CF-PEEK与PEEK材料的飞秒及纳秒激光纹理处理：异常的碳纤维残留物与人工智能驱动的优化

《Optics & Laser Technology》：Femtosecond and nanosecond laser texturing of CF-PEEK and PEEK: Anomalous carbon fiber residue and AI–Driven optimization

　　•不同激光器在处理碳纤维复合材料时，其长宽比的变化趋势存在差异。•飞秒激光会留下纤维丛，而纳秒激光则通过热作用将其去除。•由于吸收率较低，纯PEEK材料在低功率纳秒激光作用下难以被加工。•GA-MLP模型可预测纹理尺寸，并为激光参数提供优化建议。

引言
聚醚醚酮（PEEK）及其碳纤维增强复合材料（CF-PEEK）属于高性能工程塑料。凭借出色的机械性能、化学稳定性、高耐磨性、生物相容性以及宽温度范围内的尺寸稳定性，它们被广泛应用于航空航天、通信、汽车、能源以及生物医学领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。尤其是在髋关节、膝关节和椎间融合装置等骨科植入物中，PEEK因其弹性模量与骨骼相近而备受青睐[6]、[7]。然而，与许多聚合物类似，PEEK材料本身具有化学和生物学上的惰性，这限制了其与周围组织的相互作用。此类情况可能导致植入物被纤维组织包裹，进而影响其细胞相容性、亲水性和抗菌性能[8]、[9]、[10]。在摩擦学领域，这类材料的摩擦与磨损性能也有待提升[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。为解决上述问题，对材料表面进行纹理处理已成为改善材料表面摩擦性能、润湿性及生物相容性的关键技术[16]。

表面纹理处理指的是在材料表面创建规则的微米或纳米级结构。这种处理方式能够改善润滑条件，减小实际接触面积，增强润滑膜的承载能力，从而显著降低摩擦系数和磨损速率[17]、[18]。对于生物医学植入物而言，表面纹理还能通过改变表面形态，促进细胞的黏附、增殖与分化，进而提升与骨组织的整合程度[19]、[20]、[21]。此外，表面纹理在调控材料的润湿性能方面也起着重要作用。通过构建微纳结构，可实现从亲水性到超疏水性的转变，这一特性对于自清洁表面、微流控器件以及防冰应用具有重要意义[22]、[23]。在工程连接领域，对聚合物表面进行激光纹理预处理，可有效提高表面粗糙度，进而显著增强连接部位的强度[1]、[24]、[25]、[26]。传统的纹理处理方法，如机械加工、化学蚀刻和电火花加工，存在容易损伤材料、形状设计受限、可能造成环境污染或成本过高等缺陷。而激光表面处理作为一种非接触式、高精度且灵活性强的技术，为聚合物及其复合材料的表面改性提供了理想的解决方案[25]、[27]、[28]。与其他技术相比，激光加工具有材料利用率高、热影响区可控、加工质量好，且易于实现复杂图案加工等优点。纳秒激光技术已较为成熟，被广泛用于金属、陶瓷和聚合物的微加工领域，在硬盘纹理处理、微电子器件加工以及医疗设备制造等方面已实现工业化应用[29]。不过，激光与材料之间的相互作用机制在很大程度上取决于激光参数，尤其是脉冲宽度。长脉冲激光（如纳秒激光）的加工主要基于线性吸收和热效应，能量沉积时间较长，热扩散明显，容易引发材料熔化、碳化，产生较大的热影响区，还会出现分层和基体热降解等缺陷。相比之下，超快脉冲激光（如飞秒激光）具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率密度，其加工机制主要以非线性吸收为基础。能量会在热扩散发生之前迅速局部聚集并沉积，从而直接打破材料的化学键，实现近乎“冷加工”式的材料去除，这大大缩小了热影响区，使得加工后的表面更加整洁精确[30]。飞秒激光在透明材料的三维微加工、超疏水表面的制备以及精准清洁领域展现出独特优势[31]。因此，超快激光被视为实现高质量微结构的理想工具。但对于碳纤维增强聚合物（CFRP）这类复合材料而言，碳纤维与树脂基体对激光的反应存在显著差异，其材料去除机制也更为复杂[32]。使用飞秒激光加工CFRP时，尽管整体热影响较小，但由于碳纤维的导热性较高，且其烧蚀阈值与基体不同，仍可能出现选择性去除或残留碳纤维的问题。而纳秒激光虽具有明显的热效应，但在某些情况下，其持续的热作用可能更有助于同时去除碳纤维及周围的基体材料。此外，激光加工参数中的波长、能量和扫描速度等因素，会对最终纹理的几何形态产生决定性影响，激光参数与加工形态之间的关系仍有待进一步阐明。近期的研究深入分析了这些机制。梁某系统地研究了CFRP在激光烧蚀过程中热影响区的扩展规律，发现热损伤程度在很大程度上取决于纤维相对于扫描方向的空间排列方式[33]。某学者提出了飞秒激光对CFRP进行选择性纹理处理时的“去除阈值”概念，指出表面树脂的烧蚀是多光子光解、热解、纤维介导的热传递以及机械剥落等多种过程共同作用的结果[34]。针对纳秒激光，宋某通过有限元模拟分析了CFRP中的各向异性热传递现象，发现一旦积累的热能超过树脂的热解温度，就会产生脉冲间的热累积效应，从而导致基体材料被去除[35]。伊普利克奇进一步指出，在纳秒脉冲作用下，碳纤维吸收的能量会转化为热量并沿纤维传导，这往往会对环氧基体造成严重热损伤，且无法完全去除碳纤维[36]。

