CN110977206B - 基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，利用基于飞秒激光的精密加工实验平台确定纤维增强树脂基复合材料的超快激光脉冲激光参数冷加工窗口；分析出超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的工作机制；试验出最佳纤维增强树脂基复合材料加工条件；利用强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台的飞秒激光成丝和贝塞尔高斯光束共同加工纤维增强树脂基复合材料；本发明方法可以实现高精度、高效率、无分层和起毛以及热影响区极小的加工纤维增强树脂基复合材料，能够将切缝锥角从10°以上降低到1°以下，纤维增强树脂基复合材料厚度＞2mm，热影响区域能够从几百微米减小到几个微米，无分层和毛刺等缺陷。

Description

基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，尤其涉及基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料是由以环氧树脂和不饱和聚酯树脂等有机聚合物为基体，以玻璃纤维、碳纤维等纤维材料为纤维增强体的纤维增强材料。由于纤维增强树脂基复合材料比模量和比强度高，具有良好的物理性能和化学性能，可用于各种严苛的环境中，所以树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有着极为广泛的应用。但是由于纤维增强树脂基复合材料本身的各向异性、材料胶接的不均匀性以及早期加工技术的局限性都可能使纤维增强树脂基复合材料在加工过程中产生分层、起毛以及热效应影响等现象。而分层、起毛和热效应会对纤维增强树脂基复合材料的性能造成极大的影响，所以，如何抑制纤维增强树脂基复合材料在加工过程中的分层、起毛和热效应问题是一个不可回避的问题；
飞秒激光是指脉冲宽度在飞秒量级(～10-15s)的脉冲激光，飞秒激光因为其固有的超短脉冲和超高功率密度，再经过聚焦光学系统与物质相互作用，会产生非线性多光子吸收形成特殊的激光烧蚀机制，合理控制激光加工参数可以实现对各种材料的无热传递的加工，因此成为现代超精密加工领域不可或缺的激光加工手段。飞秒激光“冷”加工的优势包括无热影响、微小尺度(横向、纵向)、加工精度极高、且不影响材料的各种性质。飞秒激光超微细加工应用的范围也从最开始加工金属和介质材料、发展到加工合金、陶瓷、生物组织甚至含能材料等各种材料。由于飞秒激光“冷”加工的独特优势，利用飞秒激光超微细“冷加工”技术对纤维增强树脂基复合材料进行精密加工，可以消除之前的传统激光加工技术导致的分层、起毛和热影响，实现无分层、无起毛、无热影响的精密加工。因此，本发明提出基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，以解决现有技术中的不足之处。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，该方法可以实现高精度、高效率、无分层和起毛以及热影响区极小地加工纤维增强树脂基复合材料，能够将切缝锥角从10°以上降低到1°以下，纤维增强树脂基复合材料厚度＞2mm，热影响区域能够从几百微米减小到几个微米，无分层和毛刺等缺陷。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于飞秒激光的精密加工实验平台，包括泵浦探测和超快激光数字全息平台、强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台和傅里叶变换红外光谱平台，所述泵浦探测和超快激光数字全息平台用于实时监测、记录和诊断超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的动力学过程，所述强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台用于在真空和空气环境下加工纤维增强树脂基复合材料，所述傅里叶变换红外光谱平台用于探测纤维增强树脂基复合材料的傅里叶红外光谱，实现各种条件下对飞秒激光加工纤维增强树脂基复合材料的冷加工窗口的快速准确判定。
一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，其包括以下步骤：
