01
Giới thiệu
Polyme cốt sợi carbon (CFRP) bao gồm nhựa đóng vai trò là vật liệu pha ma trận và sợi carbon đóng vai trò là vật liệu pha gia cố. Bằng cách kết hợp các đặc tính vật liệu của cả nền nhựa và cốt sợi carbon, CFRP thể hiện các đặc tính như trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn và độ cứng cao. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực có nhu cầu cao về kết cấu nhẹ-chẳng hạn như hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô, đóng tàu hải quân, sản xuất điện gió và kỹ thuật dân dụng. Các phương pháp sản xuất chính cho vật liệu CFRP bao gồm Đúc chuyển nhựa (RTM), đúc nồi hấp, đúc túi chân không và cuộn dây tóc; những phương pháp này cho phép tạo ra các cấu trúc CFRP thông qua quá trình xử lý hình dạng gần{4}}mạng-. Tuy nhiên, trong các ứng dụng công nghiệp thực tế, quá trình xử lý thứ cấp CFRP thường được yêu cầu để đạt được hình dạng bộ phận mong muốn-bao gồm các tính năng như lỗ, khe và rãnh lắp ráp-và để đáp ứng độ chính xác về kích thước cũng như dung sai hình dạng được chỉ định trong thiết kế bộ phận. Do sự chênh lệch đáng kể về tính chất nhiệt và cơ học giữa sợi carbon gia cố và nhựa nền trong CFRP, quá trình xử lý thứ cấp này gặp phải những thách thức đáng kể và dễ xảy ra nhiều khuyết tật khác nhau, thường dẫn đến chất lượng xử lý bị ảnh hưởng. Do đó, để đáp ứng các yêu cầu về kích thước và hiệu suất của các thành phần cuối cùng, điều quan trọng nhất là phải nghiên cứu các công nghệ xử lý vật liệu CFRP và khám phá các phương pháp xử lý{11}}chất lượng cao, hiệu quả cao.
02
Cơ chế loại bỏ vật liệu trong xử lý laser
Với sự xuất hiện của các vật liệu kỹ thuật tiên tiến sở hữu các đặc tính vật lý phức tạp-chẳng hạn như Polyme cốt sợi carbon (CFRP)-khả năng cạnh tranh của gia công cơ khí truyền thống, gia công tia nước và gia công phóng điện đã dần giảm đi. Trong xử lý laser, việc loại bỏ vật liệu về cơ bản liên quan đến sự hấp thụ, phản ứng và truyền năng lượng laser bên trong vật liệu. Trong quá trình này, tia laser chiếu xạ bề mặt vật liệu và các electron hấp thụ năng lượng photon. Sau đó, sự truyền năng lượng xảy ra thông qua các va chạm mạng điện tử-, dẫn đến sự tăng nhiệt độ mạng và giảm nhiệt độ điện tử cho đến khi thiết lập trạng thái cân bằng nhiệt giữa các điện tử và mạng tinh thể. Tuy nhiên, do nhiệt độ thăng hoa của sợi carbon (~3600 K) gấp khoảng năm lần so với nền nhựa (~800 K), nên năng lượng đầu vào cần thiết để loại bỏ sợi carbon lớn hơn đáng kể so với năng lượng cần thiết cho nhựa. Hơn nữa, do tính dẫn nhiệt dị hướng của sợi carbon, nhiệt sinh ra trong quá trình thăng hoa sợi carbon được ưu tiên truyền vào ma trận nhựa, dẫn đến phân hủy nhựa và hình thành các chất có hại. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất cơ chế loại bỏ hai giai đoạn cho CFRP: quá trình nhiệt phân bằng laser và tẩy da chết bằng cơ nhiệt. Plasma được tạo ra trong giai đoạn đầu của quá trình cắt bỏ vật liệu sẽ hấp thụ nhiệt và tạo ra sóng xung kích nhiệt có hướng. Các sợi carbon lộ ra trong quá trình xử lý phải chịu lực cắt hướng tâm, dẫn đến gãy giòn và tách vật liệu.
