01
مقدمة
تتكون البوليمرات المقواة بألياف الكربون (CFRP) من راتينج يعمل كمواد طور المصفوفة وألياف الكربون تعمل كمواد طور التعزيز. من خلال الجمع بين خصائص المواد لكل من مصفوفة الراتنج وألياف الكربون المعززة، فإن ألياف الكربون المدعمة بألياف الكربون تظهر خصائص مثل الوزن الخفيف، ومقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، والصلابة العالية. وبالتالي، يتم استخدامه على نطاق واسع في المجالات ذات المتطلبات القوية للوزن الهيكلي-مثل الفضاء الجوي، وصناعة السيارات، وبناء السفن البحرية، وتوليد طاقة الرياح، والهندسة المدنية. تتضمن طرق التصنيع الأساسية لمواد CFRP قولبة نقل الراتينج (RTM)، وقولبة الأوتوكلاف، وقولبة الأكياس المفرغة، ولف الخيوط؛ تعمل هذه الطرق على تمكين إنتاج هياكل CFRP من خلال معالجة الأشكال القريبة من -الصافي-. ومع ذلك، في التطبيقات الصناعية العملية، عادةً ما تكون المعالجة الثانوية لـ CFRP مطلوبة لتحقيق الشكل الهندسي للجزء المطلوب-بما في ذلك ميزات مثل الثقوب والفتحات وأخاديد التجميع-ولتلبية دقة الأبعاد وتفاوتات الشكل المحددة في تصميم الجزء. نظرًا للفوارق الكبيرة في الخواص الحرارية والميكانيكية بين ألياف الكربون المقواة والراتنج المصفوفي داخل ألياف الكربون المدعمة بألياف الكربون، فإن هذه المعالجة الثانوية تمثل تحديات كبيرة وتكون عرضة لعيوب مختلفة، مما يؤدي غالبًا إلى انخفاض جودة المعالجة. ولذلك، لتلبية متطلبات الأبعاد والأداء للمكونات النهائية، فمن الأهمية بمكان دراسة تقنيات معالجة مواد CFRP واستكشاف طرق المعالجة عالية الجودة-والعالية- ذات الكفاءة.
02
آليات إزالة المواد في المعالجة بالليزر
مع ظهور مواد هندسية متقدمة تتمتع بخصائص فيزيائية معقدة-مثل البوليمرات المقواة بألياف الكربون (CFRP)-تضاءلت القدرة التنافسية للآلات الميكانيكية التقليدية، والآلات بنفث الماء، وآلات التفريغ الكهربائي تدريجيًا. في المعالجة بالليزر، تتضمن إزالة المواد بشكل أساسي امتصاص طاقة الليزر والاستجابة لها ونقلها داخل المادة. خلال هذه العملية، يشع الليزر سطح المادة، وتمتص الإلكترونات طاقة الفوتون. بعد ذلك، يحدث نقل الطاقة من خلال تصادمات الشبكة الإلكترونية-، مما يؤدي إلى زيادة في درجة حرارة الشبكة وانخفاض في درجة حرارة الإلكترون حتى يتم تحقيق التوازن الحراري بين الإلكترونات والشبكة. ومع ذلك، نظرًا لأن درجة حرارة التسامي لألياف الكربون (~3600 كلفن) تبلغ حوالي خمسة أضعاف درجة حرارة مصفوفة الراتنج (~800 كلفن)، فإن مدخلات الطاقة المطلوبة لإزالة ألياف الكربون أكبر بكثير من تلك المطلوبة للراتنج. علاوة على ذلك، نظرًا للتوصيل الحراري متباين الخواص لألياف الكربون، فإن الحرارة المتولدة أثناء عملية تسامي ألياف الكربون تنتشر بشكل تفضيلي في مصفوفة الراتنج، مما يؤدي إلى تحلل الراتنج وتكوين مواد ضارة. اقترح الباحثون آلية لإزالة مادة CFRP على مرحلتين: الانحلال الحراري الناجم عن الليزر- والتقشير الحراري الميكانيكي. تمتص البلازما المتولدة خلال المرحلة الأولية من استئصال المواد الحرارة وتنتج موجات صدمات حرارية اتجاهية. تتعرض ألياف الكربون المكشوفة أثناء المعالجة لقوى قص شعاعية، مما يؤدي إلى كسر هش وانفصال المواد.
