纤维复合材料激光加工进展及航天应用展望

纤维增强复合材料(FRPs)因其优异的力、热、电磁、化学等性质被广泛应用于航天、航空等领域。作为一种各向异性、非均质的难加工材料,纤维复合材料的传统加工方式存在精度、损伤及效率等问题,为其激光加工技术的快速发展提供了机遇。综述了激光加工技术在实验研究、理论与仿真等基础研究方面的进展,分析研究热点和发展趋势,指出纤维复合材料超快激光加工存在的问题及挑战;报告了纤维复合材料在激光切割与制孔、激光铣削、激光表面处理和连接技术、激光辅助成形等方面的研究及应用进展;针对航天器(特别是空间飞行器)先进制造应用,提出了纤维复合材料产品激光宏观加工和激光微细制造技术的潜在应用方向,展望了实现应用所需发展的工艺装备,以期为后续该类材料产品的激光加工应用提供参考。     

C/SiC复合材料的制备及加工技术研究进展

碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料由于其强度高、硬度大、耐磨损,被广泛应用于工业、航空航天等领域,然而C/SiC复合材料难以被稳定地去除加工。本文综述C/SiC复合材料的常见制备方式及其材料的性能特点。概述C/SiC复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工等加工方法,分析了各种加工方法的材料去除机理、加工精度、常见缺陷及加工过程中存在的问题。传统的机械加工需进一步优选切削刀具材料;超声辅助加工需探究超声振动的刀具与材料之间的耦合作用机制、振动作用下的材料去除机理;激光加工要进一步研究2.5维及3维C/SiC复合材料的激光加工去除机理。在这些研究的基础上进一步采用复合加工的方法,探寻C/SiC复合材料高效、精密、稳定和无损加工的可能性。     

激光加工非金属复合材料的研究与应用进展

非金属复合材料是一种低密度、高强度、高模量的高性能材料，目前已经成为航天卫星上不可或缺的关键结构材料。但与此同时，该类材料也是一种极难加工的各向异性非均质材料，采用传统的接触式方法加工易产生崩边、分层、起毛、撕裂等问题。激光制造技术作为一种开始逐步走向实用化的先进制造技术，具有材料去除能力强、加工精度高、损伤可控等一系列优点，是一种实现非金属复合材料高性能加工、满足现有和未来需求的理想方法。本文围绕航空航天领域应用较为广泛的碳纤维复合材料、芳纶纤维复合材料和陶瓷基复合材料，系统地综述了国内外激光加工非金属复合材料的研究与应用进展。其中技术分支涉及切割、制孔、铣削刻蚀、清洗等实体减材制造技术。最后对非金属复合材料激光加工方法的未来研究重点和工程应用前景进行了总结与展望。     

用激光加工复合材料

复合材料的组成要素涉及到塑料、钢材、纤维、陶瓷、木材等。用激光加工复合材料，只要了解工件是否吸收激光束，就能比较简便地进行加工了。这一点可以说是激光的一个可贵特征，是得以应用的重要原因。加工复合结构的原材料时．一般地说，某一部分可以作高速切割，另一部分却作低速加工。被低速加工的这部分材料，将出现熔融、切面畸变、炭化等不良现象。对于有空隙的不均匀的材料来说，它们会在加速气流中产生紊流，使之形成不规则的切割面。面对这种情况，必须高速切割，应用高功率密度的二氧化碳激光加工。这样，对于难加工的复合材料也…     

复合材料的加工工艺与连接技术

介绍了复合材料的传统机械加工、特种加工及其结构连接,其中特种加工主要介绍高压水射流、激光及超声波技术。     

水喷加工复合材料

目前有很多加工复合材料的方法,但是各有一些缺点。例如,车间加工复合材料时,就有粉末及有害物质到处飞溅的现象。激光加工复合材料时,也有高温烧灼,烟熏变色的现象,特别是气味有碍于操作人员的身体健康。如果采用水喷法加工复合材料,那就不会出现以上现象。因此,可所说采用     

SiC/SiC复合材料纳秒激光和皮秒激光制孔质量的对比研究

采用纳秒激光和皮秒激光在厚度3mm的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC)上进行了制孔试验,并对这两种不同脉冲宽度激光制孔的质量进行了分析.结果表明:纳秒激光在SiC/SiC复合材料上制孔存在热影响区,导致加工区域附近产生重铸物、分层、热影响区和微裂纹等热缺陷.与纳秒激光制孔相比,皮秒激光在SiC/SiC复合材料上制孔质量有明显提高,加工区域附近几乎不存在热影响区,且不存在重铸物、分层、微裂纹等缺陷.     