步骤一：利用泵浦探测和超快激光数字全息平台获取纤维增强树脂基复合材料的超快激光泵浦探测阴影图和超快激光脉冲数字全息图，然后根据超快激光泵浦探测阴影图和超快激光脉冲数字全息图分析出超快激光脉冲烧蚀的动力学过程，最后利用傅里叶变换红外光谱平台确定超快激光脉冲对纤维增强树脂基复合材料加工过程中的热效应，再确定纤维增强树脂基复合材料的超快激光脉冲激光参数冷加工窗口；
步骤二：在空气和真空环境中，利用不同激光参数的超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料，并观测不同激光参数的超快激光脉冲在加工纤维增强树脂基复合材料时的形貌特征及损伤情况；
步骤三：根据得到的形貌特征及损伤情况分析出超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的工作机制；
步骤四：根据超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的工作机制，然后改变激光参数及加工环境条件，试验出最佳纤维增强树脂基复合材料加工条件；
步骤五：确定出在空气和真空两种环境下的纤维增强树脂基复合材料的烧蚀阈值和烧蚀速率，分析得出纤维增强树脂基复合材料的表征结果；
步骤六：在最佳纤维增强树脂基复合材料加工条件下，根据表征结果利用强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台的飞秒激光成丝和贝塞尔高斯光束的两种超短脉冲激光技术共同加工纤维增强树脂基复合材料；
步骤七：利用显微镜和扫描电镜评估纤维增强树脂基复合材料加工质量，并对纤维增强树脂基复合材料加工强度进行检测。
进一步改进在于：所述步骤五中的表征结果具体为纤维增强树脂基复合材料的加工厚度、热影响区和加工前后静强度对比值。
进一步改进在于：所述步骤六中利用贝塞尔高斯光束超短脉冲激光技术加工纤维增强树脂基复合材料时，先选用相位板来对贝塞尔高斯光束进行波前相位调制，控制贝塞尔光束的旁瓣能量占比从16％下降至1％。
进一步改进在于：所述步骤六中利用飞秒激光成丝技术加工纤维增强树脂基复合材料时，选择飞秒激光成丝过程中光丝效果相对较好的位置开始加工。
进一步改进在于：所述步骤七中利用显微镜评估纤维增强树脂基复合材料加工质量的具体方法为：利用超景深三维显微镜来观测纤维增强树脂基复合材料加工效果，根据显微成像观测得出激光切割的热影响区与切割宽度参数，再根据超景深三维显微镜获取的三维景深图测量纤维增强树脂基复合材料的切割深度。
进一步改进在于：所述步骤七中利用扫描电镜评估纤维增强树脂基复合材料加工质量的具体方法为：将加工后的纤维增强树脂基复合材料用超声清洗机洗净，然后对纤维增强树脂基复合材料进行喷金处理，并在纤维增强树脂基复合材料两端贴上导电胶，固定后利用扫描电镜获取表面形貌并进行评估。
本发明的有益效果为：本发明方法可以实现高精度、高效率、无分层和起毛以及热影响区极小地加工纤维增强树脂基复合材料，且能够实现飞秒激光加工纤维增强树脂基复合材料实验过程的实时监测，通过本发明方法能够将切缝锥角从10°以上降低到1°以下，纤维增强树脂基复合材料厚度＞2mm，热影响区域能够从几百微米减小到几个微米，无分层和毛刺等缺陷，且加工后纤维增强树脂基复合材料的拉伸强度是原材料拉伸强度的百分之九十五以上，通过选择飞秒激光成丝过程中光丝效果相对较好的位置进行加工既可以保证加工均匀还能够提高加工效率。
附图说明
图1为传统聚焦加工(a)与飞秒激光成丝加工(b)对比示意图。
图2为本发明中光丝长度随激光功率的变化示意图。
图3为本发明飞秒激光加工光路示意图。
图4为本发明方法总光路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据图1、2、3、4所示，本实施例提出一种基于飞秒激光的精密加工实验平台，包括泵浦探测和超快激光数字全息平台、强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台和傅里叶变换红外光谱平台，所述泵浦探测和超快激光数字全息平台用于实时监测、记录和诊断超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的动力学过程，所述强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台用于在真空和空气环境下加工纤维增强树脂基复合材料，所述傅里叶变换红外光谱平台用于探测纤维增强树脂基复合材料的傅里叶红外光谱，实现各种条件下对飞秒激光加工纤维增强树脂基复合材料的冷加工窗口的快速准确判定。
