网站地图
-
碳纤维/环氧树脂复合材料(carbon fiber reinforced polymers，CFRP)是一种重要的增强型复合材料，是交通运输、航天领域、工业化工领域等高技术领域中不可缺少的原材料[1-2]。与传统的复合材料、金属材料相比，CFRP具有两种材料的特殊层状结构，是一种复杂的新型材料，具有耐冲击、耐烧蚀等优秀的力学性能。激光作为一种非接触工具，不需要处理与材料相关的刀具磨损，也不受基体材料相对于纤维的刚度差异的影响。近年来，激光与复合材料相互作用的研究十分活跃，但大多数研究都集中在不同脉冲宽度的脉冲激光器上。例如，HERZOG等人3种大功率的脉冲激光器对CFRP材料进行切割，并找出了合适的切削参量[3]。DITTMAR等人对HERZOG的研究结果进行了深入研究，发现激光参量对碳纤维增强环氧树脂的加工质量和加工时间的影响[4]。RODDEN等人开展了长脉冲Nd∶ YAG激光对多层碳纤维复合材料打孔研究，发现惰性气体环境抑制了等离子体的形成，改变了打孔的能量阈值[5]。BOLEY等人开发了激光与复合材料相互作用的模型，以确定吸收能力、吸收深度和光功率增强内的材料，以及角度分布的反射光[6]。FREITAG等人以菲涅耳方程为基础，建立了碳纤维布和碳纤维增强塑料吸收率的理论模型，得到了碳纤维及其复合材料的光学性能[7]。ZHANG等人发现, 功率密度为102W·cm-2量级的激光辐照复合材料时环氧树脂能发生融化并达到热解温度，并发生了明显的质量迁移[8]。WAN等人得到了在不同功率密度连续激光辐照条件下，树脂基复合材料的微观组织变化及其拉伸性能的变化规律[9]。上述多为激光辐照复合材料的烧蚀和损伤形貌等研究，对热应力学行为研究较少，针对激光辐照CFRP的热应力仿真报道更是鲜有人知[10-11]。
为此，作者将深入分析连续激光辐照复合材料产生热效应的热应力损伤过程[12-13]。基于COMSOL Multiphysics有限元分析软件，对高功率激光辐照CFRP温度场和应力场进行仿真研究。激光对复合材料的损伤是一个复杂的物理过程[14]，不同的激光条件会对同一种材料产生不同的作用效果，由于材料表面的树脂基的汽化点很低，在本文中模拟的温度场和应力场从碳纤维层开始研究，得到了热应力损伤的3维变化分布及变化规律。这项研究的结果为激光损伤复合材料实验研究提供了理论依据。
-
实验中所用的CFRP是由碳纤维和环氧树脂铺层固化成形，由于树脂基体与碳纤维的热物性差异较大，导致了材料复杂的温度分布并产生热应力，因此将碳纤维和基体两者分层建模。激光在空间中为高斯分布，为了监测轴向、径向热应力的演化特征，采用2维轴对称为激光辐照复合材料的几何模型。
图 1所示为高功率激光损伤复合材料物理模型。激光垂直辐照靶材中心，材料半径a=25mm，环氧树脂单层厚度d=0.1mm(共3层)，碳纤维单层厚度h=0.35mm(共2层)。
Figure 1. Geometric model of carbon fiber reinforced epoxy composite irradiated by continuous wave (CW) laser
采用的材料和激光参量如表 1和表 2所示。使用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对高功率激光损伤复合材料进行温度场和应力场仿真研究。
Table 1. Laser parameters
radius r/mm wavelength λ/nm radiation time t/s power density E/(W·cm-2) 1 1064 1 293~3453 Table 2. Carbon fiber reinforced epoxy composite parameters
parameter epoxy resin carbon fiber thickness/mm 0.3 0.7 absorptivity 0.8 0.8 material density/(kg·m-3) 1200 1500 coefficient of thermal expansion/ K-1 -4.1×10-6 5.5×10-6 Young’s modulus/GPa 8.4 230 Poisson ratio 0.38 0.32 -
连续激光辐照CFRP进行能量交换的过程中，由于辐照时间较长，激光与复合材料相互作用的主要过程是热传导过程，忽略复合材料与外界的对流和辐射效应，复合材料所吸收的能量全部转化为热能。为了分析连续激光辐照复合材料的温度场及应力场分布，作者在柱坐标系下的热传导过程开始讨论激光作用CFRP的热应力模型。
$ \begin{array}{l} \frac{{\partial {T_i}(r, z, t)}}{{\partial t}} = \frac{{{\kappa _i}}}{{{\rho _i}{c_i}}}\left[ {\frac{{{\partial ^2}{T_i}(r, z, t)}}{{\partial {r^2}}} + \frac{1}{r}\frac{{\partial {T_i}(r, z, t)}}{{\partial r}} + } \right.\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left. {\frac{{{\partial ^2}{T_i}(r, z, t)}}{{\partial {z^2}}} + \frac{{{q_i}(r, z, t)}}{{{\kappa _i}}}} \right] \end{array} $
(1) 式中，Ti(r, z, t)表示在t时刻的温度分布；r，z分别是轴对称坐标系中径向和轴向位置; ρi，ci和κi分别表示材料的密度、比热容和导热系数，i分别代表碳纤维或环氧树脂。上述热传导方程的热源可表示为：
