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值此创刊50周年之际，为重点呈现激光制造领域的前沿科技进步，《中国激光》将于2017年第4期出版《前沿激光制造》青年编委会画册。 2024年。本专辑汇聚了20多位青年学者的创新与探索，探讨了激光制造领域未来需要探索的方向和预期突破。
北京理工大学李鑫教授撰写的综述论文被评为专辑“封面文章”。本文综述了碳纤维增强复合材料（CFRP）各种加工方法的研究进展，从方法、工艺和机理层面介绍了CFRP的激光加工。总结了当前的研究现状，总结了CFRP在航空航天领域的应用，分析讨论了CFRP激光加工尚存的挑战，并做出了相应的展望。
李鑫、宋启猛、张学强、王少谦、张章虎。碳纤维增强复合材料激光加工及其在航空航天中的应用（特邀）[J].中国激光，2024, 51(4): .
封面解读
封面展示了激光切割碳纤维增强复合材料在探测卫星上的应用。碳纤维增强复合材料（CFRP）已成为轻质、高性能、低成本制造的关键材料之一。 CFRP构件由各向异性碳纤维增强材料和树脂基体按所需配比和层压角度压制而成。高能激光束作用于材料表面，实现碳纤维和树脂的均匀切割或选择性去除，这是最先进的方法。理想的加工工具之一。
1.
研究背景
随着航空航天器件向大尺寸、高承载、长寿命方向发展，结构轻量化、高刚度成为飞机、火箭、卫星等航空航天产品设计和制造的基本要求。碳纤维增强复合材料（CFRP）是由碳纤维增强相和聚合物（一般为树脂）基体按所需配比和铺层角度压制而成[1]（图1）。具有重量轻、比强度、比模量高的特点。具有强度高、耐腐蚀、热膨胀低、抗疲劳性能好、可设计性强等突出优点。它是近年来在航空航天领域应用最典型、最广泛、最重要的复合材料之一，被誉为“航空航天复合材料的黑金”。具体应用如图2所示。
在航空航天装备加工制造中，CFRP构件需要进行大量的切割、钻孔、修整等加工工序才能满足工艺要求[6]。 CFRP本身的不均匀性、耐磨性、高硬度等特性，使其在加工过程中容易出现分层、毛刺、热损伤等加工缺陷，成为典型的难加工材料[8]。目前CFRP加工方法主要有机械加工、超声波振动辅助加工、水射流加工、放电加工、激光加工等。
本文综述了各种CFRP加工方法的研究进展，从方法、工艺和机理层面介绍了激光加工CFRP的研究现状，总结了CFRP在航空航天领域的应用，分析和讨论了激光加工CFRP尚存的挑战并进行相应的展望。
图1 CFRP复合材料。 (a) 宏观形态； (b) 显微成分[1]
图2 CFRP在航空航天领域的应用。 (a) 波音787材料使用分布图[2]； (b) 直升机复合材料应用[3]； (c) CFRP在-4运载火箭上的应用[4]； (d) CFRP在卫星上的应用 应用[5]
2.