纤维增强树脂基复合材料激光切割热影响探析

作为一类典型难加工材料，实现以碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP）、芳纶纤维增强树脂基复合材料(AFRP）为代表的纤维增强树脂基复合材料(FRP）的高精密、高质量加工是业界的追求目标。初探了激光脉冲宽度、波长对于典型FRP切割边缘热影响区的影响规律，比较了不同FRP材料精密切割对于激光参数需求的异同。发现纳秒激光、连续激光等传统激光因加工热效应明显而不适合精密切割，而皮秒激光、飞秒激光等超快激光可以实现热影响区宽度仅0.01mm~0.1mm量级的高质量切割，且热影响区宽度几乎不依赖于脉冲宽度；缩短超快激光波长有利于减小AFRP材料的热影响区宽度，但对于CFRP材料则不明显。考虑到高功率皮秒激光一般比对应的飞秒激光更经济，可使用倍频后得到的短波长皮秒激光实现对AFRP的精密切割，对于CFRP则考虑本征波长的皮秒激光即可。     

皮秒激光加工碳纤维复合材料工艺试验

碳纤维复合材料具有优良的综合性能,广泛应用于航空航天和汽车工业。采用355nm波长的皮秒脉冲激光进行碳纤维复合材料的铣削加工试验,分析了激光功率、铣削速度、填充间距等工艺参数对加工质量和铣削深度的影响,确定了最优的铣削条件。通过扫描电镜,分析了样件表面微观形貌和铣削质量。试验表明,填充间距对热影响区的形成有较大影响。同时进行了不同聚焦环境下的材料去除技术试验研究,通过三维形貌仪测量样件加工深度,分析激光能量与加工深度的关系,确定了最优的聚焦方案。     

纤维增强复合材料激光加工研究进展

对纤维增强复合材料（FRP）激光加工国内外的研究现状进行了梳理。从激光加工中材料的去除过程、去除机理以及热吸收特性等方面综述了FRP激光加工机理;从激光加工热影响区对材料性能影响、影响热影响区因素、热影响区预测等方面梳理了FRP热影响区的研究现状;概述了FRP激光辅助加工技术的研究进展。大量研究表明,由于FRP的各向异性,FRP激光加工与均质材料的激光加工存在显著差异。目前,FRP激光加工的热影响区能有效的降至几微米,显著降低了热影响区对构件性能的影响。为最大限度的融合激光加工的优势,FRP激光复合加工技术在FRP加工领域的应用逐渐受到关注,成为FRP加工技术提升的一个重要发展方向。     

21世纪的制造技术和加工设备（上）

概要介绍了激光加工、放电加工、快速原型件成形、计算机过程模拟、高速加工、复合材料结构成形自动化以及纳米级数控精密加工等技术领域的发展现状和２１世纪发展方向。     

陶瓷基复合材料不同加工工艺的表面形貌分析研究

主要对比分析了机械加工、高压水射流加工、激光加工的3种不同加工工艺对SiCf/SiC复合材料表面形貌的影响。结果显示机械加工与高压水射流加工表面孔洞和微裂纹均较多,水切割表面呈现出纤维拔出状态;空气环境中激光加工的表面平整,出现了封孔特征,孔洞和微裂纹数量少,氮气环境中激光加工的表面形貌生长了一层SiC晶粒,可起到愈合表面孔洞和微裂纹的作用。     

激光技术在飞机结构损伤修理中的应用

激光加工技术在很大程度上适应了现代飞机抢修中对钛合金切割、钛合金焊接、复合材料切割的广泛需要。只要调整激光的功率密度和光斑移动速度就可以实现多种加工目的,是传统加工工艺所无法比拟的。它可以成为弥补传统抢修技术缺陷的首选先进抢修技术,也是大有发展前景的抢修技术。     

