CN116252408A - 复合材料激光原位回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料激光原位回收方法及复合材料回收系统，复合材料激光原位回收方法包括以下步骤：将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量；启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料中的各层纤维；对分离后的各层纤维进行后处理，去除树脂和热解碳，得到处理后的各层纤维。如此复合材料激光原位回收方法，能够在常温常压下进行，方便快捷，并且采用激光扫描方式，能够绿色、无接触、高效地同时分离各层纤维，有利于缩短分离耗时，提高工作效率。同时，激光工艺参数并未达到纤维损伤阈值，对纤维表面产生影响较小，有利于保证分离后的各层纤维的质量，从而提高复合材料的回收价值。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料回收技术领域，特别是涉及一种复合材料激光原位回收方法。
背景技术
随着复合材料的发展，纤维增强复合材料具有许多优异的性能：质量轻，低密度，高强度，高刚度，耐腐蚀性强等，已经越来越广泛的被应用在航空航天，风力发电，汽车，体育娱乐等行业。随着各个行业对碳纤维复合材料需求的日益增长，碳纤维复合材料的废弃物也越来越多，然而由于热固性的碳纤维复合材料在固化成型时内部形成了不溶不熔的三维交联网状结构，使其废弃物难以降解，对环境和经济都会造成巨大的压力。
传统技术中，对于碳纤维复合材料的回收方法为物理回收，对废气物进行熔融或使用机械方法进行粉碎，这种方式得到的碳纤维力学性能损失严重，回收产物的价值低，碳纤维的价值没有得到很好的体现，且对环境压力大，耗时长，效率较低。
发明内容
基于此，有必要提供一种复合材料激光原位回收方法，能够有效提高复合材料的回收价值和回收效率。
其技术方案如下：一种复合材料激光原位回收方法，所述复合材料激光原位回收方法包括以下步骤：
将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量；
启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料中的各层纤维；
对分离后的各层纤维进行后处理，去除树脂和热解碳，得到处理后的各层纤维。
上述复合材料激光原位回收方法，在工作过程中，通过激光器对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，通过热效应使待回收区域的温度升高，达到树脂基体热分解温度，使复合材料各层纤维之间的树脂分解气化，从而实现待回收材料中的各层纤维分离，然后，经过后处理，去除各层纤维之间的残余树脂和热解碳，得到分离后的各层纤维。如此复合材料激光原位回收方法，能够在常温常压下进行，方便快捷，并且采用激光扫描方式，能够绿色、无接触、高效地同时分离各层纤维，有利于缩短分离耗时，提高工作效率。同时，激光工艺参数并未达到纤维损伤阈值，对纤维表面产生影响较小，有利于保证分离后的各层纤维的质量，从而提高复合材料的回收价值。
在其中一个实施例中，步骤：将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量中，具体包括以下步骤：
待回收材料放置于载物台上，激光器与待回收材料相对设置；
设置待回收材料的扫描区域；
通过激光测距仪测距，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。
在其中一个实施例中，所述离焦量的范围为28mm～32mm。
在其中一个实施例中，步骤：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料中的各层纤维中，具体包括以下步骤：
设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距；
启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；
同时开启真空吸气件，跟随激光器移动，吸取火焰及烟尘；
扫描完成，分离待回收材料中各层纤维。
在其中一个实施例中，步骤：设置激光器输出功率、频率、扫描速度、线间距中，所述输出功率的范围为30W～500W；所述脉冲重复频率的范围为20kHz～1000kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～1mm。
在其中一个实施例中，步骤：同时开启真空吸气件，跟随激光器移动，吸取火焰及烟尘中，具体包括以下步骤：
开启烟尘净化系统和火焰收集系统，跟随激光器移动；
所述烟尘净化系统吸取烟尘，所述火焰收集系统吸收火焰。
在其中一个实施例中，步骤：对分离后的各层纤维进行后处理，去除树脂和热解碳，得到处理后的纤维层供回收中，具体包括以下步骤：
调整激光器输出功率和/或脉冲重复频率和/或脉宽和/或扫描速度和/或线间距；
启动激光器，对待回收材料的表层进行激光扫描，去除树脂和热解碳；
扫描完成，得到处理后的各层纤维。
在其中一个实施例中，步骤：调整激光器输出功率和/或脉冲重复频率和/或脉宽和/或扫描速度和/或线间距中，所述输出功率的范围为40W～60W；所述脉冲重复频率为40kHz～60kHz；所述脉宽的范围为25ns～100ns；所述扫描速度为2800mm/s～3200mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～0.2mm。
在其中一个实施例中，步骤：启动激光器，对待回收材料的表层进行激光扫描，去除树脂和热解碳后，还包括以下步骤；