碳纤维增强复合材料激光加工研究进展
激光加工具有精度高、无机械应力/变形、无刀具磨损、灵活、速度快、非接触等优点，有望成为CFRP低损伤、高效率加工的有效方法。然而CFRP中树脂和碳纤维的热力学性能存在巨大差异。激光加工过程中，很容易产生热影响区，树脂被烧蚀，碳纤维残留物暴露出来，影响材料的力学性能[7]。
CFRP激光加工方法根据激光脉冲持续时间可分为连续激光加工、长脉冲激光加工、短脉冲激光加工和超快激光加工。除超快激光器外，其他激光加工主要依靠热效应来完成材料的烧蚀、熔化和去除，通常会产生数百微米量级的热影响区。
图3(ac)分别显示了CFRP的毫秒、纳秒和皮秒激光加工的形貌结果。 2.5毫米厚的CFRP材料在毫秒激光加工下的热影响区尺寸为600~2050μm，而纳秒和皮秒激光加工的热影响区尺寸仅为140μm和90μm。热影响区尺寸越小，材料的拉伸性能越好[9]。
超快激光具有超快、超功率、超精密的独特优势。它利用物理/化学效应，其作用机制不同于其他激光加工。其“冷”加工效果可以轻松地将热影响区的尺寸减小到一百微米甚至十微米。微米以下，如图3(df)所示，皮秒激光“双旋转”工艺可实现热影响区小于60μm[10]，而飞秒激光可实现热影响区的高质量孔径加工。受影响区域小于10μm。 [11]。
此外，水导激光加工、激光与机械复合加工等激光复合加工技术也成为CFRP加工领域关注的焦点之一。水导激光将激光束耦合到水射流中，然后作用于工件表面。加工后的截面如图4所示[12-13]。它结合了水射流切割低温、长工作距离等优点，成为激光加工的解决方案。解决飞溅堆积、热损伤严重等问题的方法之一。激光与机械复合加工以激光打孔为基础，为机械扩孔复合工艺预留了一定的精加工余量[14]，有效避免了机械加工应力集中和激光热冲击造成的材料易分层现象。加工。解决了残留面积、锥度大等问题，提高了激光加工效率，延长了刀具寿命。
但上述方法仍存在一些问题，如超快激光和水导激光的加工能力有限，激光与机械联合加工中的刀具磨损问题无法完全避免。高功率超快激光器近年来发展迅速，有望成为解决碳纤维复合材料构件高质量、高效微加工的重要手段。
图3 激光钻孔CFRP入口处热影响区的变化。 (ac) CFRP 的毫秒、纳秒和皮秒激光钻孔[9]； (de) 皮秒激光“双旋转”CFRP 钻孔[10]； (f)CFRP的飞秒激光旋转切割钻孔[11]
图 4 CFRP 的水导激光加工。 (a)水导激光与传统激光切割CFRP截面对比[12]； (b) 4 mm厚CFRP水导激光加工后的狭缝形貌[13]
从激光加工CFRP工艺来看（图5），钻孔/切割是激光加工CFRP最常见的加工内容。与机械加工方法相比，激光加工可以显着提高CFRP钻孔/切割的质量[10]，且工艺灵活。可针对不同的应用设计可调节、定制的加工技术。
激光表面处理常用于CFRP表面选择性去除[15]、表面微纳结构加工[16]等，可以有效调控CFRP表面形貌、粗糙度、化学成分、润湿性、等，并改进材料。航空航天应用中的稳定性。
激光焊接主要用于CFRP与钛合金、铝合金、钢等金属材料的高质量连接[17-18]。能有效解决机械连接中的应力集中和应力腐蚀以及粘接中胶粘剂粘合和粘合的困难。在航空航天领域具有广阔的应用前景。
激光辅助成形[19]可以整合CFRP自动化成形技术和固化方法，降低材料制造成本；激光检测[20]可应用于CFRP表面缺陷的无损检测，以评估材料和构件的安全性和可靠性。可见，激光技术在CFRP制备、加工、检测等诸多领域发挥着重要作用。
图5 激光加工CFRP工艺流程。 (a) 激光钻孔CFRP[10]； (b)激光表面处理制备CFRP表面微纳结构[16]； (c)激光焊接CFRP前后气泡对比及钢材优化[17]
在CFRP激光加工机理研究方面（图6），研究人员主要从宏观层面分析激光与CFRP相互作用过程中的能量传递以及材料不同成分的温升响应关系[21-22] ]，或通过高速摄影等。利用观测设备进行定性机理分析[23-24]对于深入了解激光与CFRP的相互作用机理，指导激光加工参数的选择具有重要意义。
然而，目前激光与CFRP相互作用机理的研究主要基于实验现象的推论以及均质化或非均质化处理的热平衡傅里叶传递方程，尚未考虑局部局部引起的巨大复合材料性能。加工过程中的瞬时电子动力学。改变。 CFRP中的树脂和碳纤维在超快激光作用下的响应有很大不同。超快激光作用下CFRP的非线性、非平衡、非均匀能量传输过程有待进一步研究。
图 6 激光与 CFRP 的作用机制。 (a) CFRP均质化处理的数值模型[21]； (b) CFRP异质处理的数值模型[22]； (c)CFRP声发射技术检测实验[24]
3.