一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，包括以下步骤：
步骤一：利用泵浦探测和超快激光数字全息平台获取纤维增强树脂基复合材料的超快激光泵浦探测阴影图和超快激光脉冲数字全息图，然后根据超快激光泵浦探测阴影图和超快激光脉冲数字全息图分析出超快激光脉冲烧蚀的动力学过程，最后利用傅里叶变换红外光谱平台确定超快激光脉冲对纤维增强树脂基复合材料加工过程中的热效应，再确定纤维增强树脂基复合材料的超快激光参数冷加工窗口；
步骤二：在空气和真空环境中，利用不同激光参数的超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料，并观测不同激光参数的超快激光脉冲在加工纤维增强树脂基复合材料时的形貌特征及损伤情况；
步骤三：根据得到的形貌特征及损伤情况分析出超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的工作机制；
步骤四：根据超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的工作机制，然后改变激光参数及加工环境条件，试验出最佳纤维增强树脂基复合材料加工条件；
步骤五：确定出在空气和真空两种环境下的纤维增强树脂基复合材料的烧蚀阈值和烧蚀速率，分析得出纤维增强树脂基复合材料的表征结果，具体为纤维增强树脂基复合材料的加工厚度、热影响区和加工前后静强度对比值；
步骤六：在最佳纤维增强树脂基复合材料加工条件下，根据表征结果利用强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台的飞秒激光成丝和贝塞尔高斯光束的两种超短脉冲激光技术共同加工纤维增强树脂基复合材料，利用贝塞尔高斯光束超短脉冲激光技术加工纤维增强树脂基复合材料时，先选用相位板来对贝塞尔高斯光束进行波前相位调制，控制贝塞尔光束的旁瓣能量占比从16％下降至1％，利用飞秒激光成丝技术加工纤维增强树脂基复合材料时，选择飞秒激光成丝过程中光丝效果相对较好的位置开始加工；
飞秒激光入射到锥形透镜上后，会产生高斯-贝塞尔光束，其轴光强随传播距离之间的关系如公式(1)所示：
Figure BDA0002336310810000071
其中，n为轴棱锥的介质折射率，φ为轴棱锥的棱角，R为光阑的半径，E0为一复常数。由于φ的角度很小，最大准直距离Z如公式(2)所示：
Figure BDA0002336310810000081
在最大准直距离内，聚焦光束可以近似看成无衍射的理想贝塞尔光束，本实施例选用棱角φ＝2°，光阑半径为0.5mm，得到的最大准直距离为31.84mm，满足加工纤维增强树脂基复合材料的切割加工要求，同时，由于贝塞尔光束本身具备的特性，在切割材料时具有高质量的侧壁切割形态，避免了传统加工方法带来的缺陷；
飞秒激光束经过相位板进行波前调制后经过锥形棱镜得到具有夹角的两束光束，两束光束经过第一个透镜后变成平行光，平行光经过第二个透镜得到可以用于加工的激光束，加入相位版调制后的贝塞尔光束的旁瓣强度有所下降，由原来的16％变成了1％，能满足加工需求；
步骤七：利用显微镜和扫描电镜评估纤维增强树脂基复合材料加工质量，并对纤维增强树脂基复合材料加工强度进行检测，具体方法为：利用超景深三维显微镜来观测纤维增强树脂基复合材料加工效果，根据显微成像观测得出激光切割的热影响区与切割宽度参数，再根据超景深三维显微镜获取的三维景深图测量纤维增强树脂基复合材料的切割深度，将加工后的纤维增强树脂基复合材料用超声清洗机洗净，然后对纤维增强树脂基复合材料进行喷金处理，并在纤维增强树脂基复合材料两端贴上导电胶，固定后利用扫描电镜进行加形貌表征进行评估。
本发明方法可以实现高精度、高效率、无分层和起毛以及热影响区极小地加工纤维增强树脂基复合材料，且能够实现飞秒激光加工纤维增强树脂基复合材料实验过程的实时监测，通过本发明方法能够将切缝锥角从10°以上降低到1°以下，纤维增强树脂基复合材料加工厚度＞2mm，热影响区域能够从几百微米减小到几个微米，无分层和毛刺等缺陷，且加工后纤维增强树脂基复合材料的拉伸强度是原材料拉伸强度的百分之九十五以上，通过选择飞秒激光成丝效果较好的位置进行加工既可以保证加工均匀还能够提高加工效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，其特征在于：
