Дослідження впливу адсорберів лазерного випромінювання на абляцію фемтосекундними лазерними імпульсами армованого вуглецевим волокном пластику

Анотація

Армовані вуглепластики (CFRP) набули популярності завдяки своїм переважним властивостям, зокрема високому співвідношенню міцності до ваги, стійкості до хімічних речовин та гнучкості конструкції. Однак обробка цих композитних матеріалів залишається складним завданням через неоднорідність вуглецевих волокон і полімерної матриці. Лазерна обробка, особливо за допомогою надшвидких фемтосекундних лазерів, стала багатообіцяючою технологією для точної обробки вуглепластиків. Перевагами цього методу є мінімальне термічне пошкодження та підвищена точність абляції. Однак різниця у швидкості абляції між епоксидною матрицею та вуглецевими волокнами часто перешкоджає ефективності процесу. У цьому дослідженні вивчається використання добавок на основі гідроксиапатиту для покращення взаємодії лазера з матеріалом та оптимізації поведінки при абляції систем з вуглепластику. Зокрема, мікрочастинки коп-пер-заміщеного гідроксиапатиту (Cu-HAp), які відомі своїм сильним поглинанням в ближній інфрачервоній області (NIR) близько 1030 нм, були синтезовані і введені в епоксидну матрицю. Гі-дроксиапатит кальцію (Ca-HAp), термічно стабільна і біосумісна кераміка з низьким поглинанням в ближній інфрачервоній області, був використаний як еталон для оцінки питомого внеску іонів міді. Епоксидні композити з 5 мас. % різних композицій наповнювачів (100% Cu-HAp, 75% Cu-HAp/25% Ca-HAp та 50% Cu-HAp/50% Ca-HAp) були підготовлені та інкорпоровані в ламінати CFRP. Фемтосекундну лазерну абляцію при 1030 нм проводили в оптимізованих умовах для кожного типу зразків, після чого оцінювали морфологію поверхні за допомогою оптичної профілометрії та СЕМ. Результати показали, що включення наповнювачів Cu-HAp сприяло підвищеному поглинанню енергії, тим самим сприяючи більш ефективній абляції зі зменшеним термічним пошкодженням порівняно з немодифікованою епоксидною смолою і системами, наповненими Ca-HAp. Заміна Cu-HAp на Ca-HAp збільшила необхідну інтенсивність лазерного випромінювання та енергоспоживання. Це вказує на те, що іони міді посилюють локалізоване нагрівання та зв'язок енергії. SEM-зображення показали, що частинки Cu-HAp мають пористу, агреговану морфологію, яка перерозподіляє теплову енергію, в той час як Ca-HAp має щільнішу, одноріднішу структуру наповнювача зі зменшеною пористістю. Ця робота показує потенціал Cu-HAp як функціональної добавки для регулювання взаємодії фемтосекундного лазерного випромінювання з композитними матеріалами та покращення результатів мікрообробки. Отримані результати підтверджують доцільність використання керамічних наповнювачів, що поглинають інфрачервоне випромінювання, для вирішення загальних проблем, пов'язаних з лазерною обробкою вуглепластиків, включаючи зони термічного впливу та абляційну неоднорідність.