毫秒/納秒激光致碳纖維環(huán)氧樹脂損傷形貌研究

姜珊珊,蔡繼興,金光勇,苑博識

(長春理工大學(xué) 理學(xué)院 , 長春 130022)

引 言

復(fù)合材料是一種復(fù)雜的新型材料，近些年來復(fù)合材料迅速發(fā)展，由于其具有較高的比剛度、比強(qiáng)度，因而作為傳統(tǒng)金屬材料的替代材料已被廣泛應(yīng)用于航空、航天飛行器和汽車等領(lǐng)域，其中應(yīng)用最廣的為碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗燒蝕性能是其重要的性質(zhì)，因此掌握其作用過程燒蝕機(jī)制，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值[1]。碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是由兩種完全不同的材料組成的，其基體環(huán)氧樹脂是高分子有機(jī)化合物，在激光與碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相互作用過程中，其材料的燒蝕性能與激光特性有關(guān)[2-4]。因此，研究激光參量變化對碳纖維環(huán)氧樹脂材料所產(chǎn)生的不同損傷特性，以及對其損傷機(jī)理進(jìn)行分析具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

一些學(xué)者對激光與碳纖維復(fù)合材料的燒蝕破壞和加工已經(jīng)開展了一定的研究。近幾年來，研究者對激光與復(fù)合材料相互作用過程中的切割工藝[5-6]、熱燒蝕規(guī)律[7]、彈性模量[8-9]、吸收特性[10-11]、燒蝕閾值[12]進(jìn)行了研究。國外的一些學(xué)者對長脈沖激光對復(fù)合材料進(jìn)行打孔[13]以及對材料表面粗糙度粘附性[14]等進(jìn)行了研究。國內(nèi)學(xué)者WAN等人對不同激光參量下復(fù)合材料樣品的損傷形貌進(jìn)行了分析[15]。HUANG等人采用了Nd∶YAG連續(xù)激光輻照碳纖維/環(huán)氧樹脂，并利用高速攝像的方法分析了熱燒蝕規(guī)律[16]。ZHAO使用不同脈沖寬度的激光對碳纖維超硬材料進(jìn)行加工，并對加工效果進(jìn)行分析[17]。2013年，ECAULT等人對激光沖擊波對增強(qiáng)型碳纖維復(fù)合材料的損傷進(jìn)行了研究，使用光學(xué)顯微鏡，X射線照相術(shù)，或干涉共聚焦顯微鏡來表征激光沖擊波的損傷[18],并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，得到了動態(tài)負(fù)載下碳纖維復(fù)合材料的損傷結(jié)果。目前，激光對碳纖維復(fù)合材料的損傷機(jī)理研究主要集中在對激光的切割以及熱燒蝕率的研究，實(shí)驗(yàn)手段主要采用掃描電子顯微鏡、高速攝像等方法，這些方法并不能給出損傷深度以及損傷形貌的變化，并且不同的激光參量對復(fù)合材料的損傷形貌作用效果不同。因此，關(guān)于不同脈寬激光輻照復(fù)合材料的損傷形貌及損傷深度鮮見系統(tǒng)的報道。

本文中采用了毫秒/納秒脈沖激光輻照碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，得到碳纖維環(huán)氧樹脂在不同能量密度下的損傷形貌，通過對其損傷深度及損傷面積進(jìn)行測量分析，得到了兩種脈寬激光與碳纖維環(huán)氧樹脂相互作用的規(guī)律特性，揭示了其損傷特性的差異。研究結(jié)果可為激光加工碳纖維環(huán)氧樹脂提供實(shí)驗(yàn)上的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置由激光器、分光鏡、聚焦透鏡、可移動3維樣品平臺、能量計(jì)、示波器組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。其中激光器采用納秒激光器(輸出激光波長為1064nm，激光能量范圍為0J～2J可調(diào)節(jié)，輸出激光脈寬為1ns～10ns可調(diào)節(jié)，重復(fù)頻率為1Hz～10Hz可調(diào)節(jié)，本振電壓為100V～1000V可選)、毫秒激光器(輸出波長為1064nm，輸出激光脈寬為1ms～3ms可調(diào)節(jié)，重復(fù)頻率為1Hz～10Hz可調(diào)節(jié)，激光輸出能量為1J～20J可調(diào)節(jié))。實(shí)驗(yàn)過程中，一部分激光被分光鏡反射到能量計(jì)上，以便實(shí)時監(jiān)測激光能量值；另一部分激光經(jīng)過聚焦透鏡輻照在碳纖維環(huán)氧樹脂表面，通過3維平移臺調(diào)節(jié)碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的位置，通過調(diào)節(jié)聚焦透鏡的位置可以控制作用激光光斑的大小。采用脈寬探頭將激光漫反射的光采集，并且通過示波器對脈寬進(jìn)行測量。燒蝕后靶材的損傷形貌及深度利用全自動變焦3維表面測量儀進(jìn)行測量。全自動變焦測量技術(shù)是一種新型的表面形貌測量技術(shù)，其工作原理結(jié)合了景深測量與垂直掃描兩種有效的技術(shù)。當(dāng)光線通過共軸的分光棱鏡和物鏡，匯聚到材料上，在表面發(fā)生反射，反射的光學(xué)信號經(jīng)由分光棱鏡被信號傳感器所接受。通過連續(xù)的自動掃描及圖像處理，來獲得完整的表面3維形貌。實(shí)驗(yàn)中采用1ms和10ns脈沖激光對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行多次輻照實(shí)驗(yàn)，其中光斑半徑均為0.7mm，重復(fù)頻率均為1Hz，得到了能量密度在8.6J/cm2～130.0J/cm2范圍內(nèi)的損傷形貌，對其進(jìn)行測量分析。