翻转待回收材料，使得待回收材料的底面与激光器对应设置；
激光器对待回收材料进行逐层激光扫描，分离各层纤维。
在其中一个实施例中，所述扫描区域为圆形、矩形、椭圆形、三角形中的任意一种。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中所述的复合材料激光原位回收方法的流程图一；
图2为一实施例中所述的复合材料激光原位回收方法的流程图二。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请阅图1，图1示出了本发明一实施例中所述的复合材料激光原位回收方法的流程图一；本发明一实施例提供了的一种复合材料激光原位回收方法，所述复合材料激光原位回收方法包括以下步骤：
S10：将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量；
S20：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料中的各层纤维；
S30：对分离后的各层纤维进行后处理，去除树脂和热解碳，得到处理后的各层纤维。
上述复合材料激光原位回收方法，在工作过程中，通过激光器对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，通过热效应使待回收区域的温度升高，达到树脂基体热分解温度，使复合材料各层纤维之间的树脂分解气化，从而实现待回收材料中的各层纤维分离，然后，经过后处理，去除各层纤维之间的残余树脂和热解碳，得到再生纤维。如此复合材料激光原位回收方法，能够在常温常压下进行，方便快捷，并且采用激光扫描方式，能够绿色、无接触、高效地同时分离各层纤维，有利于缩短分离耗时，提高工作效率。同时，激光工艺参数并未达到纤维损伤阈值，对纤维表面产生影响较小，有利于保证分离后的各层纤维质量，从而提高复合材料的回收价值。
实际应用中复合材料表面的纤维层损伤较为严重，一般可以舍弃，回收时，采用较高能量的激光扫描待回收材料的第一层表面，达到将每层纤维层之间的树脂分解的温度，经过后处理后，去除树脂和热解碳，有利于提高树脂清除率，通过热积累效应使树脂完全气化，树脂降解率在95％以上。从而将树脂基体与每一层纤维层分离。这样分离回收后的纤维层，除了表层损伤较大，能够保证下面各层的纤维层的回收质量。
其中，复合材料可为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、玄武岩纤维复合材料、天然纤维复合材料、芳纶纤维复合材料或其它纤维复合材料。
可选地，激光器可以是多种类型，例如CO2激光器、Nd：YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器或其它激光器类型。
具体在本实施例中，激光器优选波长1064nm的红外光纤脉冲激光器。如此，具有较短的波长和较短的脉冲持续时间，输出功率高，脉宽窄，激光阈值低，输出光束质量好，易于系统集成，有利于对于不同的步骤调整激光束的输出功率，提高工作精度和分离效率。本实施例仅提供一种激光器的具体选择，但并不以此为限。
请参阅图2，图2示出了本发明一实施例中所述的复合材料激光原位回收方法的流程图二，在一个实施例中，步骤S10：将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量中，具体包括以下步骤：
S11：待回收材料放置于载物台上，激光器与待回收材料相对设置；
S12：设置待回收材料的扫描区域；
S13：通过激光测距仪测距，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。
如此，将试样放在载物台上，根据激光测距仪确定激光器光束焦点位置，通过激光器控制面板调整离焦量，离焦量越大光斑面积越大，扫描效率越高，能量密度越低。
可选地，步骤S13中离焦量的范围为28mm～32mm。
具体地，通过调控机械臂控制面板，调整激光器和待回收材料之间的距离，使得离焦量为30mm。如此，有利于保证控制精度，能够得到较为合适的分离效果，使得各层纤维分离的同时不对表层以下的纤维层造成损伤，有利于提高工作效率和回收价值。
可选地，所述扫描区域为圆形、方形、矩形、椭圆形、三角形中的任意一种。具体在本实施中，扫描区域为矩形。
可选地，激光器对待回收材料的扫描填充路径可为平行线填充、弓字形线填充、同心圆填充、回形线填充、Z形线填充或其它路径形式。具体在本实施例中，扫描路径为弓字型填充。如此，效率高，可靠性强，有利于缩短扫描时间，提高复合材料的回收效率。本实施例仅提供一种激光器对待回收材料的扫描填充路径具体选择，但并不以此为限。
可选地，激光器的光束可为高斯光束、平顶光束或其它光束类型。
具体地，激光器激发的光束为平顶光束。平顶光束是一种能量分布曲线平整而均匀的光束，而不是像大多数激光器那样，在中心呈更高强度的高斯型分布。光束形状可以是任何形状：圆形、方形、线形、矩形或其他形状。加工区域的尺寸独立于激光脉冲能量，使锐利的边缘具有一致的性能，与高斯光束相比，平顶光束轮廓中没有两翼，但具有较陡的边缘过渡，因此能量传输效率更高，并且热影响区更小，从而有利于提高分离效率，保证分离后纤维层的质量。
在一个实施例中，步骤S20：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料中的各层纤维中，具体包括以下步骤：
S21：设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距；
S22：启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；