$ {q_i}(r, z, t) = {\alpha _i}\left( {1 - {R_i}} \right){I_0}f(r)m(z)g(t) $
(2) $ f(r) = \exp \left( { - \frac{{2{r^2}}}{{r_0^2}}} \right) $
(3) $ m(z) = \exp \left( { - {\alpha _i}z} \right) $
(4) $ g(t) = 1, (0 \le t \le \tau ) $
(5) 式中，αi代表碳纤维或环氧树脂的吸收系数；Ri是碳纤维和环氧树脂的反射率；I0是激光辐照中心功率密度；r0是激光的光斑半径；f(r)和g(t)分别是连续激光的空间分布和时间分布；τ为连续激光辐照时间。
在连续激光辐照CFRP过程中，材料内部产生不均匀分布的温度场，复合材料的连续性限制各部分不能自由膨胀，从而产生热应力。在轴对称坐标系下，与热传导方程相耦合的平衡微分方程可以表示为[17-18]：
$ {\nabla ^2}{u_{ri}} - \frac{{{u_{ri}}}}{{{r^2}}} + \frac{1}{{1 - 2{\mu _i}}}\frac{{\partial {\varepsilon _i}}}{{\partial r}} - \frac{{2\left( {1 + {\mu _i}} \right)}}{{1 - 2{\mu _i}}}{\beta _i}\frac{{\partial {T_i}}}{{\partial r}} = 0 $
(6) $ {\nabla ^2}{u_{zi}} + \frac{1}{{1 - 2{\mu _i}}}\frac{{\partial {\varepsilon _i}}}{{\partial z}} - \frac{{2\left( {1 + {\mu _i}} \right)}}{{1 - 2{\mu _i}}}{\beta _i}\frac{{\partial {T_i}}}{{\partial z}} = 0 $
(7) 式中，▽为梯度微分算子; ur，uz分别表示位移在r，z方向上的分量; εi，μi，βi分别表示体应变、泊松比和材料的热应力系数。设置位移为0、速度为0的初始条件，设置底面边界z方向位移为0，其它边界为自由边界条件。
-
基于连续激光辐照CFRP的数学模型，结合材料参量和物理模型，开展了连续激光辐照复合材料的仿真研究。由于靶材上表面环氧树脂材料汽化分解温度为615K~782K，激光辐照1s后，靶材上表面的环氧树脂已经完全汽化。在分析靶材的温度场和应力场中，激光与复合材料相互作用后，碳纤维为复合材料的上表面研究对象。
连续激光的功率密度E分别为293W/cm2，664W/cm2，1311W/cm2，2109W/cm2和3453W/cm2时, 复合材料上表面中心点(r=0.0mm，z=0.0mm)的温度随时间的变化趋势如图 2所示。其中图 2a为辐照时间为1s的温升图像。随着激光功率密度的升高，靶材中心点的最高温度也逐渐升高，且温升在辐照初期的温升速度变快。这是因为激光辐照到碳纤维，材料的吸收系数随温度的升高而增大。当上升到一定温度时，温升变缓，t=1s时辐照停止，温度瞬间下降。在温度为872K的温升区域出现相变平台期(升温平台期)，图 2b所示为升温平台期局部放大图。可以看出, 碳纤维材料存在相变潜热期，中心点温度达到相变潜热期热焓值，碳纤维的吸收率下降，使其吸收的激光能量变小，导致温度升高变得缓慢[19]。随着激光功率密度的增大，相变潜热期越短，激光提供能量使碳纤维材料温度升高，使得相变潜热期阈值迅速饱和，相变的平台期被迅速打破，加速碳纤维材料的相变过程。同样，当温度下降到872K附近出现相变平台期(降温平台期)，图 2c所示为降温平台期局部放大图。在这个过程中碳纤维材料发生逆相变，即激光停止辐照后，随着激光功率密度的增大，温度下降的时间越长。
Figure 2. The temperature of the center point of the upper surface varies with time under different continuous laser power density conditions
图 3中给出了不同功率密度的激光辐照CFRP在t=1s时径向温度随空间的变化趋势。径向温度变化趋势类似于高斯分布，在上表面中心点(r=0.0mm)为最高温度，较高温度分布在光斑辐照区域，随着入射激光功率密度的增大, 靶材的径向温度随之升高。不同激光功率密度辐照条件下，在r=1mm附近均存在拐点，出现这一现象的原因有两点：(1)激光的光斑半径为1mm，由于激光辐照时间较长，导致碳纤维吸收激光能量后出现较大的温度烧蚀，未辐照区域与辐照边缘有较大温度差; (2)复合材料的径向温度达到碳纤维相变潜热区热焓值，材料发生了物性改变，未辐照区域的碳纤维物性参量相对完好，这两个区域的材料导热率等参量出现差异，使径向温度在空间上存在拐点。
Figure 3. Variation of radial temperature with space under different CW laser power densities
不同功率密度的激光条件下，t=1s时CFRP轴向温度随空间的变化趋势如图 4所示。在上表面中心点(z=0.0mm)的轴向为最高温度，下表面中心点(z=0.9mm)的轴向为最低温度。特别观察到，在z为0.35mm, 0.45mm, 0.8mm轴向位点发现明显温度拐点。z=0.35mm处为上表面碳纤维层与环氧树脂层交界处，由于温度超过环氧树脂层汽化温度，所以在0.35mm≤z≤0.45mm的区间内为汽化后的环氧树脂。气态的环氧树脂热传递到碳纤维层材料，z=0.45mm处出现轴向温度拐点。z=0.8mm时的拐点是碳纤维材料热传递到后表面的环氧树脂材料，当能量密度较低时，后表面环氧树脂轴向温度未超过环氧树脂分解温度。CFRP是特殊的层状结构，复杂的物性参量对温度传递是有影响的。激光辐照靶材时轴向温度产生多层次的温度梯度，激光功率密度越高，温度梯度越明显。
