一种芳纶纤维树脂基复合材料内部激光诱导碳化层制备方法

1.本发明涉及激光加工技术领域，涉及芳纶纤维增强复合材料的激光改性方法。


背景技术：

2.芳纶纤维增强树脂基复合材料(aramid fiber reinforced polymer，简称为afrp)，是由高强度芳纶纤维作为增强体，树脂作为基体固化成形的先进复合材料，具有较高的比强度和比刚度、良好的抗疲劳性、可设计性强等优点。随着芳纶纤维增强树脂基复合材料的设计和制造技术的进步，芳纶纤维增强树脂基复合材料已经可以逐步替代某些关键结构部位的构件，在航空航天领域作为轻量化材料被大量使用。
3.在航天领域，芳纶纤维增强树脂基复合材料主要用于航天器材壳体及其蒙皮。航天器需要将各种传感器埋入或粘贴到结构表面以实现其部分功能，这就涉及到电路的分布问题，传统方法是在其内部布置大量线路，但这种方法会使线路占用内部本不富裕的空间，对于航天器这类对于内部空间有极高需求的器件来说，导线所占的空间是对其内部空间的一种浪费，也对其整体设计产生一定影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种芳纶纤维树脂基复合材料内部激光诱导碳化层制备方法，基于芳纶纤维和树脂对激光能量吸收率的不同，采用红外皮秒激光扫描芳纶纤维树脂基复合材料，对表层树脂下层的芳纶纤维层实现高温碳化，从而实现导电功能。
5.本发明采取的技术方案是，一种芳纶纤维树脂基复合材料内部激光诱导碳化层制备方法，具体按照以下步骤实施。
6.步骤一：擦拭芳纶纤维树脂基复合材料试样表面，确保表面无污渍；
7.步骤二：将芳纶纤维树脂基复合材料试样置于激光器试样平台，激光焦点与试样上表面的离焦量为负离焦量，使激光焦点位于材料内部水平面；
8.步骤三：采用低功率、高速度的红外皮秒激光对芳纶纤维树脂基复合材料试样进行多次扫描。设置具体的扫描路径加工路径，使表层树脂下层的芳纶纤维层在高温缺氧的情况下实现碳化，形成特定的碳化线路。
9.上述方案中，所述步骤一中芳纶纤维树脂基复合材料表面的树脂层厚度为0.1mm～0.3mm。
10.上述方案中，所述步骤二中激光焦点与试样上表面的离焦量为-1mm～-10mm。
11.上述方案中，所述步骤三中红外皮秒激光波长为1064nm。
12.上述方案中，所述步骤三中采用的激光功率为4w～15w，扫描速度为500mm/s～2000mm/s。
13.上述方案中，所述步骤三中对芳纶纤维树脂基复合材料试样的扫描次数为6～12次，每次扫描的时间间隔为1s～2s。
14.本发明的有益效果：
15.1)本发明选择红外皮秒激光在芳纶纤维树脂基复合材料内部制备碳化层，在不损伤表层树脂的情况下制备芳纶纤维树脂基复合材料内部碳化层，实现了皮秒激光在芳纶纤维树脂基复合材料内部碳化层制备实验与工艺上的创新与突破。
16.2)本发明制备工艺简单，价格低廉且效率高。本发明所制备的芳纶纤维树脂基复合材料内部碳化层凭借其优异的导电性能，可广泛应用于各类航天器材，推进航天器的轻量化设计以及节省其内部大量空间，并且对于飞行器在电磁波隐身方面具有潜在应用价值。
附图说明
17.图1是是本发明芳纶纤维树脂基复合材料内部红外皮秒激光制备碳化层方法中1mm厚环氧树脂板透射光谱；
18.图2是本发明芳纶纤维树脂基复合材料内部红外皮秒激光制备碳化层方法中激光扫描示意图；
19.图3是本发明芳纶纤维树脂基复合材料内部红外皮秒激光制备碳化层方法中芳纶纤维树脂基复合材料的扫描电子显微镜图；
20.图4是本发明芳纶纤维树脂基复合材料内部红外皮秒激光制备碳化层方法中激光扫描碳化弯曲线路示意图；
21.图5是本发明芳纶纤维树脂基复合材料内部红外皮秒激光制备碳化层方法中激光扫描碳化微型结构示意图。
22.附图标记如下：
23.1-激光扫描头；2-激光束；3-芳纶纤维树脂基复合材料内部碳化层线路；4-芳纶纤维树脂基复合材料；5-芳纶纤维树脂基复合材料内部碳化层；6-激光扫描碳化弯曲线路；7-激光扫描碳化微型结构。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.基于复合材料中树脂基体和纤维对激光能量吸收率的不同，通过激光对复合材料内部纤维进行碳化，赋予其导电能力，替代传统导线实现导电功能，有助于推进航天器的轻量化设计以及节省其内部大量空间。并且通过对复合材料内部纤维碳化的方法在材料内部加工出微结构，可吸收入射电磁波，对于飞行器在电磁波隐身方面具有潜在应用价值。
26.实施例1。
27.本发明采用的皮秒固体激光器，其波长为1064nm，脉冲宽度为15ps，重复频率为50khz，其中，实施例1采用的功率为4.5w，扫描速度为1000mm/s。本发明的芳纶纤维树脂基复合材料用预浸布层压成型工艺制备。由kevlar-29纤维织物和环氧树脂组成，厚度为1mm，环氧树脂的体积数为42％，纤维的体积分数为58％。
