01
소개
CFRP(탄소 섬유 강화 폴리머)는 매트릭스 상 재료로 사용되는 수지와 강화 상 재료로 사용되는 탄소 섬유로 구성됩니다. CFRP는 수지 매트릭스와 탄소섬유 강화재의 물성을 결합해 경량, 내식성, 내마모성, 고경도 등의 특성을 나타냅니다. 결과적으로 항공우주, 자동차 산업, 해군 조선, 풍력 발전, 토목 공학 등 구조적 경량화에 대한 수요가 높은 분야에서 널리 활용됩니다.- CFRP 재료의 주요 제조 방법에는 RTM(Resin Transfer Molding), 오토클레이브 성형, 진공 백 성형 및 필라멘트 와인딩이 포함됩니다. 이러한 방법을 사용하면 거의-순-모양 처리를 통해 CFRP 구조를 생성할 수 있습니다. 그러나 실제 산업 응용 분야에서는 일반적으로 구멍, 슬롯 및 조립 홈과 같은 기능을 포함하여-원하는 부품 형상을 달성하고-부품 설계에 지정된 치수 정확성과 형태 공차를 충족하기 위해 CFRP의 2차 처리가 필요합니다. 강화 탄소 섬유와 CFRP 내의 매트릭스 수지 사이의 열적 및 기계적 특성의 상당한 차이로 인해 이 2차 가공은 상당한 어려움을 겪고 다양한 결함이 발생하기 쉬우며 종종 가공 품질이 저하됩니다. 따라서 최종 부품의 치수 및 성능 요구 사항을 충족하려면 CFRP 소재의 가공 기술을 조사하고 고품질, 고효율-가공 방법을 모색하는 것이 무엇보다 중요합니다.
02
레이저 가공의 재료 제거 메커니즘
CFRP(탄소섬유 강화 폴리머)-와 같은 복잡한 물리적 특성을 지닌 고급 엔지니어링 소재가 등장하면서 기존 기계 가공, 워터젯 가공, 방전 가공의 경쟁력은 점차 약화되었습니다. 레이저 가공에서 재료 제거에는 기본적으로 재료 내 레이저 에너지의 흡수, 반응 및 전달이 포함됩니다. 이 과정에서 레이저는 재료 표면에 조사되고 전자는 광자 에너지를 흡수합니다. 이어서, 전자-격자 충돌을 통해 에너지 전달이 일어나 전자와 격자 사이에 열평형이 이루어질 때까지 격자 온도는 증가하고 전자 온도는 감소합니다. 그러나 탄소 섬유의 승화 온도(~3600K)는 수지 매트릭스(~800K)의 승화 온도의 약 5배이기 때문에 탄소 섬유를 제거하는 데 필요한 에너지 입력은 수지에 필요한 것보다 훨씬 더 큽니다. 또한, 탄소섬유의 이방성 열전도성으로 인해 탄소섬유 승화 과정에서 발생하는 열이 우선적으로 수지 매트릭스에 전파되어 수지 분해 및 유해 물질 생성을 초래합니다. 연구자들은 CFRP에 대한 2단계 제거 메커니즘, 즉 레이저-유발 열분해와 열역학적 박리를 제안했습니다. 재료 절제의 초기 단계에서 생성된 플라즈마는 열을 흡수하고 방향성 열충격파를 생성합니다. 가공 중에 노출된 탄소 섬유는 방사형 전단력을 받아 취성 파괴 및 재료 분리가 발생합니다.
레이저 펄스 지속 시간이 10 ps 미만으로 떨어지면 펄스 지속 시간이 전자-격자 완화 시간보다 짧아져 재료 제거 메커니즘이 기존 열 제거에서 벗어나게 됩니다. 처리 메커니즘은 그림 2에 설명되어 있습니다. 수지 재료는 에너지 밴드갭이 2-4eV인 열악한 전기 전도성과 제한된 수의 자유 전자를 나타냅니다. 반대로, 탄소 섬유는 좋은 전기 전도성을 가지며 일정량의 자유 전자를 포함합니다. 레이저를 조사하는 동안 탄소섬유 내의 자유전자는 레이저 에너지를 직접 흡수하여 전자계의 온도를 상승시킵니다. 단일 광자의 에너지가 수지의 밴드갭보다 낮을 때 그림 2(b)에 표시된 것처럼 다광자 이온화(MPI) 메커니즘을 통해 자유 전자가 생성됩니다. 단일 광자의 에너지가 밴드갭을 초과하면 단일{10}}광자 이온화가 전자 여기 메커니즘을 지배합니다. 생성된 자유 전자는 결합된 전자와 충돌하여 충격 이온화를 통해 에너지를 전달합니다. 이는 그림 2(c)에 표시된 것처럼 -눈사태 이온화를 유발하며-자유 전자의 밀도를 크게 증가시킵니다. 초단파-펄스 레이저 조사 단계에서는 열 관성으로 인해 격자 온도가 천천히 변화하는 반면, 전자 시스템의 온도는 빠르게 상승합니다. 관련된 상 전이에는 비-열 상 전이와 열 상 전이가 모두 포함됩니다. 레이저 광자 에너지가 충분히 높으면 전자는 원자핵의 쿨롱 결합력을 극복할 만큼 충분한 에너지를 흡수하여 열 이온화를 일으키고 많은 양의 양이온을 남깁니다. 이러한 양이온은 쿨롱 힘으로 인해 서로 반발하여 그림 2(d)에 표시된 것처럼 "쿨롱 폭발"과 정전기 제거-"냉간 제거"로 알려진 프로세스-가 발생합니다. 그림 2(e)와 같이 전자- 격자 에너지 산란이 지속적으로 일어나 격자 온도가 점차 상승하고 탄소섬유와 수지 사이에 열전도가 일어난다. 결과적으로, 온도가 특정 임계값을 초과하면 기화 및 상폭발과 같은 열 상전이-가 발생하여 표면에서 방출되는 고온-, 고압{31}}고밀도 플라즈마가 생성되어 열을 운반하고 잔해를 처리합니다.
열-영향부(HAZ) 내의 결함은 레이저- 재료 상호작용과 재료의 고유한 이질성 및 이방성으로 인해 국부적인 특성 변화가 발생하는 CFRP 내의 영역을 의미합니다. 이러한 변화에는 -불균일한 증발과 매트릭스 수지의 열 분해, 탄소 섬유의 노출 등이 포함됩니다. 가우시안 레이저 빔은 균일하지 않은 공간 에너지 분포를 생성하며, 열 확산 효과로 인해 CFRP 재료가 가공 영역 근처에서 가열됩니다. 이 특정 영역에서 열 에너지는 수지 매트릭스의 분해에 필요한 임계값을 초과하지만 탄소 섬유 제거에 필요한 임계값 미만으로 유지됩니다. 이로 인해 수지의 특성이 저하되고 탄소 섬유가 국부적으로 노출됩니다. 이 영역 내에서 열 전도는 수지와 탄소 섬유를 모두 가열합니다. 수지와 탄소섬유의 증발온도 차이가 크기 때문에 이 영역의 수지는 증발하고 탄소섬유는 증발온도에 도달하지 못하여 탄소섬유가 노출되게 된다.