Figure 4. Variation of axial temperature with space under different CW laser power densities
-
不同功率密度激光条件下，在t=1s时CFRP上表面径向应力随空间的变化趋势如图 5所示。不同功率密度的激光辐照靶材时径向应力在空间的应力分布均表现为压应力。复合材料上表面中心点(r=0.0mm)存在最大应力值，随着激光功率密度的增大在激光辐照中心点的压应力随之增大。并观察到，压应力的数值在0mm≤r≤1.2mm快速减小，随后缓慢减小, 最终趋近于零。与图 3对比，径向应力与径向温度在空间上的变化均呈现高速分布的趋势。激光辐照复合材料后，被辐照区的温度升高会导致复合材料的热膨胀，辐照区与未辐照区交界处也会出现明显的温度梯度[20-21]。碳纤维材料的连续性成为热膨胀的阻碍，因此复合材料上表面产生了热应力，使径向应力也出现了极高的应力梯度，热效应与应力效应相辅相成，热力耦合效应成为连续激光致CFRP热应力损伤的重要因素。
Figure 5. Variation of radial stress with space under different CW laser power densities
图 6所示为不同功率密度的激光条件下，t=1s时CFRP轴向应力随空间的变化趋势。由图 6可知，激光辐照靶材时轴向应力空间分布表现压应力居多且观察到有拉应力存在。可以观察到，0.0mm≤z≤0.35mm轴向区域为上表面的碳纤维层，在z=0.35mm轴向位点存在轴向应力断裂。随着不同激光功率密度的变化，断裂位点在同一轴向空间出现不同的压应力差值，如E=293W/cm2时，断裂位点压应力差值约为1.87MPa; 当E=3453W/cm2时，断裂位点压应力差值约为1.42MPa，z=0.35mm这个特征位点是碳纤维与环氧树脂的交界处。在z=0.185mm附近存在最大压应力值12.10MPa(E=3453W/cm2)，z=0.185mm位于此区域的轴向中心点附近，可见连续激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力。0.45mm≤z≤0.8mm轴向区域为邻近下表面的碳纤维层，在z为0.45mm和0.8mm轴向位点存在轴向应力断裂。随着激光不同功率密度的变化，轴向应力随空间的变化趋势发生差异性演化。当激光功率密度E=293W/cm2时，应力断裂区域中出现的轴向应力主要表现为较小的压应力(0.00MPa~1.74MPa); 当激光功率密度E=3453W/cm2时，应力断裂区域中出现的轴向应力主要表现为较小的拉应力(0.0MPa~0.32MPa)。
Figure 6. Variation of axial stress with space under different CW laser power densities
-
测试连续激光辐照CFRP的温度实验装置由激光器、分光镜、点温仪、中波红外热像仪、聚焦透镜、可移动3-D样品平台、功率计组成。实验装置图如图 7所示。
Figure 7. Schematic diagram of the experimental device
其中激光器使用的是德国IPG公司光纤激光器, 其输出激光波长为1064nm，激光功率范围为0W~500W可调节，激光辐照时间范围为0.5s~2.5s，时间变化步长为0.5s。激光强度的空间分布为近似高斯型，出口光束直径约为2cm。聚焦透镜焦距500mm，CFRP目标表面置于透镜焦点前52mm。实验中采用CFRP，材料结构为多层2维正交编织结构。材料为黑色薄板，由多层纤维碳/环氧树脂薄层叠加凝固而成，表面尺寸为50mm×50mm，厚度为1mm。
-
图 8中为激光辐照后损伤面积与功率密度的关系。材料表面损伤面积随着功率密度的增大而增大；激光辐照时间越长，损伤面积越大，激光辐照时间为2s时，激光损伤面积的斜率最大。实验中光斑面积3.14mm2，当激光功率密度为3453W/cm2时, 损伤面积达到光斑尺寸的5倍~15倍。同时，图 8与图 3中给出的温度变化趋势相吻合，即随着激光功率密度的变大，复合材料表面的热反应区增大, 使材料的损伤面积随之增大。
Figure 8. Relationship between damage area and power density after laser irradiation
图 9是激光功率密度为3453W/cm2、辐照时间为1s时，连续激光致CFRP的损伤形貌图。从图中可以看出, 激光辐照中心点是一个半径约为0.9mm的烧蚀坑。图 9b是图 9a的放大图。结合图 6和图 4可知，在连续激光辐照下CFRP产生热应力，复合材料中应力断裂引起复合材料层间结合强度的下降，温度升高碳纤维束在热应力的作用下发生熔断使材料变表面出现损伤。
Figure 9. Damage morphology
实验结果与模拟结果基本吻合，但是还存在一定的差异，这是因为: 为了便于找到CFRP的热损伤规律，在数值模拟中只考虑了温度对热导率的影响，实际上在其辐照的过程中材料的吸收系数随着温度变化的；并且复合材料的环氧树脂中的杂质等也同样会影响对激光能量的吸收。这些都会造成实验结果和模拟结果的差异。
-
针对高功率激光致多层结构CFRP热损伤研究，利用COMSOL计算了材料表面及内部各层的瞬态温度场与应力场的变化情况，得到了不同功率密度激光辐照CFRP的温度和应力的变化特征及规律。