实现所述加工方法的加工实验平台包括：泵浦探测和超快激光数字全息平台、强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台和傅里叶变换红外光谱平台，所述泵浦探测和超快激光数字全息平台用于实时监测、记录和诊断超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的动力学过程，所述强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台用于在真空和空气环境下加工纤维增强树脂基复合材料，所述傅里叶变换红外光谱平台用于探测纤维增强树脂基复合材料的傅里叶红外光谱，实现各种条件下对飞秒激光加工纤维增强树脂基复合材料的冷加工窗口的快速准确判定；
所述基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，包括：
步骤一：利用泵浦探测和超快激光数字全息平台获取纤维增强树脂基复合材料的超快激光泵浦探测阴影图和超快激光脉冲数字全息图，然后根据超快激光泵浦探测阴影图和超快激光脉冲数字全息图分析出超快激光脉冲烧蚀的动力学过程，最后利用傅里叶变换红外光谱平台确定超快激光脉冲对纤维增强树脂基复合材料加工过程中的热效应，再确定纤维增强树脂基复合材料的超快激光脉冲激光参数冷加工窗口；
步骤二：在空气和真空环境中，利用不同激光参数的超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料，并观测不同激光参数的超快激光脉冲在加工纤维增强树脂基复合材料时的形貌特征及损伤情况；
步骤三：根据得到的形貌特征及损伤情况分析出超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的工作机制；
步骤四：根据超快激光脉冲加工纤维增强树脂基复合材料的工作机制，然后改变激光参数及加工环境条件，试验出最佳纤维增强树脂基复合材料加工条件；
步骤五：确定出在空气和真空两种环境下的纤维增强树脂基复合材料的烧蚀阈值和烧蚀速率，分析得出纤维增强树脂基复合材料的表征结果；
步骤六：在最佳纤维增强树脂基复合材料加工条件下，根据表征结果利用强激光成丝和贝塞尔光束聚焦平台的飞秒激光成丝和贝塞尔高斯光束的两种超短脉冲激光技术共同加工纤维增强树脂基复合材料；
步骤七：利用显微镜和扫描电镜评估纤维增强树脂基复合材料加工质量，并对纤维增强树脂基复合材料加工强度进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，其特征在于：所述步骤五中的表征结果具体为纤维增强树脂基复合材料的加工厚度、热影响区和加工前后静强度对比值。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，其特征在于：所述步骤六中利用贝塞尔高斯光束超短脉冲激光技术加工纤维增强树脂基复合材料时，先选用相位板来对贝塞尔高斯光束进行波前相位调制，控制贝塞尔高斯光束的旁瓣能量占比从16％下降至1％。
4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，其特征在于：所述步骤六中利用飞秒激光成丝技术加工纤维增强树脂基复合材料时，选择飞秒激光成丝过程中光丝效果相对较好的位置开始加工。
5.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，其特征在于：所述步骤七中利用显微镜评估纤维增强树脂基复合材料加工质量的具体方法为：利用超景深三维显微镜来观测纤维增强树脂基复合材料加工效果，根据显微成像观测得出激光切割的热影响区与切割宽度参数，再根据超景深三维显微镜获取的三维景深图测量纤维增强树脂基复合材料的切割深度。
6.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法，其特征在于：所述步骤七中利用扫描电镜评估纤维增强树脂基复合材料加工质量的具体方法为：将加工后的纤维增强树脂基复合材料用超声清洗机洗净，然后对纤维增强树脂基复合材料进行喷金处理，并在纤维增强树脂基复合材料两端贴上导电胶，固定后利用扫描电镜获取表面形貌并进行评估。
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