摘要
随着航天领域对材料轻量化的需求日益增加，以碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)为代表的先进复合材料因其轻质高强已逐步成为关键材料之一。但CFRP复合材料因非均质、各向异性使其成为典型的难加工材料，传统的制造工艺已无法满足其零部件连接时高质量胶接所需的表面处理的加工要求。飞秒激光因其超强、超快、超精密的显著优势已成为应对这一需求的首选方法之一。然而目前尚未能实现飞秒激光加工CFRP复合材料的高质量表面处理，且飞秒激光表面图案化对胶接强度的影响尚不清晰，亟需探索其影响规律，进而实现CFRP复合材料的飞秒激光可控制造。 因此，本文开展CFRP复合材料的飞秒激光表面图案化可控加工方法及其胶接性能的研究。首先，基于两相组分对激光波长光学响应的差异进行阈值研究，使用飞秒激光制备其诱导产生的表面结构，探索关键工艺参数和加工策略对表面形貌的影响规律;其次，提出了 CFRP复合材料表面结构高效制备的方法，即通过光束整形生成线形激光实现高效高质量大面积均匀制备，研究线形激光关键工艺参数和加工策略对表面结构的影响规律，进一步优化工艺，表征分析图案化CFRP的润湿特性和光学性能;最后，通过单搭接拉伸实验测试评价表面图案化对胶接性能的影响，并采用超景深金相显微镜进行失效情况断面观察，验证测试的有效性。研究结果表明:1)通过改变激光关键工艺参数和加工策略可有效调控表面周期结构的形貌;2)光束整形后的线形飞秒激光可诱导产生均匀的表面周期结构:LSFL(Λ ≈ 610nm)和HSFL(Λ≈120nm);3)线形飞秒激光仅需20s即可制备1 cm*1 cm区域的表面周期结构，相比圆形飞秒激光，其工作效率提高了 49倍;4)飞秒激光表面图案化处理有利于CFRP复合材料零部件的胶接连接，其中，激光处理产生的LSFL结构试样具有最好的胶接效果，与未处理试样拉伸强度相比，提高了约41.28％(3.97±0.12MPa),在胶粘剂层厚度增加的情况下可增加至近3倍(14.57±2.68 MPa)。 通过上述研究，实现了 CFRP复合材料的飞秒激光大面积均匀表面图案化,对后续飞秒激光加工工艺优化具有指导作用。探索CFRP复合材料表面结构-表面性能-胶接性能之间的映射关系，获得了高质量高性能胶接表面结构，为国家重大航天工程用CFRP材料高精度低损伤表面处理提供方法和技术支撑。
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