عندما تنخفض مدة نبضة الليزر إلى أقل من 10 ps، تصبح مدة النبضة أقصر من زمن استرخاء شبكة الإلكترون -، مما يتسبب في انحراف آلية إزالة المواد عن الاجتثاث الحراري التقليدي. يتم توضيح آلية المعالجة في الشكل 2: تُظهر مادة الراتنج موصلية كهربائية ضعيفة وعددًا محدودًا من الإلكترونات الحرة، مع فجوة طاقة تبلغ 2-4 فولت؛ وعلى العكس من ذلك، تمتلك ألياف الكربون موصلية كهربائية جيدة وتحتوي على كمية معينة من الإلكترونات الحرة. أثناء تشعيع الليزر، تمتص الإلكترونات الحرة الموجودة داخل ألياف الكربون طاقة الليزر مباشرة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة النظام الإلكتروني. عندما تكون طاقة فوتون واحد أقل من فجوة نطاق الراتينج، يتم إنشاء إلكترونات حرة عبر آلية التأين متعدد الفوتون (MPI)، كما هو موضح في الشكل 2 (ب). عندما تتجاوز طاقة الفوتون الواحد فجوة النطاق، يهيمن تأين الفوتون-المفرد على آلية إثارة الإلكترون. تتصادم الإلكترونات الحرة المتولدة مع الإلكترونات المقيدة، وتنقل الطاقة من خلال التأين الصدمي؛ يؤدي هذا إلى حدوث التأين الانهياري-كما هو موضح في الشكل 2(ج)-مما يزيد بشكل كبير من كثافة الإلكترونات الحرة. خلال مرحلة تشعيع الليزر النبضي القصير للغاية، تتغير درجة حرارة الشبكة ببطء بسبب القصور الذاتي الحراري، بينما ترتفع درجة حرارة النظام الإلكتروني بسرعة. تتضمن انتقالات الطور المعنية كلاً من-التحولات الطورية الحرارية والحرارية. إذا كانت طاقة فوتون الليزر عالية بما فيه الكفاية، فإن الإلكترونات تمتص طاقة كافية للتغلب على قوى ربط كولوم للنواة الذرية، مما يؤدي إلى التأين الحراري ويترك وراءه عددًا كبيرًا من الأيونات الموجبة. تتنافر هذه الأيونات الموجبة مع بعضها البعض بسبب قوى كولوم، مما يؤدي إلى "انفجار كولوم" والاستئصال الكهروستاتيكي-وهي عملية تعرف باسم "الاستئصال البارد"-كما هو موضح في الشكل 2(د). مع حدوث تشتت طاقة الشبكة الإلكترونية - بشكل مستمر، ترتفع درجة حرارة الشبكة تدريجيًا، ويحدث التوصيل الحراري بين ألياف الكربون والراتنج، كما هو موضح في الشكل 2 (هـ). وبالتالي، عندما تتجاوز درجة الحرارة حدًا معينًا، تحدث تحولات الطور الحراري-مثل التبخر وانفجار الطور-، مما يؤدي إلى توليد درجة حرارة عالية-وضغط عالي-وكثافة-عالية من البلازما التي يتم إخراجها من السطح، وتحمل الحرارة بعيدًا ومعالجة الحطام.
تشير العيوب الموجودة داخل المنطقة-المتأثرة بالحرارة (HAZ) إلى المناطق الموجودة داخل ألياف الكربون المدعمة بألياف الكربون حيث تحدث تغييرات موضعية في الخصائص كنتيجة لتفاعلات مادة الليزر-، بالإضافة إلى عدم التجانس وتباين الخواص المتأصل في المادة. تشتمل هذه التغييرات على-التبخر غير المنتظم والتدهور الحراري لراتنج المادة الأساسية، بالإضافة إلى تعرض ألياف الكربون. يولد شعاع الليزر الغاوسي توزيعًا غير منتظم للطاقة المكانية، وتؤدي تأثيرات الانتشار الحراري إلى تسخين مادة CFRP بالقرب من منطقة المعالجة. في هذه المنطقة المحددة، تتجاوز الطاقة الحرارية العتبة المطلوبة لتحلل مصفوفة الراتنج ولكنها تظل أقل من العتبة المطلوبة لإزالة ألياف الكربون. وهذا يؤدي إلى تدهور خصائص الراتنج والتعرض الموضعي لألياف الكربون. داخل هذه المنطقة، يؤدي التوصيل الحراري إلى تسخين كل من الراتنج وألياف الكربون. ونظرًا للتفاوت الكبير بين درجات حرارة تبخر الراتينج وألياف الكربون، يتبخر الراتينج الموجود في هذه المنطقة بينما تفشل ألياف الكربون في الوصول إلى درجة حرارة التبخر، مما يؤدي إلى انكشاف ألياف الكربون.
