CN111229733A - 一种纤维增强复合材料表面处理方法 - Google Patents

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    • B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721—Fibre-reinforced materials

Abstract

本发明公开了一种纤维增强复合材料表面处理方法，所述方法包括：选择一束超短脉冲激光和一束纳秒激光作为激光源，进行合束，2束激光具有相同的脉冲重复频率和波长，再经过光束整形元件进行光强均匀化后，垂直会聚到样品的表面；当超短脉冲激光强度大于等于复合材料表面多光子吸收阈值光强时，激光辐照范围内的样品表面发生多光子吸收，吸收纳秒激光能量直到达到烧蚀阈值时，去除样品的表面薄层，实现样品表面的清洁和活化；随着激光沿着预先设计的路线进行扫描，以及位移台的配合移动，处理样品的全部表面。本发明去除纤维增强复合材料表面的杂质污染物(零件表面的脱模剂等)，并活化表面，以实现有效的化学键合。

Description

一种纤维增强复合材料表面处理方法
技术领域
本发明涉及复合材料表面处理领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料表面处理方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料具有低密度、超高比强度和刚度，在航空航天领域已得到较为成熟的应用。碳纤维增强复合材料零件之间的粘接技术需要对零件表面进行预处理以去除杂质污染物(零件表面的脱模剂)，清洁表面，改善表面极性，提高表面能，即提高润湿性和表面张力，并活化表面，实现有效粘接。
将激光清洁技术应用于碳纤维复合材料表面处理中，可以大大地改善碳纤维复合材料的表面质量并提高零件粘接/焊接加工的质量。但是，不同波段激光表面处理效果不同，(由于树脂不能直接有效吸收)可见光和红外波段激光的大部分激光能量可以透射进入材料内部，因此，红外和可见波段激光处理热效应影响较强，激光作用过程中会产生热分解，而且，碳纤维吸收激光能量导致(碳纤维和环氧树脂)界面化学键合被破坏，产生界面损伤，在材料内部形成微气泡/孔洞，或脱层，直接影响机械性能；与之相反，紫外波段激光可以被树脂直接吸收(因为光子能量大于树脂基体化学键能)，透射深度很小，激光作用只在限定表面上，主要是光化学作用，几乎没有热效应，不影响材料的机械性能，但是，紫外激光器成本高，也不能使用光纤传输。超短脉冲激光的脉冲宽度极短光强极高，可以实现多光子吸收，以光化学过程直接去除表面污染物，而且消除/避免了长脉冲激光处理的热效应，不影响/破坏碳纤维和环氧树脂之间的界面键合。
但是，现有商用超短脉冲激光多采用放大系统才能达到工业生产所需功率，重复率一般较低(小于1MHz)、成本较高、结构复杂且效率较低，这成为超短脉冲激光工业应用的瓶颈。而工业上已成熟应用的长脉冲激光加工技术，却由于热效应，不能满足实际应用的需求。
发明内容
本发明提供了一种纤维增强复合材料表面处理方法，本发明去除纤维增强复合材料表面的杂质污染物(零件表面的脱模剂等)，并活化表面，以实现有效的化学键合，详见下文描述：
一种纤维增强复合材料表面处理方法，所述方法包括：
选择一束超短脉冲激光和一束纳秒激光作为激光源，进行合束，2束激光具有相同的脉冲重复频率和波长，再经过光束整形元件进行光强均匀化后，垂直会聚到样品的表面；
当超短脉冲激光强度大于等于复合材料表面多光子吸收阈值光强时，激光辐照范围内的样品表面发生多光子吸收，吸收纳秒激光能量直到达到烧蚀阈值时，去除样品的表面薄层，实现样品表面的清洁和活化；
随着激光沿着预先设计的路线进行扫描，以及位移台的配合移动，处理样品的全部表面。
进一步地，所述超短脉冲激光的脉冲宽度为10～10000飞秒、重复频率为0.001～50MHz、功率为1～100W。
进一步地，所述光束整形元件对合束后的激光光束进行光强均匀化，以均匀光强/平顶光束辐照样品的表面。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明与传统纤维增强复合材料表面处理方法相比，可提高粘接强度；
2、本发明去除了纤维增强复合材料表面的杂质污染物(零件表面的脱模剂等)，并活化表面，以实现有效的化学键合；
3、本发明利用光强均匀化的双束激光对纤维增强复合材料表面进行辐照，实现样品表面的清洁和活化，提高样品表面的粘接强度。
