激光器在高分子复合材料中的应用

导读： 复合材料在航空领域的大量使用，推动了相关应用的发展。使用复合材料能降低重量，这一点对航空业而言特别重要。

　　CFRP切割及钻孔的应用进展

　　自上世纪80年代中期起，人们就开始就激光工艺应用于二维CFRP复合材料进行大量的研究。在激光器的选择上，不仅有红外线固态激光器，还有远红外二氧化碳气体激光器；在复合材料的选择上，覆盖多种强化纤维类型，包括碳纤维、芳纶（对位芳酰胺纤维）、E级玻璃纤维、S级玻璃纤维，基体材料基本都是环氧树脂。

　　随着皮秒及毫秒激光器的问世，高分子复合材料研究人员发现了一些有趣的现象。后来，人们又用纳秒级激光器以532 nm、266 nm波长在CFRP等高分子复合材料上进行实验。激光切割最常用的方法是使用检流扫描仪及多通道高速传导，不添加辅助气体。小孔径冲击钻方法相同；但如果是大孔径，则需要用到同心圆和/或螺旋切割工艺。由于适合商业应用的短波长、短脉宽的激光器平均功率有限，所以当厚度超过1 mm时，尽管切割质量还不错，但是速度太慢。当用模型确定最小的热损伤时，结果显示，清除碳纤维需要极高的热焓。以6 m/min的速度切割2 mm厚CERP时，功率计算值达到几千瓦。切割速度与材料厚度往往与平均功率直接相关。在实际的商业应用中，成本/ 千瓦 功率也是一个重要的考量因素。

　　最近，一组光纤激光器加工空客A350XW结构部件的相关数据使人眼前一亮。厚度2.2 mm，用激光器切割、钻孔，使用多通道、高速扫描工艺，可惜的是，最后出于收益考虑，激光器未被采用。尽管困难重重，前行的脚步却从未停止。研究发现，用二氧化碳作为辅助气体，结合检流计、远程切割工艺，可有效降低热能，配合不同的扫描方式，结果颇具实用性，尤其是像钻孔这种可以平行加工的应用。

　　CFPR的其他激光应用

　　去漆：多年来，人们一直在进行关于激光去漆方面的研究，目前有若干种商业系统可用于金属去漆，所用激光器为二氧化碳激光器和连续型/脉冲型光纤激光器。大量使用复合材料的航空业仍停留在化学去漆阶段，毫无疑问，化学方法对环境有害，所以激光去漆工艺对航空业而言特别重要。有两种方法看起来都不错，一种是用连续型光纤激光器，另一种是用高平均功率、Q开关光纤激光器。不过目前获取到的相关信息非常少，唯一知道的就是现在正在使用的自动转子叶片去漆系统（BRBSS），这种系统用于直升机螺旋桨复合材料的脱漆。

　　BRBSS采用的是脉冲型红外线激光器，附带一个色彩识别系统。通过BRBSS，用户可以选择脱漆至露出锌铬黄底漆而不影响基材，如果用户通过闭环反馈系统进行全程控制，还能选择连同底漆一起去除，完全不会破坏下面的复合材料。创新性、高平均功率、Q-开关光纤激光器的应用，可显著降低每 kW功率的成本。多机器并用，有助于提高清除率。和其他领域一样，该应用的定位也是具有成本优势，经过多年的发展完善，其商业价值已日益凸显。

　　提高粘合强度：人们还在进行两项与激光器及复合材料相关的工艺研究。其一是在传统的粘合工艺之前，用波长为355 nm的紫外线（UV）激光器或是波长为308 nm的准分子激光器对复合材料表面进行清洁及强化。传统的表面处理有单一机械性打磨或是等离子处理等，与之相比，用紫外线激光器处理，复合材料表面的粘合力有所改善，但是仅仅凭借这一点，还不能得出后者必定优于前者的结论。虽然粘合强度数据本身不能充分说明问题，但是显著且持续的改善比例（>20%）却足以证明，紫外线激光器在复合材料表面处理方面确有其优势。

　　局部修复：另一个研究重点是用脉冲激光器进行局部修复。目前被公认为最具应用前景的方案是在受损区域进行激光烧蚀，再注入少量粘合剂，进行局部修复。其商业价值仍有待考证。

　　热塑性复合材料的发展

　　所幸的是，以上种种“束手无策“都伴随着热塑性复合材料的应用，出现了转机。热塑性塑料可热加工，可多次熔化凝固，同时保持属性不变。与热固性复合材料在凝固过程中发生的永久不可逆的化学交联反应完全不同，热塑性塑料曝露于高温环境时发生的是降解反应，而非熔化。得益于这种特性，热塑性塑料具有抗断裂性、可循环性、可修复性、耐化学性等多种属性，最重要的是，可缩短加工时间，降低生产成本。

　　应用最为广泛的热塑性复合材料有聚醚酰亚胺（PEI），聚醚醚酮（PEEK），以及聚苯硫醚（PPS），碳纤维强化或玻璃纤维强化范围相同。我们来举一个实际应用的例子：在2009年末成功完成首航的新型Gulfstream G650喷气式飞机，其方向舵及尾舵均由热塑性塑料制成，高温接合，不用钻孔及柳钉接合，这样不仅节约了成本，还降低了重量。复合材料用的是PPS基材，预浸纤维强化。预浸纤维表示纤维预先浸入树脂基体，然后经过热熔粘合工艺，形成最终形状。用这种材料支撑的部件坚硬、抗压、牢固，形状稳定，耐高温，且重量比轻合金还轻。

　　人们就热塑性复合材料的激光器切割及钻孔工艺进行了大量的研究， 尽管基材和纤维之间的物理属性差异仍然存在，但是基材的热塑属性燃起了人们发展激光工艺，提升工艺质量的希望。其实，真正的进展在于这种新型材料的热塑性，正是这种热塑性，才使得激光固结及热熔工艺的应用成为可能。

　　热塑性复合材料的激光固结

　　在生产热塑性复合材料时，预浸纤维的固结就是利用近红外光纤激光器完成的。和其他行业一样，激光器也可以更换光源。在整个自动铺带系统中，激光器是极为关键的部件（如图3、4所示）。这些机器可以高速生产复杂的3D部件，对激光光束时间及空间的精确控制，有助于强化闭环温度监控，提高熔融及固结工艺水平。随着激光加热系统（LHSs）的发展，AFP加热系统可进一步升级热气炬（HGT）。很显然，这也是未来的发展趋势。在这个领域 kW级光纤激光器随处可见。

　　此外，人们还寄望于通过激光加热器改良热固性复合材料AFP。现有的AFP大多数使用红外线加热系统，以便在编织之前提高预浸料表面的粘着性，但是广谱光总是会干扰红外线高温计，影响实时温度控制的精确度。