28.芳纶纤维树脂基复合材料内部红外皮秒激光制备碳化层的方法包括以下步骤：
29.步骤一：擦拭芳纶纤维树脂基复合材料试样表面，确保表面无污渍；
30.步骤二：将芳纶纤维树脂基复合材料试样置于激光器试样平台，激光焦点与试样上表面的离焦量为-3mm，使激光焦点位于材料内部水平面；
31.如图1所示，当红外激光作用于芳纶纤维树脂基复合材料时，1mm厚的环氧树脂板吸收了不到15％的激光能量，故当激光作用于芳纶纤维树脂基复合材料时，激光大部分能量穿过环氧树脂层直接作用于内部芳纶纤维，激光在不损伤表层树脂的情况下碳化内部芳纶纤维，随着激光扫描路径形成一条碳化线路，如图2所示。
32.步骤三：采用功率为4.5w，扫描速度为1000mm/s的红外皮秒激光对100mm
×
50mm的芳纶纤维树脂基复合材料试样进行8次扫描。在材料内部得到一长为50mm，宽为0.1mm的碳化线路，测得此时碳化线路的电阻率为4.6
×
10-5
ω
·
m。
33.由于表层环氧树脂对激光吸收较低，激光束穿过树脂并直接加热芳纶纤维。用较低的功率就可使芳纶纤维在不破坏表层树脂的情况下烧蚀纤维，位于芳纶纤维树脂基复合材料试样内部的芳纶纤维处于一个缺氧的环境，所以表层树脂下层的芳纶纤维层在高温缺氧的情况下实现碳化，如图3所示。这层碳化层是很好的导电材料，从而实现芳纶纤维树脂基复合材料的导电功能。
34.实施例2
35.采用的激光器参数以及材料都与实施例1相同。
36.步骤一：擦拭芳纶纤维树脂基复合材料试样表面，确保表面无污渍。
37.步骤二：将芳纶纤维树脂基复合材料试样置于激光器试样平台，激光焦点与试样上表面的离焦量为-2mm，使激光焦点位于材料内部水平面。
38.步骤三:采用功率为10w，扫描速度为1000mm/s的红外皮秒激光对100mm
×
50mm的芳纶纤维树脂基复合材料试样进行10次扫描。在材料内部得到一长为50mm，宽为0.2mm的碳化线路，测得此时碳化线路的电阻率为4.1
×
10-5
ω
·
m。
39.实施例3
40.采用的激光器参数以及材料都与实施例1相同。
41.步骤一和步骤二均和示例2相同
42.步骤三:采用功率为15w，扫描速度为1000mm/s的红外皮秒激光对100mm
×
50mm的芳纶纤维树脂基复合材料试样进行12次扫描。在材料内部得到一长为150mm，宽为0.2mm的碳化弯曲线路，如示意图图4所示。测得此时碳化线路的电阻率为3.6
×
10-5
ω
·
m。
43.实施例4
44.采用的激光器参数以及材料都与实施例1相同。
45.步骤一和步骤二均和示例2相同
46.步骤三:采用功率为15w，扫描速度为1000mm/s的红外皮秒激光对100mm
×
50mm的芳纶纤维树脂基复合材料试样进行12次扫描。在材料内部得到数个外边长为200um，线路宽度为30um的“口”字形微型结构，如示意图图4所示。测得该试样对太赫兹波有吸收作用。
47.结合附图2，可以看出，激光扫描头1发出激光束2对芳纶纤维树脂基复合材料4内部纤维层进行扫描得到芳纶纤维树脂基复合材料内部碳化层线路3。
48.结合附图3为扫描电镜图，通过本发明方法得到的碳化层，这层碳化层是很好的导电材料，从而实现芳纶纤维树脂基复合材料的导电功能。
49.结合附图4，在芳纶纤维树脂基复合材料4上扫描出的激光扫描碳化弯曲线路6，可实现复杂环境下的导电功能。
50.结合附图5，通过本发明方法得到的激光扫描碳化微型结构7，该试样对太赫兹波有吸收作用。
51.本发明中擦拭芳纶纤维树脂基复合材料试样表面，确保表面无污渍；这是因为当激光辐照在芳纶纤维树脂基复合材料试样表面时，芳纶纤维树脂基复合材料表面的污渍会吸收部分激光能量，导致芳纶纤维树脂基复合材料试样内部吸收的激光能量减少，另外当激光作用于表面污渍时产生的高温会烧伤表层树脂。
52.激光焦点与芳纶纤维树脂基复合材料试样上表面的离焦量为-1mm～-10mm，使激光焦点位于芳纶纤维树脂基复合材料试样内部水平面。
53.激光功率为4w～15w，扫描速度为500mm/s～2000mm/s的红外皮秒激光对芳纶纤维树脂基复合材料试样进行6～12次扫描。
54.采用低功率功率，高速度的红外皮秒激光对芳纶纤维树脂基复合材料试样进行多次扫描；由于表层环氧树脂对激光吸收较低，激光束穿过树脂并直接加热芳纶纤维；用较低的功率就可使芳纶纤维在不破坏表层树脂的情况下烧蚀纤维，位于芳纶纤维树脂基复合材料试样内部的芳纶纤维处于一个缺氧的环境，所以表层树脂下层的芳纶纤维层在高温缺氧的情况下实现碳化，这层碳化层是很好的导电材料，从而实现芳纶纤维树脂基复合材料的导电功能，并且对于飞行器在电磁波影身方面具有潜在应用价值。
55.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
56.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。