碳纤维/环氧树脂编织结构激光辐照热传导效应仿真研究

本文根据碳纤维/环氧树脂复合材料内部编织结构导致的径向和轴向导热系数差异,以及垂直纤维方向的环氧树脂层和碳纤维层的层叠结构建立了复合导热系数、密度和比热容的阶梯变化模型,并根据材料的物理性质理论给出碳纤维/环氧树脂复合材料对激光的吸收率数值约为0.96。基于该模型利用COMSOL软件仿真计算了碳纤维/环氧树脂复合材料在高斯激光束平行/垂直材料内部纤维取向辐照的烧蚀行为,得到了激光功率、辐照时间对材料温度、烧蚀深度以及烧蚀热的影响规律。结果表明,激光平行纤维方向辐照材料时,材料向深度导热迅速,易形成较大的烧蚀坑,激光功率设置为400、600、800、1000 W辐照10 s时,分别形成0.642、1.721、2.846、3.990 mm的烧蚀深度;激光垂直纤维方向辐照材料时,材料的温升速率受环氧树脂和碳纤维层的叠加以及环氧树脂热解的热隔绝影响,难以向深度导热,烧蚀深度较浅,在光斑直径为10 mm、激光功率设置为800、1000 W辐照10 s时,分别形成0.567、1.243 mm的烧蚀深度。