紫外飞秒激光无损清除碳纤维增强聚合物表面底漆的机理与工艺研究

为解决CFRP（碳纤维增强聚合物）表面底漆清除过程中易损伤基底的难题，研究人员首次采用紫外飞秒激光（UV femtosecond laser）开展非热损伤清洗研究。通过优化扫描速度（800 mm/s）、能量密度（1.82 J/cm2 ）等参数，实现底漆完全清除且基底零损伤，同时使表面硬度提升165.8%、接触角降低6.4%。该研究为CFRP回收再利用提供了环保高效的解决方案。

　　

碳纤维增强聚合物（CFRP）因其高强度、轻量化特性，已成为航空航天等领域的关键材料。然而，其表面防护涂层在长期使用后需定期清除，传统机械或化学方法易损伤基底。尤其对于作为底漆的丙烯酸树脂，其高附着力更增加了清除难度。现有激光清洗技术多采用红外激光，热效应显著，易导致碳纤维断裂。紫外飞秒激光凭借超短脉冲（10^-15
秒级）和高光子能量的双重优势，理论上可实现"冷加工"，但此前从未应用于CFRP底漆清除领域。

哈尔滨工业大学的研究团队在《Optics 》发表论文，首次系统研究了紫外飞秒激光清除CFRP表面底漆的工艺与机理。研究通过激光共聚焦显微镜、X射线光电子能谱（XPS）等技术，结合表面润湿性和硬度测试，建立了"烧蚀-光化学"协同作用的理论模型，为CFRP的绿色回收提供了新范式。

关键技术包括：1）采用355 nm紫外飞秒激光器，通过调整扫描速度（200-1000 mm/s）和能量密度（0.91-3.64 J/cm²
）构建工艺窗口；2）基于特征元素钛（Ti）的分布，通过能谱分析（EDS）量化清洗效果；3）结合拉曼光谱解析化学键变化，验证光化学机制。实验选用2 mm厚CFRP基板，其表面喷涂含钛/钡（Ba）的丙烯酸树脂底漆。

参数优化
通过元素分布分析发现，钛元素可作为底漆清除的标记物。当能量密度超过2.73 J/cm²
时，碳纤维出现机械断裂，而低于1.82 J/cm²
则清洗不彻底。正交实验确定最佳参数组合为4次重复清洗、800 mm/s扫描速度配合1.82 J/cm²
能量密度。

表面性能
完全清洗后的表面接触角降低6.4%，硬度提升至基底的2.658倍。部分保留树脂的表面反而表现出更好的涂层附着力，这一发现对实际工程具有指导意义。

清洗机制
短脉冲特性抑制了热扩散，使热影响层厚度控制在纳米级。XPS检测到C-O键断裂产生的自由基，证实光化学分解的存在。过度清洗时，碳纤维的断裂形貌显示其为纯机械破坏，非热降解所致。

该研究不仅首次实现了CFRP底漆的无损清除，更建立了超快激光与复合材料相互作用的理论框架。提出的"能量密度-扫描速度"工艺窗口模型，可直接指导飞机蒙皮等关键部件的维护作业。值得注意的是，适度保留树脂层可增强再涂装性能的发现，颠覆了传统"彻底清除"的认知，为制定行业标准提供了科学依据。未来研究可进一步探索不同树脂体系的响应阈值，推动该技术向船舶、风电等更广阔领域拓展。