(1) 相变潜热是使激光辐照复合材料温度变化过程存在平台区的重要因素，且随激光功率密度而改变。
(2) 环氧树脂与碳纤维之间的物性差异与层状结构是导致连续激光辐照复合材料产生较高温度梯度与应力梯度的关键因素。
(3) 压应力是轴向应力对材料产生应力损伤的重要因素，且随着连续激光功率密度的变化，邻近后表面的碳纤维材料表现出拉应力与压应力差异性转换。温度和应力是材料表面损伤形貌产生的关键，仿真结果为高功率连续激光辐照多层结构CFRP研究奠定了理论基础。
高功率激光辐照CFRP的温度场和应力场的数值分析
Study on numerical analysis of temperature field and stress field of carbon fiber reinforced polymers irradiated by high power laser
-
摘要: 为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律，采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算，取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌，与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明，靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台，即相变潜热期与逆相变潜热期，并随着激光功率密度变化；激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力，功率密度为293W/cm2时，压应力差值约为1.87MPa；功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。Abstract: In order to study the thermal damage law of carbon fiber reinforced epoxy composite induced by high power laser, the thermal stress of carbon fiber reinforced epoxy composite with multilayer structure was simulated by COMSOL software. Theoretical analysis and experimental verification were carried out. The temporal and spatial distribution and change of the transient temperature field and stress field of composite materials irradiated by laser with different power densities were obtained. The damage area and morphology of carbon fiber/epoxy resin treated with different laser power density were measured, which was consistent with the trend of numerical simulation results. The results show that, when the temperature of the irradiation center of the target surface is 872K, a temperature plateau appears, that is, the latent heat period of phase change and the latent heat period of reverse phase change, and changes with the laser power density. The laser irradiation target material produced a great axial compressive stress on the upper surface of the carbon fiber. When power density is 293W/cm2, the compressive stress difference is about 1.87MPa; when power density is 3453W/cm2, the compressive stress difference is about 1.42MPa. This result provides a theoretical basis for the research on the thermal damage of carbon fiber/epoxy resin composites caused by highpower lasers.
-
Key words:
- laser technique /
- thermal stress /
- numerical simulation /
- composite material /
- damage characteristics
-
Figure 1. Geometric model of carbon fiber reinforced epoxy composite irradiated by continuous wave (CW) laser