Khi thời lượng xung laser giảm xuống dưới 10 ps, thời lượng xung trở nên ngắn hơn thời gian thư giãn mạng tinh thể electron, khiến cơ chế loại bỏ vật liệu khác với quá trình cắt bỏ nhiệt truyền thống. Cơ chế xử lý được minh họa trong Hình 2: vật liệu nhựa có tính dẫn điện kém và số lượng electron tự do hạn chế, với dải năng lượng là 2–4 eV; ngược lại, sợi carbon có tính dẫn điện tốt và chứa một lượng electron tự do nhất định. Trong quá trình chiếu xạ laser, các electron tự do trong sợi carbon sẽ hấp thụ trực tiếp năng lượng laser, dẫn đến nhiệt độ của hệ thống electron tăng lên. Khi năng lượng của một photon đơn lẻ thấp hơn dải cấm của nhựa, các electron tự do được tạo ra thông qua cơ chế ion hóa đa photon (MPI), như trong Hình 2(b). Khi năng lượng của một photon vượt quá dải cấm, quá trình ion hóa một photon sẽ chiếm ưu thế trong cơ chế kích thích electron. Các electron tự do được tạo ra va chạm với các electron liên kết, truyền năng lượng thông qua quá trình ion hóa va chạm; điều này kích hoạt quá trình ion hóa tuyết lở-như được mô tả trong Hình 2(c)-làm tăng đáng kể mật độ của các electron tự do. Trong giai đoạn chiếu xạ laser xung cực ngắn, nhiệt độ mạng thay đổi chậm do quán tính nhiệt, trong khi nhiệt độ của hệ điện tử tăng nhanh. Các quá trình chuyển pha liên quan bao gồm cả quá trình chuyển pha không nhiệt và chuyển pha nhiệt. Nếu năng lượng photon laser đủ cao, các electron sẽ hấp thụ đủ năng lượng để vượt qua lực liên kết Coulomb của hạt nhân nguyên tử, dẫn đến sự ion hóa nhiệt và để lại một số lượng lớn các ion dương. Các ion dương này đẩy nhau do lực Coulomb, dẫn đến "vụ nổ Coulomb" và ăn mòn tĩnh điện-một quá trình được gọi là "cắt nguội"{22}}như trong Hình 2(d). Khi sự tán xạ năng lượng mạng -electron xảy ra liên tục, nhiệt độ mạng tăng dần và sự dẫn nhiệt diễn ra giữa sợi carbon và nhựa, như minh họa trong Hình 2(e). Do đó, khi nhiệt độ vượt quá một ngưỡng nhất định, các quá trình chuyển pha nhiệt-chẳng hạn như sự bay hơi và nổ pha{29}}xảy ra, tạo ra plasma-nhiệt độ cao, áp suất cao-và mật độ-cao được đẩy ra khỏi bề mặt, mang đi nhiệt và xử lý các mảnh vụn.
Các khiếm khuyết trong vùng ảnh hưởng nhiệt-(HAZ) đề cập đến các vùng trong CFRP nơi xảy ra các thay đổi đặc tính cục bộ do tương tác vật liệu-laser, cũng như tính không đồng nhất và dị hướng vốn có của vật liệu. Những thay đổi này bao gồm sự bay hơi-không đồng đều và sự phân hủy nhiệt của nhựa nền cũng như sự lộ ra của sợi carbon. Chùm tia laze Gaussian tạo ra sự phân bố năng lượng không gian-không đồng đều và hiệu ứng khuếch tán nhiệt khiến vật liệu CFRP nóng lên ở vùng lân cận vùng xử lý. Trong vùng cụ thể này, năng lượng nhiệt vượt quá ngưỡng cần thiết để phân hủy nền nhựa nhưng vẫn dưới ngưỡng cần thiết để loại bỏ sợi carbon. Điều này dẫn đến sự suy giảm các đặc tính của nhựa và sự bộc lộ cục bộ của sợi carbon. Trong vùng này, sự dẫn nhiệt làm nóng cả nhựa và sợi carbon. Do sự chênh lệch đáng kể giữa nhiệt độ bay hơi của nhựa và sợi carbon, nhựa ở vùng này bay hơi trong khi sợi carbon không đạt đến nhiệt độ bay hơi, dẫn đến sợi carbon bị lộ ra ngoài.