未来展望
CFRP的不均匀性、各向异性和层状结构特点，使其在加工过程中容易出现分层、毛刺、热损伤等缺陷，严重影响CFRP构件的力学性能和使用性能。与其他加工方法相比，激光加工具有精度高、非接触、灵活、速度快的特点，广泛应用于CFRP钻孔/切割、表面处理、焊接等工艺。
超快激光由于其超快、强大的特性，缩短了激光与材料的相互作用时间。可实现非接触“冷”加工，减少热量积累。有望成为提高CFRP加工质量的有效手段。然而，激光加工CFRP的热损伤机理仍不清楚，对激光加工CFRP的非线性、非平衡、异质能量传递过程缺乏深入了解。
为了进一步提高CFRP的加工质量和效率，需要对超快激光加工、激光复合加工等新方法、新工艺进行更深入的探索和研究。
参考：
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研究组简介
北京理工大学机械与运载工程学院激光微纳制造研究所主要从事超快激光制造领域的研究。牵头承担科技部973项目、国家重点研发计划项目/课题、JKW基金会强化重点项目/课题、国家重大科技专项、国家基委重大研究计划整合/重点项目曾获2016年国家自然科学奖二等奖、2017年何梁何利科技创新奖、2017年何梁何利科技创新奖一等奖2018年教育部技术发明奖、2022年广东省科技进步一等奖、2023年国家创新奖等。
该团队解决了长期限制飞秒激光器制造的理论和观测问题，并成功预测了一系列重要的异常效应，并被广泛的国际实验所证实；他们提出并实现了飞秒激光电子动态控制（EDC）制造的新原理，并首次实现。激光制造电子层面的主动调控，拓展了激光制造的终极能力；发明了一系列新型EDC制造技术和装备，率先实现飞秒激光制造重大工程应用和产业化应用。
通讯作者简介
李鑫，北京理工大学教授，国家自然科学基金杰出青年基金获得者，教育部新世纪优秀人才获得者。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学杰出青年基金等，参与科技部973、国家自然科学基金重大融合/重点项目等。获得第二次国家自然科学奖一等奖（第三完成人）、教育部自然科学一等奖2项（第二、第六完成人）等奖项；获中国机械工程学会优秀机械博士论文银奖及指导教师奖（2次）。发表SCI论文70余篇，其中第一/通讯作者等发表SCI论文30余篇。担任中国机械工程学会极限制造分会委员、光学精密成型委员会委员中国感光学会会员，《中国激光》杂志青年编委会委员，《中国激光》青年编委会委员。
期刊简介：
《中国激光》创刊于1974年，由中国科学院主管，中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办，中国激光杂志社主办。是综合报道激光技术领域最新研究成果的中文旗舰学术期刊。 2021年改为半月刊，出版“英文长摘要”，提高期刊文章的国际传播力。 “前沿激光制造”和“生物医学光子学”特刊将分别于2021年和2022年创刊。
《中国激光》目前已被EI、ESCI、AJ、CA、、、CSCD等检索系统收录。多次荣获“科技期刊百强”、“中国优秀学术期刊百强”、“中国优秀科技期刊”、“中国最具影响力学术期刊”等称号。 2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年获得“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。 2022年入选《光学工程与光学领域优质科技期刊等级目录》“T1级”。
《前沿激光制造》专刊聚焦国内外激光制造领域的杰出成果，通过快速报道动态和发展趋势，推动激光制造领域产学研创新发展在外地。专题出版物涵盖“激光微纳制造”、“激光增材制造”、“激光成形制造”和“激光表面加工”。每年发表6至8次，平均外部评审期为21天，录用期为50天。
科学编辑|北京理工大学李鑫、宋启猛 |
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发表于 2025-1-13 02:48:59
