Mekanisme pemprosesan digambarkan dalam Rajah 2: bahan resin mempamerkan kekonduksian elektrik yang lemah dan bilangan elektron bebas yang terhad, dengan jurang jalur tenaga 2–4 eV; sebaliknya, gentian karbon mempunyai kekonduksian elektrik yang baik dan mengandungi kuantiti elektron bebas tertentu. Semasa penyinaran laser, elektron bebas dalam gentian karbon secara langsung menyerap tenaga laser, mengakibatkan peningkatan suhu sistem elektron. Apabila tenaga foton tunggal lebih rendah daripada celah jalur resin, elektron bebas dihasilkan melalui mekanisme pengionan berbilang foton (MPI), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2(b). Apabila tenaga satu foton melebihi celah jalur,{10}pengionan foton tunggal mendominasi mekanisme pengujaan elektron. Elektron bebas yang dihasilkan berlanggar dengan elektron terikat, memindahkan tenaga melalui pengionan hentaman; ini mencetuskan pengionan salji{12}}seperti yang digambarkan dalam Rajah 2(c)-yang meningkatkan ketumpatan elektron bebas dengan ketara. Semasa fasa penyinaran laser nadi-ultrapendek, suhu kekisi berubah secara perlahan disebabkan oleh inersia terma, manakala suhu sistem elektron meningkat dengan cepat. Peralihan fasa yang terlibat termasuk peralihan fasa bukan{18}}terma dan fasa terma. Jika tenaga foton laser cukup tinggi, elektron menyerap tenaga yang mencukupi untuk mengatasi daya pengikatan Coulomb nukleus atom, membawa kepada pengionan haba dan meninggalkan sejumlah besar ion positif. Ion positif ini menolak satu sama lain disebabkan oleh daya Coulomb, mengakibatkan "letupan Coulomb" dan ablasi elektrostatik-suatu proses yang dikenali sebagai "ablasi sejuk"-seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2(d). Apabila elektron-penaburan tenaga kekisi berlaku secara berterusan, suhu kekisi meningkat secara beransur-ansur dan pengaliran haba berlaku di antara gentian karbon dan resin, seperti yang digambarkan dalam Rajah 2(e). Akibatnya, apabila suhu melebihi ambang tertentu, peralihan fasa terma-seperti pengewapan dan letupan fasa-berlaku, menghasilkan-suhu tinggi,-tekanan tinggi dan plasma berketumpatan tinggi-yang dikeluarkan dari permukaan, membawa pergi haba dan pemprosesan.
Kecacatan dalam-zon terjejas haba (HAZ) merujuk kepada kawasan dalam CFRP di mana perubahan sifat setempat berlaku akibat interaksi bahan-laser, serta heterogeniti dan anisotropi yang wujud bagi bahan. Perubahan ini merangkumi penyejatan tidak-seragam dan degradasi haba resin matriks, serta pendedahan gentian karbon. Pancaran laser Gaussian menjana pengagihan tenaga spatial yang tidak-sekata dan kesan resapan haba menyebabkan bahan CFRP menjadi panas di sekitar zon pemprosesan. Di kawasan khusus ini, tenaga haba melebihi ambang yang diperlukan untuk penguraian matriks resin tetapi kekal di bawah ambang yang diperlukan untuk penyingkiran gentian karbon. Ini membawa kepada kemerosotan sifat resin dan pendedahan setempat gentian karbon. Dalam zon ini, pengaliran haba memanaskan kedua-dua resin dan gentian karbon. Disebabkan oleh perbezaan ketara antara suhu penyejatan resin dan gentian karbon, resin di rantau ini menyejat manakala gentian karbon gagal mencapai suhu penyejatan mereka, mengakibatkan pendedahan gentian karbon.
