一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法

技术领域

本发明涉及一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，属于飞秒激光微纳加工复合材料技术领域。

背景技术

作为一种非接触式加工方法，激光加工具有无切削力、生产效率高和质量可靠等优点。在各种类型的激光器中，飞秒激光因其超短脉宽、峰值功率高、附带损伤小等特点，被证明在加工碳纤维增强聚合物时特别有效。飞秒激光加工碳纤维的主要方法包括切割时的同步去除(同时去除树脂基体和碳纤维)和表面处理时的选择性去除(去除树脂基体但保留碳纤维)。当飞秒激光脉冲照射到碳纤维增强聚合物上时，通过设置不同的激光通量，加工后的碳纤维增强聚合物所产生的结构会有很大不同。在这种情况下，最重要的问题是烧蚀阈值通量。

目前，尚不具有能够从定量计算飞秒激光加工碳纤维增强聚合物时烧蚀阈值的实验方法。而且孵化效应对飞秒激光加工碳纤维增强聚合物时烧蚀阈值的影响仍不清晰。孵化效应是指随着激光脉冲照射次数的增加而减小，也被称为损伤累积现象。因此，建立一种能够快速并准确测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，对于飞秒激光加工复合材料的机理解释和加工指导显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决飞秒激光高精密加工碳纤维增强聚合物和预测飞秒激光加工碳纤维增强聚合物时的烧蚀阈值问题，提供一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法。

本发明根据被烧蚀区域的直径结合激光线扫描的实验方式可以定量地计算出碳纤维增强聚合物在不同扫描速度下的烧蚀阈值。基于不同扫描速度下的烧蚀阈值及对应的有效脉冲数，进一步可以计算出碳纤维增强聚合物的孵化系数。本发明可以定量得探究碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值，通过孵化系数还可以预测不同扫描速度下的烧蚀阈值。根据不同的加工需求确定激光通量的区间，从而降低实验成本，提高加工效率，因此对于飞秒激光加工碳纤维增强聚合物的实践过程具有指导意义。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，包括以下步骤：

步骤一、通过飞秒激光线扫描的方式加工碳纤维增强聚合物，测量被烧蚀区域的宽度；

步骤二、由于材料烧蚀区域边缘处的飞秒激光通量为材料的烧蚀阈值，根据高斯形状的激光束空间分布模型，建立单个脉冲作用下的烧蚀阈值模型：

D为烧蚀区域直，F

步骤三、建立飞秒激光加工碳纤维增强聚合物的孵化效应模型，碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值随着激光脉冲数的增加而降低：

其中，N

步骤四、建立飞秒激光加工碳纤维增强聚合物的孵化效应模型根据孵化系数预测不同激光扫描速度下碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值：

lg[N

F

有益效果

1、本发明通过实验方法和理论结合的形式，可以定量地计算碳纤维增强聚合物中树脂基体和纤维的烧蚀阈值，具有普遍适用性。

2、本发明将多个飞秒激光脉冲引起的孵化效应引入至碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的计算中，建立起相应的模型，计算孵化系数，分析孵化现象的影响。

附图说明

图1为飞秒激光线扫描加工碳纤维增强聚合物示意图；

图2为不同飞秒激光扫描速度下，烧蚀区域直径随激光脉冲能量的变化；

图3为碳纤维增强聚合物烧蚀阈值随有效脉冲数的变化。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，包括如下步骤：

第一步，通过飞秒激光线扫描的方式加工碳纤维增强聚合物。本实施例中使用的飞秒激光参数为：脉冲宽度60fs，重复频率1000Nz，波长800nm，单脉冲能量5-100μJ，扫描速度200-1000μm/s。本实施例中使用光阑限制飞秒激光光束的形状和大小。快门与计算机相连，通过控制快门开启的时间，控制飞秒激光脉冲的数量。激光束通过平凸透镜聚焦照射到碳纤维增强聚合物样品表面。碳纤维增强聚合物样品被固定在六轴平移台上。增强电荷耦合器件(ICCD)相机用于确定加工位置与观察加工结果。采用衰减器调节作用在样品表面的激光能量，并用功率计测量激光脉冲的功率。

调节激光的脉冲能量，利用线扫描的方式进行烧蚀实验，测量烧蚀区域的宽度，加工示意图如图1所示。由于碳纤维增强聚合物具有各向异性的特点，因此平行于碳纤维方向加工与垂直于碳纤维方向加工，碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值并不相同。本实施例中以飞秒激光扫描方向平行于碳纤维方向加工为例。为了减小误差，飞秒激光扫描方向平行于碳纤维方向加工五条平行的直线，。为了进一步减小误差，使用同一个飞秒激光参数加工5条平行的直线，在测量烧蚀区域宽度时，每条直线测量5次，25次数据的平均值作为烧蚀区域的宽度D。

实验中使用的飞秒激光光束为高斯光束，高斯形状的激光束空间分布如下式所示

式中F(r)表示与光束中心距离r处的激光通量，F

激光的峰值通量F

激光单个脉冲能量E

飞秒激光加工时，烧蚀区域内发生了烧蚀现象，烧蚀区域外未发生烧蚀现象。因此材料烧蚀区域边缘处的飞秒激光通量为材料的烧蚀阈值。烧蚀区域边缘的激光通量可通过峰值通量F

其中，D为烧蚀区域直径，ω

计算结果如图2所示，不同飞秒激光扫描速度下，烧蚀区域直径随激光脉冲能量的变化。当烧蚀区域直径为零时，即拟合直线与横轴相交时，样品恰好未发生烧蚀。根据此时激光单个脉冲能量E

上述第二步中的烧蚀阈值F

碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值随着有效脉冲数的增加而减少，具体满足以下公式

F

其中，N为飞秒激光脉冲个数，F

通过飞秒激光线扫描的方式加工碳纤维增强聚合物，相邻的飞秒激光脉冲存在部分重叠区域。因此公式(4)中的飞秒激光脉冲个数N需替换为有效脉冲数N

N

结果如图3所示，可以根据孵化系数及对应的有效脉冲数预测不同激光扫描速度下碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值。

为了验证实验结果的准确性，表1对比了预测结果与实验测量结果。

由表1可以看出，烧蚀阈值的预测值与实验值误差均小于10％，由此可以证实该模型的准确性。

表1碳纤维增强聚合物中树脂基体烧蚀阈值的预测值与实验值对比

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。