为研究高温水泥砂浆在局部水冷作用后的损伤演化特征以及裂纹扩展情况, 在水泥砂浆试件中部钻孔, 将试件加热到200 ℃及400 ℃后向孔洞注水进行局部冷却。采用低场核磁共振技术(NMR)研究水泥砂浆试件在高温及局部水冷作用下的损伤行为。结果表明: 随着热处理温度的升高, 当试件局部水冷后, 小孔的孔径及含量不断增大, 而大孔径变化不是特别明显, 试件的损伤度也相应增大; 同时, 经高温及局部水冷处理后, 试件核磁共振成像灰度值的概率密度分布中的峰随温度的增大向右移动, 且温度越高, 概率密度分布函数对应的灰度值增幅越大, 与T2谱的变化一致。最后, 求解了水泥砂浆试件高温及局部水冷后的温度和温度应力的分布, 并基于最大拉应力准则求解了200 ℃和400 ℃后局部冷却水泥砂浆试件的裂纹萌发及扩展范围。当温度为200 ℃时局部水冷所产的温度应力不足以引起试件裂纹的萌生。

碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体两种材料复合而成, 因为两者的热性能参数差距较大, 直接在空气中进行激光加工碳纤维复合材料会出现如较大的热影响区、纤维膨胀、纤维拔出和切面材料分层等损伤问题, 所以在激光加工碳纤维复合材料中, 对其热损伤的控制成为关键问题。本文对激光复合加工碳纤维复合材料的国内外研究现状进行综述, 重点聚焦在气体辅助和水辅助下两种激光加工方法的优缺点, 最后对两种情况下的激光加工质量进行分析并总结规律。气体辅助下, 不同的气体类型、不同的气压, 光气同轴或旁轴辅助会带来不同的加工影响; 水辅助有水射流、水层和水导加工三种形式。本文通过总结气/液辅助激光加工碳纤维复合材料的机理, 以平衡碳纤维和基体吸收激光能量差异性为目标, 为碳纤维复合材料激光低损伤加工提供参考。

绝缘子积污会影响其电气绝缘性能，严重时会发生污闪事故，严重威胁电网的安全稳定运行。基于Nd:YAG 1064 nm脉冲激光清洗绝缘子污秽的方法，通过建立激光清洗绝缘子污秽的有限元仿真模型并开展计算，讨论了激光清洗绝缘子污秽过程中温度场的分布特性。污秽层表面激光光斑中心点温度最高，激光平均功率密度为200 W/cm2时，污秽表面最高温度达到了473 K，光斑周围以及纵深方向温度衰减很快。污秽层表面温度随激光平均功率密度的增加线性升高，随扫描速率的增加呈现指数衰减的规律。同时分析了清洗过程中基底表面的最高温度，认为该过程不会对基底材料造成热损伤。最后进行了试验验证分析，结果表明激光清洗可有效清除污秽层，在合理的清洗条件下不会对基底材料造成损伤。试验中最高温度略高于仿真结果，误差在8%范围内。

随着显示技术的不断发展, 全面屏显示愈发受到市场的欢迎和追捧。为了最大限度降低产品边框、提高显示产品的屏占比, 本文研究了激光固化各向异性导电胶膜(Anisotropic Conductive Film,ACF）来实现显示器件绑定的新技术。通过对TFT的电极压痕、粒子形变量、ACF反应率、拉拔力和产品信赖性等测试, 发现激光绑定是一项实际可行的显示器件绑定技术。本文进行了激光绑定技术优势验证, 得到: (1）最小热损伤距离, 相比较传统热压绑定技术, 热损伤安全距离由0.75 mm 降低至0.15 mm, 极大地缩短了IC/COF到偏光片的距离, 避免了偏光片烫伤内缩影响显示。(2）降低量产生产节拍时间, 由于激光能量均匀集中, 且直接加热ACF, 使得ACF固化速度更快, 在现有ACF条件下, 本压时间可由5 s 降低至3 s, 大幅度加快生产节拍, 提高产品的生产效率。可见, 激光绑定既可以解决热压工艺瓶颈, 实现极致窄边框显示器的绑定, 又能降低生产节拍时间, 提高生产效率, 是一种非常有前途的新技术。

为提高碳纤维增强树脂基复材(CFRP)加工质量和效率, 本文采用波长1 064 nm的Nd: YAG激光器对CFRP平板试样进行切割试验, 利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪等仪器对加工后组织的显微形貌、元素成分进行了测试。结果表明, CFRP经激光加工后存在热变形、微孔洞、微裂纹等多种热损伤形式, 与母材相比热影响区内材料发生了脱氧碳化, 未发生氮化。激光切割质量与激光加工参数密切相关, 调节工艺参数可抑制但无法彻底消除热致损伤, 获得了激光高质量切割CFRP的工艺窗口: 脉冲宽度τ≤0.3 ms、脉冲频率f ≤30 Hz, 吹气压力Pa≥0.7 MPa, 扫描速度v≥100 mm/min, 激光功率P≤150 W。最后采用优化的工艺参数组合, 在保证切割效率的前提下, 获得了平均热影响区深度小于120 μm的切缝。

一次性整体成型或传统的加工方式已不能满足聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维增强复合材料精密加工和装配的要求。首先分别采用波长为355 nm的紫外皮秒激光和波长为1030 nm的红外皮秒激光对PBO纤维增强复合材料进行切割加工,加工过程中采用渐进式焦点下移和多道扫描策略;然后采用扫描电子显微镜观察了复合材料的切割截面形貌,分析了材料的物理去除机制和加工热损伤;最后研究了激光功率、扫描速度和方向、脉冲重复频率等激光参数与切割质量、切割效率之间的关系。实验结果表明:紫外皮秒激光可以实现“冷加工”和光化学效应,得到了较高的切割质量;激光焦点随加工进程下移可以有效提高加工质量并改善材料切割表面的一致性。研究结果表明,采用8 W、400 kHz、1000 mm/s的激光参数可以进行高质、高效的材料加工。

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对受到不同程度热损伤的氟橡胶材料进行检测,获得各样品在0.4~1 THz波段的时域光谱、频域光谱和吸收谱。结果发现,氟橡胶材料的太赫兹特征谱段介于-382~-376 ps之间。进一步对不同程度热损伤样品的太赫兹特征谱段的最大值、峰峰值和吸收系数进行对比和拟合分析,结果发现,氟橡胶材料特征谱段的最大值、峰峰值和吸收系数均与热损伤温度存在良好的线性关系,相关系数可达0.9614。研究结果可为氟橡胶材料的太赫兹无损识别和热损伤定量检测提供参考。

激光加工纤维增强复合材料的常见方法是切割、钻孔和表面处理等,本文综述了激光加工纤维增强复合材料的国内外研究进展,重点聚焦碳纤维增强复合材料的激光加工方法,阐述了激光加工纤维增强复合材料的特点和物理去除机制,总结了激光工艺参数对加工质量和加工效率的影响规律,最后展望了激光加工纤维复合材料的发展与挑战。