《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Probing laser-damaged carbon fibre-reinforced polymer composites using synchrotron ATR-FTIR microspectroscopy
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本研究利用同步辐射衰减全反射傅里叶变换红外显微光谱技术，结合超声检测，首次系统揭示了不同纤维类型、树脂化学和铺层序列对激光加工碳纤维增强聚合物复合材料热影响区的化学变化及损伤机制的影响，为汽车和航空工业的高质量激光加工提供新见解。
艾米丽·M·格罗夫斯（Emily M. Groves）| 阿什莉·L·法恩斯沃思（Ashleigh L. Farnsworth）| 吉特拉蓬·冯斯维武特（Jitraporn Vongsvivut）| 马修·易卜拉欣（Matthew Ibrahim）| 安德鲁·D·M·查尔斯（Andrew D.M. Charles）
澳大利亚维多利亚州费舍曼斯本德（Fishermans Bend），洛里默街506号（Lorimer Street 506），国防科学技术集团（Defence Science and Technology Group）平台部门（Platforms Division），邮编3207
摘要
通常通过结合视觉检查、射线照相和超声波检测（UT）技术来识别碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料中的激光诱导热影响区（HAZ）。这种传统方法可以评估复合材料的物理变化，但无法识别可能导致复合材料在使用过程中性能下降的化学变化。为了解决这一问题，本研究使用了基于同步辐射的衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）微光谱技术，对一系列不同商用CFRP复合材料在连续波激光辐照下的表面化学变化进行了分析。通过将分子层面的化学变化与视觉检查和UT结果进行关联，首次全面了解了激光诱导损伤机制与纤维类型、树脂化学成分及层叠顺序之间的关系。这些结果为通过射线照相、UT或视觉检查无法检测到的热损伤提供了有用的见解，并对汽车和航空航天领域新兴的激光加工技术具有直接应用价值。
引言
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其低比重、高强度重量比、耐腐蚀性、优异的疲劳强度以及灵活的设计而越来越受到航空航天行业的青睐[1][2]。CFRP是飞机结构的理想材料，对其结构部件的需求持续增长[3][4]。为了高效地加工出高质量的CFRP材料，需要有效的加工工艺。传统的加工方法（如机械加工和水射流加工）由于CFRP的各向异性和异质性，可能会导致纤维拔出和分层现象，同时还会产生过多的工具磨损、磨料浆液排放和噪音[5]。激光加工因其非接触式、低成本、高精度和窄切割宽度等优点而被用于这种特殊材料的加工[7][8][9]。
激光加工的原理是通过吸收激光能量来实现材料去除。在激光加工CFRP复合材料的过程中，会在激光与材料相互作用的位置形成热影响区（HAZ），周围材料会经历温度梯度变化。这种温度梯度是由于碳纤维（CF）和聚合物基体的物理和热性能差异造成的。因此，HAZ的宽度通常远大于所需的切割宽度，并会延伸到聚合物基体中。这种不可避免的HAZ降低了激光加工的精度，限制了其在工业中的应用。因此，CFRP的激光加工是一个热-机械-化学耦合过程，研究激光与CFRP相互作用产生的热损伤对于开发高质量的激光加工CFRP至关重要。
无损检测（NDT）技术（如视觉检查、X射线计算机断层扫描（CT）和超声波检测（UT）常用于检测CFRP复合材料中的物理损伤[10][11][12]。然而，这些技术的局限性在于无法检测到不会导致物理损伤（如裂纹或分层）的热损伤，从而忽略了以基体为主的热损伤现象。这种难以检测的热损伤被称为初始热损伤（ITD），可能包括氧化、水解、脱水和微裂纹等多种化学和热降解现象[13]。R·托伊沃拉（R Toivola）等人的研究表明，可以使用手持式FTIR光谱仪实时监测CFRP层压板在热暴露下的化学损伤，这种损伤先于物理损伤发生，并将红外光谱变化与机械性能下降联系起来[13]。
本研究利用基于同步辐射的衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）微光谱技术来研究经过激光辐照的各种CFRP复合材料中聚合物基体的化学变化。为了更全面地了解激光诱导的热化学变化与CFRP中的热机械损伤之间的关联，还进行了超声波检测（UT）。与之前的研究[14]不同，我们的工作不仅改进了方法的应用，还揭示了不同材料组成和几何因素如何影响这些CFRP在工业应用能量水平下的分子响应。
部分内容摘录
CFRP的制备
制备了三种不同的CFRP层压板样品，包括：(i) IM7/5250–4（CYCOM?），一种采用单向（UD）碳纤维的BMI树脂体系；(ii) IM7/977–3（CYCOM?），一种采用环氧树脂基体的UD碳纤维；(iii) G939/M18（HexPly?，斯坦福，美国），一种采用平面编织（PW）碳纤维的环氧树脂基体。所有样品均采用准各向同性铺层方式制造，表1列出了铺层顺序和制备样品的厚度。
激光损伤表征
表3总结了每种CFRP层压板的烧穿时间。观察发现，烧穿时间从短到长依次为：G939/M18 < IM7/977–3 < IM7/5250–4。这一趋势反映了层压板的厚度（见表1），因此较厚的层压板需要更长的时间才能被激光束穿透，这也影响了激光能量密度。
激光辐照后的横截面图像显示（IM7/5250–4和G939/M18）以及（IM7/977–3）距离表面2毫米处的情况...
激光损伤机制
在本研究中，通过UT或基于同步辐射的ATR-FTIR微光谱技术表征的激光诱导热损伤有一个共同的因素：层压板的热导率。通过对各层压板热导率的测量发现，它直接影响最终形成的HAZ形状（通过视觉观察和UT确认），以及基于同步辐射的ATR-FTIR技术得到的表面剖面中聚合物基体的峰值强度...
结论
通过使用基于同步辐射的ATR-FTIR微光谱技术研究了激光辐照对多种商用CFRP层压板的影响，并与UT结果进行了比较。研究发现，层压板内碳纤维的取向决定了热流方向，进而影响了HAZ的形状。这一现象不仅限于最表层，后续层也起到了关键的热量消散作用。例如，某些情况下会形成圆形的HAZ...
CRediT作者贡献声明
艾米丽·M·格罗夫斯（Emily M. Groves）： 起草初稿、进行研究、进行数据分析、构建概念框架。
阿什莉·L·法恩斯沃思（Ashleigh L. Farnsworth）： 审稿与编辑、验证数据、确定研究方法、参与研究。
吉特拉蓬·冯斯维武特（Jitraporn Vongsvivut）： 审稿与编辑、验证数据、开发软件、确定研究方法、参与研究。
马修·易卜拉欣（Matthew Ibrahim）： 审稿与编辑、管理数据、确定研究方法、构建概念框架。
安德鲁·D·M·查尔斯（Andrew D.M. Charles）： 审稿与编辑、提供指导、确定研究方法、构建概念框架。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国防科学技术集团的研究人员提供的帮助，特别是迈克尔·奥尔曼（Michael Oermann）在激光效应测试方面的支持，以及基拉尼·墨菲（Kilahney Murphy）在离线ATR-FTIR分析方面的协助。部分研究工作是在澳大利亚同步辐射设施（ANSTO）的红外微光谱光束线上完成的。