Fig.1 Experimental system for laser-irradiating carbon fiber epoxy resin composite material

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 毫秒/納秒脈沖激光輻照碳纖維環(huán)氧樹脂損傷面積研究

實(shí)驗(yàn)中采用自動變焦3維表面測量儀對損傷后的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的損傷面積進(jìn)行離線測量。

Fig.2 Relationship between damage area of carbon fiber epoxy resin and energy density under the action of millisecond/nanosecond pulsed laser

圖2所示分別為在毫秒/納秒脈沖激光作用下，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷面積隨能量密度變化規(guī)律。由于碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是由兩種不同材料組成，在判定材料的損傷面積時，以材料整體任意部分發(fā)生的損傷判定其損傷面積，即碳纖維未發(fā)生損傷，環(huán)氧樹脂損傷即判定其被損壞。由圖2可知，在兩種脈寬激光作用條件下，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷面積隨著能量密度的變化整體趨勢是一致的，但其損傷面積的數(shù)值卻存在著很大的差異。

在納秒脈沖激光作用下，損傷面積的上升趨勢比較明顯；而在毫秒脈沖激光作用下，損傷面積隨能量密度變化比較緩慢平穩(wěn)。這是由于在納秒脈沖作用下，損傷區(qū)域隨能量密度的增加而向外延伸，并且在光斑周圍有明顯的熱反應(yīng)區(qū)域，在能量密度較小時，材料表面熱反應(yīng)區(qū)也較小；而在能量密度增大時，更多的損傷效果體現(xiàn)在光斑作用區(qū)域周圍的環(huán)氧樹脂的損傷及熱反應(yīng)區(qū)的增大，當(dāng)能量密度大于47.3J/cm2的時候，表面的熱反應(yīng)區(qū)尤為明顯。而當(dāng)在毫秒脈沖激光作用下，損傷面積上升趨勢比較緩慢，由于時間的積累，損傷區(qū)域主要為熔融損傷，隨著激光能量密度的增大，損傷區(qū)域會有一定深度變化，損傷面積變化不明顯。

2.2 毫秒/納秒脈沖激光輻照碳纖維環(huán)氧樹脂損傷深度研究

圖3分別為在毫秒/納秒脈沖激光作用下，能量密度為20.5J/cm2時，碳纖維環(huán)氧樹脂損傷深度圖。在碳纖維環(huán)氧樹脂損傷區(qū)域表面上截取一條線，觀察碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在截線上的高度分布，其切割線高度分布如圖3所示。如圖3a所示，當(dāng)激光能量密度為20.5J/cm2時，在毫秒脈沖激光作用下，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷深度達(dá)到了47.3μm，材料表面析出的炭化物的高度為157.1μm；而在納秒脈沖激光作用下，如圖3b所示，碳纖維環(huán)氧樹脂的表面析出的炭化物高度為107.1μm，材料表面并沒有明顯的深度變化，其只是表層損傷。產(chǎn)生這種差異的原因是由于在毫秒脈沖激光作用下，主要是熱損傷，達(dá)到材料的熔點(diǎn)時，材料中心會產(chǎn)生熔融損傷，產(chǎn)生一定損傷深度。而當(dāng)局部溫度升高到樹脂基體熔點(diǎn)時，在激光熱源的作用下，激光輻照區(qū)域表面層附近的聚合物會發(fā)生熔融、軟化，其樹脂基體熱解會形成不飽和碳?xì)浞肿?，這些不飽和的碳?xì)浞肿咏?jīng)過一系列脫氫、聚合后，形成了炭黑，在輻照區(qū)域周圍可以明顯地看到有熔融焦化的聚合物析出，并覆蓋在原來的碳纖維表面上，會產(chǎn)生一定的高度。當(dāng)納秒脈沖激光作用時，由于作用時間較短，溫度未到達(dá)環(huán)氧樹脂熱解熔融的溫度，對復(fù)合材料的損傷只是表層損傷，并未產(chǎn)生損傷深度，而在損傷區(qū)域周圍，會看到一些碳化物的堆積。