Figure 2. The temperature of the center point of the upper surface varies with time under different continuous laser power density conditions
Figure 3. Variation of radial temperature with space under different CW laser power densities
Figure 4. Variation of axial temperature with space under different CW laser power densities
Figure 5. Variation of radial stress with space under different CW laser power densities
Figure 6. Variation of axial stress with space under different CW laser power densities
Table 1. Laser parameters
radius r/mm wavelength λ/nm radiation time t/s power density E/(W·cm-2) 1 1064 1 293~3453 
下载: 导出CSV
Table 2. Carbon fiber reinforced epoxy composite parameters
parameter epoxy resin carbon fiber thickness/mm 0.3 0.7 absorptivity 0.8 0.8 material density/(kg·m-3) 1200 1500 coefficient of thermal expansion/ K-1 -4.1×10-6 5.5×10-6 Young’s modulus/GPa 8.4 230 Poisson ratio 0.38 0.32
下载: 导出CSV
-
[1] MIYAJI G, MIYAZAKI K. Nanostructure formation process in low-fluence femtosecond-laser ablation of thin film surface[J]. Chinese Optics Letters, 2007, 5(s1): S201-S203. [2] DI C X, SUN Y J, WANG F, et al. Temperature field simulation of laser cut carbon fiber reinforced plastics[J]. Laser Technology, 2020, 44(5): 628-632 (in Chinese). [3] HERZOG D, JAESCHKE P, MEIER O, et al. Investigations on the thermal effect caused by laser cutting with respect to static strength of CFRP[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2008, 48(12/13): 1464-1473. [4] DITTMAR H, G BLER F, STUTE U. UV-laser ablation of fibre reinforced composites with ns-pulses[J]. Physics Procedia, 2013, 41: 266-275. doi: 10.1016/j.phpro.2013.03.078 [5] RODDEN W S O, KUDESIA S S, et al. A comprehensive study of the long pulse Nd∶ YAG laser drilling of multi-layer carbon fibre composites[J]. Optics Communications, 2002, 210(3/6): 319-328. [6] BOLEY C D, RUBENCHIK A M. Modeling of laser interactions with composite materials[J]. Applied Optics, 2013, 52(14): 3329-3337. doi: 10.1364/AO.52.003329 [7] FREITAG C, WEBER R, GRAF T. Polarization dependence of laser interaction with carbon fibers and CFRP[J]. Optics Express, 2014, 22(2): 1474-1479. doi: 10.1364/OE.22.001474 [8] ZHANG J L, WANG W P, LIU C L. Ablation characteristics of 2-D braided carbon fiber/epoxy composites under laser irradiation[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2017, 34(3): 494-500 (in Chinese). [9] WAN H, HU K W, MU J Y, et al. Damage analysis of fiber reinforced resin matrix composites irradiated by CW