【摘 要】
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本文从理论分析、数值模拟及实验研究等方面对近红外波段的CW激光、ms激光和ns激光分别辐照碳纤维增强环氧树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）时的作用机理及在激光加工中的应用进行了研究。基于红外激光面吸收机制,推导并建立了CFRP的激光热烧蚀模型,模型同时包含了激光体烧蚀和面烧蚀过程。仿真计算结果表明,到靶激光功率密度在1000W/cm~2以内的
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本文从理论分析、数值模拟及实验研究等方面对近红外波段的CW激光、ms激光和ns激光分别辐照碳纤维增强环氧树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）时的作用机理及在激光加工中的应用进行了研究。基于红外激光面吸收机制,推导并建立了CFRP的激光热烧蚀模型,模型同时包含了激光体烧蚀和面烧蚀过程。仿真计算结果表明,到靶激光功率密度在1000W/cm~2以内的CW激光对CFRP的主要烧蚀机制为单一体烧蚀,引起CFRP的力学破坏效果有限。在相同激光辐照时间内,随激光功率密度的增加,CFRP的单位时间质量损失亦增加;但在激光长时间辐照下,随激光辐照时间的增加,CFRP的单位时间质量损失和单位能量质量损失又将减小。当到靶激光功率密度在1000W/cm~2以上时,激光对CFRP的热烧蚀机制转为面烧蚀与体烧蚀的共同作用。在此激光作用条件下,研究了不同激光工作体制对CFRP打孔的影响。在激光到靶平均功率密度相同的前提下,激光的打孔速度、单位能量质量损失和材料移除机制等都直接受激光工作体制的影响。在高激光峰值功率密度、低重复频率的ms激光模式下,CFRP有较快的激光打孔速度,有利于减小材料的热影响区,降低激光打孔时的能量消耗。发明了一种利用近红外ns激光对粘接前的CFRP表面进行激光处理的方法:使用1064nm的ns激光热解CFRP表面树脂层与碳纤维层的交界面处的部分树脂基体并产生气体压强,利用该压强的机械剥蚀机制,得到低能效比的CFRP表面激光清洗结果。该方法在激光清洗CFRP表面树脂基体的同时,还引起碳纤维表面产生条纹结构,增加了粘接操作时CFRP表面的粘接面积和机械锁合强度。本文研究结果可为激光加工CFRP领域的进一步工艺优化提供理论和实验依据。
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