S23：同时开启真空吸气件，跟随激光器移动，吸取火焰及烟尘；
S24：扫描完成，分离待回收材料中各层纤维。
例如，真空吸气件真空净化器、烟尘净化系统、火焰手机系统、抽风机或其它装置，如此，通过设置相应的工作参数，能够实现各层纤维同时分离，无需逐层分离，有利于大大提高分离效果，从而提高复合材料的回收效率。并且，在有氧环境中进行回收会产生火焰干扰试验，在材料处理过程中使用真空净化器跟随激光器扫描移动，吸除火焰以及加工过程中产生的废弃物，有利于降低对复合材料回收处理的干扰，并且无需在特殊回收环境下进行，实现原位回收。
进一步地，步骤S23：同时开启真空吸气件，跟随激光器移动，吸取火焰及烟尘中，具体包括以下步骤：
S231：开启烟尘净化系统和火焰收集系统，跟随激光器移动；
S232：所述烟尘净化系统吸取烟尘，所述火焰收集系统吸收火焰。
如此，同时开启烟尘净化系统和火焰收集系统，并通过激光扫描振镜系统控制材料待去除区域表面的激光光斑按上述所设置的扫描路径填充整个待去除区域，设置激光工艺参数，根据材料属性及去除需求扫描多次。激光作用于材料待去除区域使得表面温度快速升高，直至到达树脂的气化温度，使得上下两层纤维间树脂气化挥发，两层纤维完全分离。在实际激光作用于材料表面时，激光能量转化为热能，达到树脂气化温度，树脂气化形成白色烟尘，需要利用烟尘净化系统吸收烟尘；树脂气化形成白烟，一部分被净化系统所吸收，一部分被激光所点燃产生明亮火焰，而火焰会对材料表面产生持续的烧蚀现象，严重降低材料表面质量，火焰收集系统与工艺参数调控能够极大程度上降低火焰烧蚀，保证分离效果。
在一个实施例中，步骤S21：设置激光器输出功率、频率、扫描速度、线间距中，功率范围为30W～500W；脉冲重复频率的范围为20kHz～1000kHz；脉宽的范围为25ns～350ns；扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；线间距的范围为0.01mm～1mm。具体地，激光器的输出功率为100W；脉冲重复频率的为40kHZ；脉宽为100ns；扫描速度为1600mm/s；线间距为0.01mm；扫描循环次数为两次能够将各层纤维材料与树脂基体分离，且不对表层以下的纤维层造成损伤。
在其中一个实施例中，步骤S30：对分离后的各层纤维进行后处理，去除树脂和热解碳，得到处理后的纤维层供回收中，具体包括以下步骤：
S31：调整激光器输出功率和/或脉冲重复频率和/或脉宽和/或扫描速度和/或线间距；
S32：启动激光器，对待回收材料的表层进行激光扫描，去除树脂和热解碳；
S33：扫描完成，得到处理后的各层纤维。
如此，与树脂基体分离后的纤维织物表面可能仍残留有部分树脂，通过调整激光器的运行参数，调整输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距，对待回收材料继续进行激光扫描，去除残留的树脂和热解碳，得到干净的各层纤维，有利于进一步提高各层纤维的回收质量。
可选地，步骤S31：调整激光器输出功率和/或脉冲重复频率和/或脉宽和/或扫描速度和/或线间距中，功率范围为40W～60W；脉冲重复频率为40kHz～60kHz；脉宽的范围为25ns～100ns；扫描速度为2800mm/s～3200mm/s；线间距的范围为0.01mm～0.02mm。
具体地，采用离焦量为+30mm，功率为50W，频率为40kHZ，脉宽为25ns，扫描速度为3000mm/s，线间距为0.02mm的工艺参数，能够有效清除表面树脂而不损伤纤维。
在其中一个实施例中，步骤S32：启动激光器，对待回收材料的表层进行激光扫描，去除树脂和热解碳后，还包括以下步骤；
S321：翻转待回收材料，使得待回收材料的底面与激光器对应设置；
S322：激光器对待回收材料进行逐层激光扫描，分离各层纤维。
如此，根据树脂残留量来对扫描次数和扫描位置进行调整，正反扫描后，能够达到更好的去除效果，各层纤维分离后，能够直接用镊子将每片纤维相应地进行回收。
在一个实施例中，一种复合材料回收系统(图中未示出)，所述复合材料回收系统采用上述中所述的复合材料激光原位回收方法进行复合材料回收。
上述复合材料回收系统，在工作过程中，通过激光器对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，通过热效应使待回收区域的温度升高，达到树脂基体热分解温度，使复合材料各层纤维之间的树脂分解气化，从而实现待回收材料中的各层纤维分离，然后，经过后处理，去除各层纤维之间的残余树脂和热解碳，得到分离后的各层纤维。如此复合材料激光原位回收方法，能够在常温常压下进行，方便快捷，并且采用激光扫描方式，能够绿色、无接触、高效地同时分离各层纤维，有利于缩短分离耗时，提高工作效率。同时，激光工艺参数并未达到纤维损伤阈值，对纤维表面产生影响较小，有利于保证分离后的各层纤维质量，从而提高复合材料的回收价值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述复合材料激光原位回收方法包括以下步骤：
将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量；
启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料中的各层纤维；
分离后的各层纤维进行后处理，去除树脂和热解碳，得到处理后的各层纤维。
2.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：将激光器与待回收材料对应设置，设置扫描区域和离焦量中，具体包括以下步骤：
