皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料 
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Cutting of PBO Fiber-Reinforced Composites Using Picosecond Lasers
1 上海大学物理系, 上海 200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
3 西安航天复合材料研究所, 陕西 西安 710025
图 & 表
图 1. 激光加工装置(插图为激光多道扫描示意图)
Fig. 1. Laser processing system (insert: scanning strategy)
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图 2. 紫外皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料的平行切面形貌。(a)宏观截面;(b)光学显微镜图片;(c)扫描电镜图片
Fig. 2. Parallel section morphologies of PBO fiber-reinforced composites processed by UV picosecond laser. (a) Macroscopic section picture; (b) microscopic section picture; (c) SEM picture
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图 3. 紫外皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料的垂直切面形貌。(a)宏观截面照片;(b)光学显微镜图片;(c)切割截面上部的扫描电镜图片;(d)切割截面下部的扫描电镜图片
Fig. 3. Vertical section morphologies of PBO fiber-reinforced composites processed by UV picosecond laser. (a) Macroscopic section picture; (b) microscope section picture; (c) SEM picture of upper section; (d) SEM picture of bottom section
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图 4. 红外皮秒激光加工PBO纤维增强复合材料的切面形貌。(a)垂直切面的上部;(b)垂直切面的中部;(c)垂直切面的下部;(d)平行切面
Fig. 4. Section pictures of PBO fiber-reinforced composites processed by IR picosecond laser. (a) Upper part of vertical section; (b) middle part of vertical section; (c) bottom part of vertical section; (d) parallel section
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图 5. PBO纤维和环氧树脂的分子结构。(a) PBO纤维;(b)环氧树脂
Fig. 5. Molecular structure of PBO fiber and epoxy resin. (a) PBO fiber; (b) epoxy resin
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图 6. 调整参数后切割表面的扫描电镜形貌。(a)切面上部;(b)切面中部;(c)切面下部
Fig. 6. SEM pictures of cutting section after adjusting parameters. (a) Upper part of section; (b) middle part of section; (c) bottom part of section
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图 7. 不同条件下,激光功率对切缝深度的影响。(a)激光扫描方向平行和垂直于纤维方向;(b)有无施加压缩空气条件下
Fig. 7. Influence of laser power on kerf depth under different conditions. (a) The laser scanning direction is parallel and perpendicular to the fiber axial direction; (b) with and without compressed air
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图 8. 圆形切割的PBO纤维增强复合材料。(a)平行于纤维轴向的材料上表面;(b)平行切面照片;(c)垂直于纤维轴向的材料上表面;(d)垂直切面照片
Fig. 8. Circular cutting of PBO fiber-reinforced composite. (a) The upper surface parallel to the axial direction of fiber; (b) parallel section photo; (c) the upper surface perpendicular to the axial direction of fiber; (d) vertical section photo
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图 9. 切缝深度随扫描速度的变化以及不同扫描速度下的加工效率对比。(a)切缝深度随扫描速度的变化;(b)不同扫描速度下的切缝深度
Fig. 9. Variation of kerf depth with scanning speed and the comparison of laser processing efficiency at different scanning speeds. (a) Variation of kerf depth with scanning speed; (b) kerf depth at different scanning speeds
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图 10. 光斑重叠率示意图
Fig. 10. Illustration of spot overlapping
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图 11. 切缝深度随脉冲重复频率的变化规律
Fig. 11. Variation of kerf depth with pulse repetition rate
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表 1激光器参数
Table1. Laser parameters
| Laser | Average power /W | Repetition rate /kHz | Pulse duration /ps | Focus diameter /μm |
|---|
| UV laser | 0--15 | 1--1000 | <15 | ~20 | | IR laser | 0--100 | 1--400 | 10 | ~25 |
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表 2材料的热学性能参数
Table2. Thermal properties of materials
| Property | PBO fiber | Epoxy resin |
|---|
| Decomposition temperature /K | 930 | 440 | | Heat conductivity /[W·(m·K)-1] | 0.52 | 0.1 | | Specific heat capacity /[J·(kg·K)-1] | 1700 | 1884 | | Density /(kg·m-3) | 1560 | 1100 |
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表 3脉冲重复频率与光斑重叠率对照表
Table3. Spot overlapping and pulse repetition rate
| Pulse repetition /kHz | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 |
|---|
| Spot overlapping /% | 0 | 50 | 66.7 | 75 | 80 | 83.3 | 85.7 | | Pulse repetition /kHz | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | | Spot overlapping /% | 87.5 | 90 | 91.7 | 92.9 | 93.8 | 94.4 | 95 |
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张学聪, 钱静, 付强, 王关德, 刘军, 崔红, 张承双, 包艳玲, 戴晔, 赵全忠. 皮秒激光切割PBO纤维增强复合材料[J]. 中国激光, 2020, 47(10): 1002004. Zhang Xuecong, Qian Jing, Fu Qiang, Wang Guande, Liu Jun, Cui Hong, Zhang Chengshuang, Bao Yanling, Dai Ye, Zhao Quanzhong. Cutting of PBO Fiber-Reinforced Composites Using Picosecond Lasers[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(10): 1002004.
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