一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法

本发明涉及一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，属于飞秒激光微纳加工复合材料。

背景技术：

1、作为一种非接触式加工方法，激光加工具有无切削力、生产效率高和质量可靠等优点。在各种类型的激光器中，飞秒激光因其超短脉宽、峰值功率高、附带损伤小等特点，被证明在加工碳纤维增强聚合物时特别有效。飞秒激光加工碳纤维的主要方法包括切割时的同步去除(同时去除树脂基体和碳纤维)和表面处理时的选择性去除(去除树脂基体但保留碳纤维)。当飞秒激光脉冲照射到碳纤维增强聚合物上时，通过设置不同的激光通量，加工后的碳纤维增强聚合物所产生的结构会有很大不同。在这种情况下，最重要的问题是烧蚀阈值通量。

2、目前，尚不具有能够从定量计算飞秒激光加工碳纤维增强聚合物时烧蚀阈值的实验方法。而且孵化效应对飞秒激光加工碳纤维增强聚合物时烧蚀阈值的影响仍不清晰。孵化效应是指随着激光脉冲照射次数的增加而减小，也被称为损伤累积现象。因此，建立一种能够快速并准确测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，对于飞秒激光加工复合材料的机理解释和加工指导显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决飞秒激光高精密加工碳纤维增强聚合物和预测飞秒激光加工碳纤维增强聚合物时的烧蚀阈值问题，提供一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法。

2、本发明根据被烧蚀区域的直径结合激光线扫描的实验方式可以定量地计算出碳纤维增强聚合物在不同扫描速度下的烧蚀阈值。基于不同扫描速度下的烧蚀阈值及对应的有效脉冲数，进一步可以计算出碳纤维增强聚合物的孵化系数。本发明可以定量得探究碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值，通过孵化系数还可以预测不同扫描速度下的烧蚀阈值。根据不同的加工需求确定激光通量的区间，从而降低实验成本，提高加工效率，因此对于飞秒激光加工碳纤维增强聚合物的实践过程具有指导意义。

3、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

4、一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，包括以下步骤：

5、步骤一、通过飞秒激光线扫描的方式加工碳纤维增强聚合物，测量被烧蚀区域的宽度；

6、步骤二、由于材料烧蚀区域边缘处的飞秒激光通量为材料的烧蚀阈值，根据高斯形状的激光束空间分布模型，建立单个脉冲作用下的烧蚀阈值模型：

7、

8、d为烧蚀区域直，fth为烧蚀阈值，根据实验测得的烧蚀区域直径d和激光单个脉冲能量epulse计算烧蚀阈值fth；

9、步骤三、建立飞秒激光加工碳纤维增强聚合物的孵化效应模型，碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值随着激光脉冲数的增加而降低：

10、

11、

12、其中，ne为飞秒激光有效脉冲个数，fth(ne)为ne个飞秒激光脉冲下材料的烧蚀阈值，s为材料的孵化系数，v为飞秒激光的扫描速度，n为扫描次数，d为聚焦后的光斑直径，f为飞秒激光的重复频率；

13、步骤四、建立飞秒激光加工碳纤维增强聚合物的孵化效应模型根据孵化系数预测不同激光扫描速度下碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值：

14、lg[nefth(ne)]＝slg(ne)+lg[fth(1)]      (4)

15、fth(ne)为ne个飞秒激光脉冲下碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值，s为孵化系数。

16、有益效果

17、1、本发明通过实验方法和理论结合的形式，可以定量地计算碳纤维增强聚合物中树脂基体和纤维的烧蚀阈值，具有普遍适用性。

18、2、本发明将多个飞秒激光脉冲引起的孵化效应引入至碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的计算中，建立起相应的模型，计算孵化系数，分析孵化现象的影响。

技术特征：

1.一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种测量飞秒激光加工碳纤维增强聚合物烧蚀阈值的方法，属于飞秒激光微纳加工复合材料技术领域。根据被烧蚀区域的直径结合激光线扫描的实验方式可以定量地计算出碳纤维增强聚合物在不同扫描速度下的烧蚀阈值。基于不同扫描速度下的烧蚀阈值及对应的有效脉冲数，进一步可以计算出碳纤维增强聚合物的孵化系数。本发明可以定量得探究碳纤维增强聚合物的烧蚀阈值，通过孵化系数还可以预测不同扫描速度下的烧蚀阈值。根据不同的加工需求确定激光通量的区间，从而降低实验成本，提高加工效率，因此对于飞秒激光加工碳纤维增强聚合物的实践过程具有指导意义。

技术研发人员：姜澜,吉鹏飞,赵晋晖
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22