待回收材料放置于载物台上，激光器与待回收材料相对设置；
设置待回收材料的扫描区域；
通过激光测距仪测距，通过机械臂调整激光器与待回收材料的距离，设置离焦量。
3.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述离焦量的范围为28mm～32mm。
4.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：启动激光器，对待回收材料的扫描区域进行激光扫描，分离待回收材料中的各层纤维，具体包括以下步骤：
设置激光器输出功率、脉冲重复频率、脉宽、扫描速度、线间距；
启动激光器，按照扫描区域对待回收材料进行激光扫描；
同时开启真空吸气件，跟随激光器移动，吸取火焰及烟尘；
扫描完成，分离待回收材料中各层纤维。
5.根据权利要求4所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：设置激光器输出功率、频率、扫描速度、线间距中，所述输出功率的范围为30W～500W；所述脉冲重复频率的范围为20kHz～1000kHz；所述脉宽的范围为25ns～350ns；所述扫描速度为1000mm/s～6000mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～1mm。
6.根据权利要求4所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：同时开启真空吸气件，跟随激光器移动，吸取火焰及烟尘中，具体包括以下步骤：
开启烟尘净化系统和火焰收集系统，跟随激光器移动；
所述烟尘净化系统吸取烟尘，所述火焰收集系统吸收火焰。
7.根据权利要求1所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：对分离后的各层纤维进行后处理，去除树脂和热解碳，得到处理后的纤维层供回收中，具体包括以下步骤：
调整激光器输出功率和/或脉冲重复频率和/或脉宽和/或扫描速度和/或线间距；
启动激光器，对待回收材料的表层进行激光扫描，去除树脂和热解碳；
扫描完成，得到处理后的各层纤维。
8.根据权利要求7所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：调整激光器输出功率和/或脉冲重复频率和/或脉宽和/或扫描速度和/或线间距中，所述输出功率范围为40W～60W；所述脉冲重复频率为40kHz～60kHz；所述脉宽的范围为25ns～100ns；所述扫描速度为2800mm/s～3200mm/s；所述线间距的范围为0.01mm～0.02mm。
9.根据权利要求7所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，步骤：启动激光器，对待回收材料的表层进行激光扫描，去除树脂和热解碳后，还包括以下步骤；
翻转待回收材料，使得待回收材料的底面与激光器对应设置；
激光器对待回收材料进行逐层激光扫描，分离各层纤维。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的复合材料激光原位回收方法，其特征在于，所述扫描区域为圆形、矩形、椭圆形、三角形中的任意一种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310086177.7A CN116252408A (zh) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | 复合材料激光原位回收方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310086177.7A CN116252408A (zh) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | 复合材料激光原位回收方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116252408A true CN116252408A (zh) | 2023-06-13 |
Family
ID=86687394
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310086177.7A Pending CN116252408A (zh) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | 复合材料激光原位回收方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116252408A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116001145A (zh) * | 2023-01-20 | 2023-04-25 | 中国民用航空飞行学院 | 激光原位逐层回收方法 |
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2023
- 2023-01-20 CN CN202310086177.7A patent/CN116252408A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116001145A (zh) * | 2023-01-20 | 2023-04-25 | 中国民用航空飞行学院 | 激光原位逐层回收方法 |
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