Fig.3 a—damage depth of carbon fiber epoxy resin with energy density of 20.5J/cm2under millisecond pulsed laser b—damage depth of carbon fiber epoxy resin with energy density of 20.5J/cm2under nanosecond pulsed laser

Fig.4 Relationship between damage depth of carbon fiber epoxy resin and energy density under millisecond/nanosecond pulsed laser

圖4為在毫秒/納秒脈沖激光作用下，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷深度隨能量密度的變化規(guī)律。由前面的分析可以得到，在毫秒脈沖激光作用下，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷深度隨激光能量密度的增大而增大，這是由于隨著激光能量密度的增大，材料表面中心產(chǎn)生了熔融損傷，并且深度逐漸增大。而在納秒脈沖激光作用下，由于作用時間較短，沒有一定的時間積累，碳纖維環(huán)氧樹脂沒有明顯的損傷深度，材料只是表層損傷，沒有產(chǎn)生一定的深度，損傷深度幾乎為0。

圖5為在毫秒/納秒脈沖激光作用下，碳纖維環(huán)氧樹脂表面析出的碳化物隨能量密度的變化規(guī)律。碳纖維環(huán)氧樹脂表面產(chǎn)生碳化物是由于在激光的熱作用下，激光輻照區(qū)域表面層附近的聚合物會發(fā)生熔融、軟化，其樹脂基體熱解會形成不飽和碳?xì)浞肿?，這些不飽和的碳?xì)浞肿咏?jīng)過一系列脫氫、聚合后，形成了炭黑，覆蓋在輻照區(qū)域邊緣，會產(chǎn)生一定的高度。在這個過程中，材料熱膨脹也導(dǎo)致材料中心出現(xiàn)材料中心出現(xiàn)材料分層、纖維斷裂以及纖維凸起等高度變化，但高度并沒有輻照區(qū)域周圍殘?zhí)糠e累的高度明顯。由圖5可知，碳化物的在輻照區(qū)域邊緣附著的高度隨著能量密度的增大逐漸升高。在相同能量密度下，毫秒脈沖作用下表面碳化物的高度比在納秒脈沖作用下高，這是由于毫秒脈沖激光對材料的損傷比較嚴(yán)重，表層材料斷裂、融化和分解產(chǎn)生的堆積也比納秒脈沖作用下的明顯。

Fig.5 Relationship between carbonized height of carbon fiber epoxy resin and energy density under millisecond/nanosecond pulsed laser

2.3 毫秒/納秒脈沖激光輻照碳纖維環(huán)氧樹脂損傷形貌研究

圖6為在毫秒脈沖激光作用下，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷形貌隨著能量密度的變化規(guī)律。由圖可知，在低能量密度下，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷面積較小，材料表面的熱反應(yīng)區(qū)形狀呈橢圓型，并隨著能量密度的增加損傷面積逐漸變大。由于每層碳纖維環(huán)氧樹脂材料徑向和軸向的熱傳導(dǎo)系數(shù)均不同，而且主要成分碳纖維和環(huán)氧樹脂的熱物性差別很大，并且在材料表層以下的碳纖維采用單項(xiàng)的鋪層方式，在熱傳遞上有著很強(qiáng)的方向性，因此碳纖維環(huán)氧樹脂在毫秒脈沖激光輻照下，由于時間的積累，表現(xiàn)出了各向異性的燒蝕特征，表現(xiàn)為橢圓形狀的燒蝕區(qū)。