尽管关于聚合物和CFRP的激光加工已有大量研究，但直接对比飞秒激光与纳秒激光在CF-PEEK加工中的应用效果的系统性研究仍然十分缺乏。这不利于从机理层面理解两者之间的相互作用，也无法清晰比较碳纤维残留情况，更难以建立激光参数与加工结果之间的预测关系。目前大多数研究仅聚焦于某一种激光类型或某一种材料，缺乏对两种不同脉冲宽度在去除效率、形态特征以及关键指标——深度与宽度的长宽比等方面的对比分析及机理阐释[37]。此外，如何运用机器学习等数据驱动方法，高效预测并优化PEEK和CF-PEEK的激光纹理加工工艺，也是亟需探索的方向。因此，本研究旨在系统研究飞秒激光与纳秒激光在纯PEEK和CF-PEEK材料上的加工行为。通过对比分析不同激光能量和加工时间下凹槽的宽度、深度及长宽比的变化，揭示加工形态与激光参数之间的关系，明确脉冲宽度如何影响材料去除机制及最终纹理质量。具体而言，本研究将重点分析两种激光脉冲宽度下CF-PEEK中碳纤维残留机制的差异，以及纳秒激光加工纯PEEK时出现低功率加工失效现象的物理原因。最后，本研究构建了一种基于遗传算法优化的多层感知器模型，用以精准预测加工形态，并智能推荐工艺参数，为生物医学等领域中PEEK基材料的精准激光加工提供可靠的理论依据和高效的工艺优化工具。

实验部分要点
理论基础
高斯形激光束的能量空间分布如下：
Fr = Fpeakexp(-2r2/ω?2)
其中，r为距激光中心点的距离，Fpeak为峰值通量，其表达式为：
Fpeak = 2Epulseπω?2
此处，ω?表示光束半径，Epulse则表示激光能量。为分析加工尺寸与激光能量之间的关系，以及比较不同加工方法的效果，本研究采用了基于高斯光束的分析方法。

结果与讨论
在开展定量分析之前，首先对原始聚醚醚酮（PEEK）、经激光处理的PEEK以及碳纤维增强PEEK（CF-PEEK）的表面形态进行了观察。为获得更准确的测量结果和更全面的表征信息，我们使用了光学显微镜和白光干涉仪这两种仪器来分析这两种材料的表面形态，并通过标准件对仪器进行了预校准（见图2a）。

图2 基于遗传算法优化的多层感知器模型及工艺参数预测

机器学习方法，尤其是人工神经网络（ANN），在建立复杂工艺参数与加工结果之间的非线性映射关系方面具有显著优势。其中，多层感知器（MLP）由于其强大的函数逼近能力和对高维数据的适应能力，被广泛用于工程预测任务中。本研究旨在精准预测PEEK材料的激光加工形态（宽度与深度）。

结论
本研究比较了飞秒激光与纳秒激光在纯PEEK和CF-PEEK材料上的加工效果，发现脉冲宽度对材料去除机制、纤维残留行为以及纹理形态有着重要影响。本研究构建了一种基于遗传算法优化的多层感知器模型，以实现加工参数的智能预测与优化。主要结论如下：
(1) 飞秒激光的单脉冲去除效率约为纳秒激光的2.4倍。

贡献声明
刘伟辰：撰写——初稿。侯赫天：实验研究。张华龙：方法设计。陈本帅：形式分析。贾俊青：撰写——审阅与编辑。隋天一：方法设计。林斌：撰写——审阅与编辑。严帅：资金筹集。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52575222、52175180）和天津市自然科学基金（项目编号：23JCZDJC01190）的支持。

刘伟辰|侯赫天|张华龙|陈本帅|贾俊青|隋天一|林斌|严帅