laser[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(1): 6-10 (in Chinese). [10] GAO X, GUO X N, LIU J. Bonding technology of composite materials and application in vertical wing box of an aircraft[J]. Trainer, 2014(2): 21-27 (in Chinese). [11] ROMAIN E, MICHEL B, FABIENNE T, et al. A study of composite material damage induced by laser shock waves[J]. Composites Pan: Applied Science and Manufacturing, 2013, A53: 54-64. [12] JIANG Sh Sh, CAI J X, JIN G Y, et al. Research of damage morphology of carbon fiber epoxy resin irradiated by millisecond/nanosecond pulsed laser[J]. Laser Technology, 2018, 42(6): 775-779 (in Chinese). [13] JIANG Y, CHEN G Y, ZHOU C, et al. Research of carbon fiber reinforced plastic cut by picosecond laser[J]. Laser Technology, 2017, 41(6): 821-825 (in Chinese). [14] OHKUBO T, TSUKAMOTO M, SATO Y. Numerical simulation of combustion effects during laser processing of carbon fiber reinforced plastics[J]. Applied Physics, 2016, A122(3): 196-203. doi: 10.1007%2Fs00339-016-9735-1 [15] SALAMA A, LI L, MATIVENGA P, et al. High-power picosecond laser drilling/machining of carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) composites[J]. Applied Physics, 2016, A122(2): 73-81. [16] TANG S, HU C. Design, preparation and properties of carbon fiber reinforced ultra-high temperature ceramic composites for aerospace applications: A review[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2017, 33(2): 3-16. [17] JIA Zh Y, SU Y L, NIU B, et al. Deterioration of polycrystalline diamond tools in milling of carbon-fiber-reinforced plastic[J]. Journal of Composite Materials, 2017, 51(16): 2277-2290. doi: 10.1177/0021998316669605 [18] STAEHR R, BLUERNEL S, JAESCHKE P, et al. Laser cutting of composites—Two approaches toward an industrial establishment[J]. Journal of Laser Applications, 2016, 28(2): 192-203. [19] ZHANG L L, JIANG Zh H, ZHANG W, et al. A review of laser processing fiber-reinforced flexible composite material[J]. Applied Laser, 2012, 32(3): 238-243(in Chinese). doi: 10.3788/AL20123203.238 [20] NEGARESTANI R, LI L, SEZER H K, et al. Nano-second pulsed DPSS Nd∶ YAG laser cutting of CFRP composites with mixed reactive and inert gases[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 49(5/8): 553-566. doi: 10.1007/s00170-009-2431-y [21] WEBER R, HAFNER M, MICHALOWSKI A, et al. Minimum damage in CFRP laser processing[J]. Physics Procedia, 2011, B12: 302-307. -
点击查看大图
图(9) / 表(2)
计量
- 文章访问数: 6750
- HTML全文浏览量: 5146
- PDF下载量: 29
- 被引次数: 0