Fig.6 Damage morphology of carbon fiber epoxy resin with energy density under the action of millisecond pulsed laser

a—8.6J/cm2b—20.5J/cm2c—69.2J/cm2d—119.2J/cm2

在毫秒脈沖激光作用初期，由于材料吸收激光能量，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料表面溫度迅速升高，發(fā)生氧化、軟化和分解效應(yīng)，同時表面樹脂基體焦化生成炭黑粉末，在材料表面產(chǎn)生多種成分混合的噴濺物。隨著能量密度的增大，可以觀察到材料表面纖維絲崩裂，并有熔覆現(xiàn)象，當(dāng)局部溫度升高到樹脂基體熔點(diǎn)時，在熱源的作用下，激光輻照區(qū)域內(nèi)層樹脂基體熱分解會形成不飽和碳?xì)浞肿?，這些不飽和的碳?xì)浞肿咏?jīng)過一系列脫氫、聚合后，形成了炭黑，在輻照區(qū)域周圍可以明顯的看到熔融焦化的聚合物析出，并覆蓋在原來的碳纖維表面上。

隨著毫秒激光能量密度從低到高,依次出現(xiàn)的主要燒蝕現(xiàn)象為：(1)碳纖維環(huán)氧樹脂的表面樹脂基體焦化生成炭黑粉末的激光表面燒蝕現(xiàn)象；(2)碳纖維環(huán)氧樹脂內(nèi)層樹脂材料熱分解的激光體燒蝕現(xiàn)象；(3)表面氣化燃燒的激光表面燒蝕現(xiàn)象。

Fig.7 Damage morphology of carbon fiber epoxy resin with energy density under the action of nanosecond pulsed laser

a—8.6J/cm2b—20.5J/cm2c—69.2J/cm2d—119.2J/cm2

圖7為在納秒脈沖激光作用下，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷形貌隨著能量密度的增大的變化規(guī)律。由圖7可知，碳纖維環(huán)氧樹脂的損傷面積隨著能量密度的增大逐漸增大。在納秒脈沖激光作用下，材料的損傷區(qū)域?yàn)閳A形，這是由于損傷形式主要為表層損傷，并且納秒激光能量更好地分布在材料表面激光作用區(qū)周圍，而非只向單一方向延伸，因此可以觀察到損傷區(qū)域周圍有較明顯熱影響區(qū)。隨著能量密度的增大，激光能量在碳纖維復(fù)合材料表面上迅速沉積，樹脂基體裂解炭化程度加劇，在材料表面殘留的炭黑，在輻照區(qū)周圍會有聚合物沉積，并覆蓋在原來的碳纖維表面結(jié)構(gòu)上。當(dāng)能量密度達(dá)到119.2J/cm2時，由于納秒脈沖激光作用時間短而快，激光會對復(fù)合材料產(chǎn)生一定的沖力，當(dāng)壓力足夠大時，材料內(nèi)部的樹脂裂解，產(chǎn)生的氣體會對材料表層的碳纖維布有膨脹壓力的作用，當(dāng)內(nèi)部氣體向外膨脹可以沖開孔隙和表面聚合物的凝結(jié)力時，氣體將會噴出表層，對纖維造成一定的損傷，導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)斷裂，光斑中心會有明顯的纖維凸起。在此過程中，由于纖維樹脂不同屬性的材質(zhì)之間熱膨脹系數(shù)的差異，由熱效應(yīng)累積帶來的材料表面溫度梯度變化會導(dǎo)致表層碳纖維受到熱應(yīng)力的影響，同時也會導(dǎo)致纖維斷裂。

與毫秒脈沖激光作用效果差異之處，納秒脈沖主要為表層損傷，作用時間短而快，損傷主要作用在碳纖維環(huán)氧樹脂表面，并沒有明顯損傷深度；而毫秒脈沖主要為熱損傷形式，會在損傷區(qū)域中心產(chǎn)生一定的溫度積累，對材料中心有一定的熱效應(yīng)。

3 結(jié) 論

采用全自動變焦測量技術(shù)分析了在毫秒/納秒脈沖激光作用下碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的損傷形貌的變化。在納秒脈沖激光作用下，損傷面積的上升趨勢比較明顯；相比之下，在毫秒脈沖激光作用下，損傷面積隨能量密度變化比較緩慢平穩(wěn)；在毫秒脈沖激光作用下，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料出現(xiàn)了表面樹脂焦化、內(nèi)層樹脂熱分解、表面氣化燃燒等現(xiàn)象，損傷深度及碳化物高度隨著激光能量密度增大而增大；由于納秒脈沖激光作用時間短而快，損傷形式主要為表層損傷，隨著能量密度的增大，在碳纖維環(huán)氧樹脂內(nèi)部產(chǎn)生的氣向外膨脹，以及表層碳纖維受到熱應(yīng)力的影響，導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)斷裂。