附图说明
图1为本发明采用的装置示意图。
图中：1：合束后的激光光束；2：光束整形元件；3：透镜；4：样品。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种双束激光处理方法，即，将超短脉冲激光和长脉冲激光加工技术的优势结合起来，即利用高重复率飞秒激光，在透明材料内通过多光子吸收过程产生传导电子(即种子电子)，种子电子就可以吸收长脉冲激光的能量，当吸收的激光能量足够强的情况下，发生雪崩电离，产生材料烧蚀，实现双束激光微加工。
因此，高重复率飞秒激光和长脉冲激光器相结合，形成优势互补，兼顾了加工成本和加工效率，可以替代飞秒激光放大系统进行高效率非热激光加工。另外，激光光强是呈现高斯分布的，为了实现样品表面均匀处理和提高处理效率，在激光处理之前，采用光束整形元件对激光进行光强均匀化，以均匀光强/平顶光束辐照样品表面。
实施例1
本发明实施例提供了一种纤维增强复合材料表面处理方法，参见图1，该方法包括以下步骤：
1、调节两束激光(飞秒激光和纳秒激光)进行合束。
选择一束超短脉冲激光和一束纳秒激光(两者具有相同脉冲重复频率和波长)作为激光源，进行合束，具体实现时，根据实际应用中的样品表面位置，调整激光束垂直样品表面。
其中，该激光波长在可见或红外波段。超短脉冲激光通常选取脉冲宽度为飞秒量级，本发明实施例对激光合束和准直装置调节的过程不做限制。
2、对合束后的激光光束1进行光束强度均匀化
激光光强是呈现高斯分布的，为了实现样品表面均匀处理和提高处理效率，在激光处理之前，采用光束整形元件2对合束后的激光光束1进行光强均匀化，以均匀光强/平顶光束辐照样品4的表面。当超短脉冲激光强度大于等于复合材料表面多光子吸收阈值时，激光辐照范围内发生多光子吸收，开始吸收纳秒激光。
具体实现时，根据实际应用中的复合材料表面的需要确定激光的功率，本发明实施例对光强均匀化的过程，以及对光束整形元件2的具体型号不做限制。
3、激光辐照范围内的样品4表面吸收激光能量，达到烧蚀阈值时，去除样品4的表面薄层。随着激光沿着预先设计的路线(可以采用扫描样品4表面的任何可能的扫描方式，例如逐行扫进行扫描，以及样品4的配合移动，处理样品4的全部表面。
其中，样品4的表面烧蚀阈值根据实际应用中的复合材料工件的特性设定，具体实现时，本发明实施例对样品4的运动方式不做限制。
实施例2
下面结合具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
将样品4安装在工作台或位移台上，其次，选择一束超短脉冲激光和一束纳秒激光(具有相同脉冲重复频率和波长)作为激光源，进行合束，再经过光束整形元件2进行光强均匀化后，垂直会聚到样品4的表面。
超短脉冲激光采用脉冲宽度为10～10000飞秒、重复频率为0.001～50MHz、功率为1～100W。当超短脉冲激光强度大于等于复合材料表面多光子吸收阈值光强时，激光辐照范围内的样品4表面发生多光子吸收，吸收纳秒激光能量直到达到烧蚀阈值时，去除样品4的表面薄层，实现样品4表面的清洁和活化。
随着激光沿着预先设计的路线进行扫描，以及位移台的配合移动，处理样品4的全部表面。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种纤维增强复合材料表面处理方法，其特征在于，所述方法包括：
选择一束超短脉冲激光和一束纳秒激光作为激光源，进行合束，2束激光具有相同的脉冲重复频率和波长，再经过光束整形元件进行光强均匀化后，垂直会聚到样品的表面；
当超短脉冲激光强度大于等于复合材料表面多光子吸收阈值光强时，激光辐照范围内的样品表面发生多光子吸收，吸收纳秒激光能量直到达到烧蚀阈值时，去除样品的表面薄层，实现样品表面的清洁和活化；
随着激光沿着预先设计的路线进行扫描，以及位移台的配合移动，处理样品的全部表面。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料表面处理方法，其特征在于，
所述超短脉冲激光的脉冲宽度为10～10000飞秒、重复频率为0.001～50MHz、功率为1～100W。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料表面处理方法，其特征在于，所述光束整形元件对合束后的激光光束进行光强均匀化，以均匀光强/平顶光束辐照样品的表面。
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