摘要：美国普渡大学的科研人员综述报道了激光辅助热固性复合材料制造工艺综述：物理行为、工艺基础机制及应用。相关论文以“A comprehensive review of laser-assisted manufacturing processes for thermo

长三角G60激光联盟导读

美国普渡大学的科研人员综述报道了激光辅助热固性复合材料制造工艺综述：物理行为、工艺基础机制及应用。相关论文以“A comprehensive review of laser-assisted manufacturing processes for thermoset composites: Physical behavior, fundamental mechanisms of the process, and applications”为题发表在《Journal of Manufacturing Processes》上。

碳纤维增强热固性复合材料（CFRTS）等材料凭借其轻质特性、卓越的刚强比、耐腐蚀性以及交联热固树脂基体带来的优异热稳定性，深刻变革了航空、汽车和建筑领域。然而，传统制造方法在精确加工控制和材料性能优化方面存在明显不足，而激光辅助制造（LAM）技术通过激光能量的精准调控为这一难题提供了创新解决方案。

本文系统综述了碳纤维增强热固性复合材料LAM技术的最新进展，涵盖工艺原理、多元加工方法及其在汽车与航空航天领域的应用，重点阐释激光参数对材料特性的调控机制及其终端性能影响。本研究的创新性在于整合现有知识体系的同时，揭示了当前研究中的关键空白——如热固性复合材料特异性激光-材料相互作用机制的探索不足，以及标准化测试方法的缺失。通过交叉融合材料科学、机械工程与制造技术等多学科视角，本文不仅深化了对该领域的理解，更为未来研究方向提供了路线图，强调通过协同创新突破技术瓶颈，推动可持续高效生产实践的发展。

关键词：激光辅助制造；碳纤维增强热固性复合材料；激光切割；激光焊接；激光增材制造；激光固化

图1.复合材料缺陷类型、尺度及检测方法

图2.a)热固性与热塑性材料对比b)热塑性材料 c)热固性材料

图3.基于纤维取向的试样表面热传播红外图像：左-碳纤维增强聚合物，右-玻璃纤维增强聚合物

图4.光相互作用示意图

图5.a)红外激光加工CFRP层压板热效应示意图 b)红外激光与剥离层处理的剪切强度对比

图6.热固性复合材料激光辅助制造工艺流程

图7.激光切割工艺：a)激光-材料相互作用/去除过程的能量分布 b)工艺示意图 c)实验装置

图8.CFRP板材激光钻孔装置：a)原理图 b)实验配置

图9.CFRP复合材料脉冲激光加工材料去除机制：a)阶段I b)阶段II c)阶段III d)有无切向气流及真空环境下30次扫描的HAZ尺寸 e)气流条件下不同扫描速度的表面形貌 f)无气流条件 g)真空环境

图10.a)1600W/250mm/s/5次扫描后CFRP纤维激光切割SEM图像（显示切缝宽度、MEW与MRW）b)切缝质量参数示意图 c)上表面切缝宽度与MEW测量（1600W/125mm/s/10次扫描）

图11.不同参数下CFRP试样激光切割截面形貌

图12.激光表面改性：a)红外激光处理示意图 b)红外激光热效应 c)CFRP复合材料UV激光表面处理 d)UV脉冲激光

图13.不同能量密度对表面特征的形貌影响对比

图14.SEM观测激光加工对材料表面的影响

图15.复合材料应用案例：碳纤维增强聚合物（CFRP）与玻璃纤维增强聚合物（GFRP）

图16.环氧树脂激光诱导选择性金属化：a)三维结构&超薄电机设计 b)分解原型 c)组装原型 d)原型重量

图17.支架件激光热固性制造案例

图18.热固性复合材料LAM未来研究方向流程图（含AI整合、先进激光器、可持续固化及增材技术）

本研究全面揭示了CFRTS复合材料LAM技术的关键进展与挑战。激光与热固性材料的相互作用涉及高达3000°C的复杂热-光效应（远超热塑性材料的~1000°C），这种极端热环境既带来加工优势又引发损伤控制难题。激光切割/钻孔技术已发展为高效非接触精密加工方法：CF/环氧体系采用CO₂与光纤激光可实现40-80mm/min切割速度，但热影响区（HAZ）、碳化及纤维拔出等问题仍存。多轴振镜系统激光钻孔可制备

激光表面改性（尤其是烧蚀法）通过树脂去除与可控粗糙化使接头剪切强度提升达40%。增材制造技术（SLA 12.68%/SLS 22.54%）虽能成型高精度复杂结构，但固化不完全与纤维错位问题制约其力学性能。激光诱导固化与前沿聚合技术相较传统烘箱固化可提速10倍并节能40%，契合自动化生产需求。文献计量显示传统工艺（切割25.35%/钻孔12.68%）仍占主导，焊接（8.45%）、表面改性（5.63%）与固化（7.04%）等新兴领域研究持续增长。

当前瓶颈包括统一热传导/降解模型的缺失、标准化不足及长期性能验证缺乏。未来需重点发展AI/ML自适应控制、缺陷预测及仿真优化技术，并建立完善的认证体系，推动LAM技术成为下一代热固性复合材料制造的革命性解决方案。

论文链接：

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