Параметрическое исследование взаимодействия импульсного наносекундного лазера с углеродом

Том 13 научных докладов, номер статьи: 2048 (2023) Цитировать эту статью

1084 доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Предложен метод лазерной обработки композитной биполярной пластины из углеродных нанотрубок (УНТ) толщиной 2,5 мм для топливных элементов с протонообменной мембраной (ПЭМТЭ). Целью данного исследования является экспериментальное понимание взаимодействия лазера с композитной пластиной УНТ с использованием импульсного наносекундного лазера. Изучаются глубина проникновения, ширина вершины, ширина брызг и общая физическая морфология. Для наблюдения и измерений использовались сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) и 3D-сканирующий конфокальный микроскоп. На основании этого проводится параметрическое исследование, о котором систематически сообщается. Самое главное, что частота повторения импульсов представляет собой уникальную природу взаимодействия, которая привела к критической частоте повторения, различающей три режима работы. Физические и химические свойства режимов дополнительно анализируются с помощью испытаний на микротвердость по Виккерсу и энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX), выполняемого на поверхности и в поперечном сечении каждого образца. Результаты показывают, что частота повторения импульсов приводит к изменениям механических свойств и химического состава вблизи обрабатываемой области. В заключение следует отдать предпочтение меньшему повторению импульсов, поскольку оно меньше влияет на механические свойства, химический состав и морфологические аспекты.

Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают выдающимися механическими свойствами (модуль упругости и прочность на растяжение) и превосходной электро- и теплопроводностью, что делает их жесткими и прочными проводящими материалами при небольшом весе по сравнению со сталью и другими конструкционными материалами1. Это стимулировало большое внимание в развитом сообществе композитов к их использованию в качестве армирующих материалов для продвижения композитных материалов2. Эти композиты используются для различных применений в носимых системах (умный текстиль), робототехнике, электронных устройствах нового поколения и системах преобразования энергии3,4,5. В дополнение к замечательным механическим, электрическим и термическим свойствам УНТ обладают высоким соотношением поверхности к объему, что обусловлено их малым диаметром, составляющим порядка нескольких нанометров. Это создало большие возможности для композитов УНТ, особенно в батареях и устройствах преобразования энергии, где увеличенная эффективная площадь контактной поверхности электродов на объем играет значительную роль в эффективности преобразования энергии6,7,8. УНТ идентифицированы как потенциально полезные элементы в системах литий-ионных аккумуляторов, топливных элементах и ​​солнечных элементах9,10,11. Композит УНТ с металлическими наночастицами в качестве электрода удваивает производительность водородных топливных элементов за счет повышенной каталитической активности электродов на основе углеродных нанотрубок12,13. Другие исследования указали на актуальность и применение УНТ в литий-ионных батареях14, эластичных и прозрачных проводящих пленках15 и плоских дисплеях16.

Учитывая растущий спрос и возможности применения УНТ в различных технологических областях, разработка эффективных производственных процессов имеет жизненно важное значение для обработки композитов УНТ до желаемого размера, формы и качества. Любой метод производства, выбранный для обработки композитов УНТ, должен обеспечивать минимальное повреждение структуры УНТ, которое может возникнуть в результате давления, тепла или химической реакции с материалом матрицы. Обычные процессы, такие как механическая обработка и формование, связаны с определенными недостатками. Поскольку УНТ обладают высокой прочностью и твердостью, традиционные методы обработки могут привести к интенсивному износу инструмента, сокращению срока службы инструмента и увеличению производственных затрат17. На выравнивание УНТ в формованных композитах существенно влияет сдвиговое течение в процессе формования, что приводит к нежелательным изменениям в их структурах и свойствах18.

Постоянное улучшение характеристик лазеров в течение последних десятилетий улучшило их возможности в различных областях, включая энергетику, биотехнологии, электронику и машиностроение19. При резке полимерных композитов лазеры предлагают множество преимуществ, включая высокую скорость производства без недостатков, связанных с износом инструмента и вибрацией20,21. Лазеры особенно выгодны при обработке труднообрабатываемых материалов22, таких как композиты из углеродного волокна и графита, из-за их хрупкости и твердости.