薄层芳纶复合材料壳体的后加工研究

针对芳纶复合材料壳体后加工存在的问题，本文采用了通用机械加工和激光加工两种方法，通过优化加工工艺，分析了钻头的几何形状、转速、加工条件（冷却和施加背衬材料）等因素对加工的表面质量及尺寸的稳定性的影响，进而探讨了采用通用机械加工方法需要注意的一些问题，且对比分析了激光加工的特点及其实际应用的条件。     

基于在位测量的复杂曲面复合材料结构精密磨抛工艺研究

针对复合材料构件型面的在位测量需求,开展基于激光跟踪测量系统和机器人集成的在位测量技术研究,搭建在位测量的硬件和软件系统,实现了系统间的信息交互。利用在位测量数据的分析反馈确定在位测量辅助精密加工方法。基于该跟踪测量系统开展了典型抛物面复合材料结构件的型面精度磨抛加工试验,结果表明通过两次加工迭代可以实现复合材料复杂曲面的精度快速收敛,大幅提升磨抛加工效率和精度。     

陶瓷基复合材料加工工艺简评

陶瓷基复合材料的精密加工是其功能化的关键步骤。由于其硬度高,一般多用金刚石工具进行切、磨、钻。其产业化要求实现精密低损伤和高速低成本。经典的特种加工,如电火花、水刀、超声、激光等需要一系列革新以满足加工要求。     

SiCp/Al复合材料低损伤表面切削加工研究与进展

SiC_p/Al复合材料属于典型的难加工材料,其SiC颗粒增强相的存在使得切削加工时材料已加工表面极易出现基体撕裂、微裂纹、微空穴等缺陷。为了实现SiC_p/Al复合材料的高效低损伤加工,从切屑形成机制、表面完整性和刀具磨损等方面总结SiC_p/Al复合材料切削加工性能及其影响因素,研究表明,该材料增强相颗粒去除方式和去除机理对表面形成过程影响显著;探讨了SiC_p/Al复合材料塑性域加工机理和塑脆转换临界条件获取方面的研究进展,综述了表征SiC_p/Al动态力学性能的宏微观建模方法,分析了多尺度多相耦合切削加工有限元仿真的热点和难点问题;指出了低温微切削、超声辅助微切削、激光辅助微切削等是实现SiC_p/Al复合材料协调变形和塑性域加工工艺条件的发展方向。     

激光加工双级结构对Al/CFRPEEK接头组织及性能的影响

由于PEEK材料自然表面的极性基团较少,摩擦搭接焊方法难以直接连接碳纤维增强PEEK复合材料(CFR-PEEK)和铝合金.通过表面激光加工的方法,在铝合金6061-T6表面加工微孔阵列结构,实现了CFRPEEK和6061-T6的摩擦搭接焊连接,CFRPEEK/6061-T6接头强度显著提高.结果表明,激光加工在6061...     

激光超声技术在航空复合材料无损检测中的应用

随着复合材料在航空上的广泛应用,激光超声检测技术作为一种新兴无损检测手段,在复合材料检测方面的优势逐渐凸显。对激光超声检测技术原理和应用特点进行了分析,提出了民机复合材料对激光超声检测技术的应用需求,介绍了激光超声检测技术在层压板结构、复杂形状复合材料、蜂窝结构、热塑性复合材料、复合材料孔隙率检测的应用进展,还简要分析了激光超声技术的成本和经济效益。最后评述了现有技术存在的问题及发展趋势,为激光超声检测技术在飞机复合材料检测领域的研究与应用提供一定的参考和借鉴。     

碳化硅陶瓷基复合材料加工技术研究进展

碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)是一种新型战略性热结构材料,在航空、航天、核能等高新技术领域具有广阔应用前景.但CMC-SiC材料硬度高、不导电等特性决定了实现其高精度、高质量加工较为困难.综述了CMC-SiC材料的传统加工和特种加工工艺的研究现状与进展,重点阐述了激光加工陶瓷及CMC-SiC材料的加工机理和加工效果.最后,指出了CMC-SiC材料加工技术的发展趋势.