01
ভূমিকা
কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমার (CFRP) একটি রজন নিয়ে গঠিত যা ম্যাট্রিক্স ফেজ উপাদান হিসাবে কাজ করে এবং কার্বন ফাইবারগুলি শক্তিবৃদ্ধি ফেজ উপাদান হিসাবে কাজ করে। রজন ম্যাট্রিক্স এবং কার্বন ফাইবার শক্তিবৃদ্ধি উভয়ের উপাদান বৈশিষ্ট্যগুলিকে একত্রিত করে, CFRP হালকা ওজন, জারা প্রতিরোধ, পরিধান প্রতিরোধের এবং উচ্চ কঠোরতার মতো বৈশিষ্ট্যগুলি প্রদর্শন করে। ফলস্বরূপ, এটি স্ট্রাকচারাল লাইটওয়েটিং-যেমন মহাকাশ, স্বয়ংচালিত শিল্প, নৌ জাহাজ নির্মাণ, বায়ু শক্তি উৎপাদন, এবং সিভিল ইঞ্জিনিয়ারিং এর জন্য শক্তিশালী চাহিদা সহ ক্ষেত্রগুলিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহার করা হয়। CFRP উপকরণগুলির জন্য প্রাথমিক উত্পাদন পদ্ধতিগুলির মধ্যে রয়েছে রেজিন ট্রান্সফার মোল্ডিং (RTM), অটোক্লেভ ছাঁচনির্মাণ, ভ্যাকুয়াম ব্যাগ ছাঁচনির্মাণ, এবং ফিলামেন্ট উইন্ডিং; এই পদ্ধতিগুলি কাছাকাছি-নেট-আকৃতি প্রক্রিয়াকরণের মাধ্যমে CFRP কাঠামো তৈরি করতে সক্ষম করে। যাইহোক, ব্যবহারিক শিল্প প্রয়োগে, CFRP-এর সেকেন্ডারি প্রক্রিয়াকরণের জন্য সাধারণত কাঙ্ক্ষিত অংশের জ্যামিতি-গর্ত, স্লট এবং সমাবেশের খাঁজের মতো বৈশিষ্ট্যগুলি সহ-এবং অংশের নকশায় নির্দিষ্ট মাত্রার নির্ভুলতা এবং ফর্ম সহনশীলতাগুলি পূরণ করার প্রয়োজন হয়৷ রিইনফোর্সিং কার্বন ফাইবার এবং CFRP-এর মধ্যে ম্যাট্রিক্স রেসিনের মধ্যে তাপীয় এবং যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যের উল্লেখযোগ্য বৈষম্যের কারণে, এই গৌণ প্রক্রিয়াকরণটি যথেষ্ট চ্যালেঞ্জ উপস্থাপন করে এবং বিভিন্ন ত্রুটির প্রবণ হয়, প্রায়শই প্রক্রিয়াকরণের গুণমানে আপস করা হয়। তাই, চূড়ান্ত উপাদানগুলির মাত্রিক এবং কার্যকারিতা প্রয়োজনীয়তাগুলি পূরণ করার জন্য, CFRP উপকরণগুলির জন্য প্রক্রিয়াকরণ প্রযুক্তিগুলি তদন্ত করা এবং উচ্চ{11}}গুণমান, উচ্চ-দক্ষতা প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতিগুলি অন্বেষণ করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ৷
02
লেজার প্রক্রিয়াকরণে উপাদান অপসারণের প্রক্রিয়া
কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমার (CFRP)-এর মতো জটিল শারীরিক বৈশিষ্ট্যের অধিকারী উন্নত প্রকৌশল সামগ্রীর আবির্ভাবের সাথে সাথে ঐতিহ্যগত যান্ত্রিক যন্ত্র, ওয়াটারজেট মেশিনিং এবং বৈদ্যুতিক নিঃসরণ যন্ত্রের প্রতিযোগিতামূলকতা ধীরে ধীরে হ্রাস পেয়েছে। লেজার প্রক্রিয়াকরণে, উপাদান অপসারণ মৌলিকভাবে উপাদানের মধ্যে লেজার শক্তির শোষণ, প্রতিক্রিয়া এবং স্থানান্তর জড়িত। এই প্রক্রিয়া চলাকালীন, লেজার উপাদান পৃষ্ঠকে বিকিরণ করে এবং ইলেকট্রন ফোটন শক্তি শোষণ করে। পরবর্তীকালে, ইলেকট্রন-জালির সংঘর্ষের মাধ্যমে শক্তি স্থানান্তর ঘটে, যার ফলে জালির তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায় এবং ইলেকট্রন এবং জালির মধ্যে তাপীয় ভারসাম্য প্রতিষ্ঠিত না হওয়া পর্যন্ত ইলেকট্রনের তাপমাত্রা হ্রাস পায়। যাইহোক, যেহেতু কার্বন ফাইবারের পরমানন্দ তাপমাত্রা (~3600 K) রজন ম্যাট্রিক্সের (~800 K) থেকে প্রায় পাঁচগুণ, কার্বন ফাইবার অপসারণের জন্য প্রয়োজনীয় শক্তি ইনপুট রজনের জন্য প্রয়োজনীয় তার চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি। তদ্ব্যতীত, কার্বন ফাইবারগুলির অ্যানিসোট্রপিক তাপ পরিবাহিতার কারণে, কার্বন ফাইবার পরমানন্দ প্রক্রিয়া চলাকালীন উত্পন্ন তাপ অগ্রাধিকারমূলকভাবে রজন ম্যাট্রিক্সে প্রচার করে, যার ফলে রজন পচন এবং ক্ষতিকারক পদার্থের গঠনের দিকে পরিচালিত করে। গবেষকরা CFRP-এর জন্য একটি দুই-পর্যায়ে অপসারণ পদ্ধতির প্রস্তাব করেছেন: লেজার-প্ররোচিত পাইরোলাইসিস এবং থার্মোমেকানিকাল এক্সফোলিয়েশন। উপাদান বিমোচনের প্রাথমিক পর্যায়ে উত্পন্ন প্লাজমা তাপ শোষণ করে এবং দিকনির্দেশক তাপীয় শকওয়েভ তৈরি করে। প্রক্রিয়াকরণের সময় উন্মুক্ত কার্বন ফাইবারগুলি রেডিয়াল শিয়ার ফোর্সের শিকার হয়, যার ফলে ভঙ্গুর ফ্র্যাকচার এবং উপাদান বিচ্ছিন্ন হয়।
যখন লেজার পালসের সময়কাল 10 ps-এর নিচে নেমে যায়, তখন পালসের সময়কাল ইলেক্ট্রন-জালির শিথিলকরণ সময়ের চেয়ে ছোট হয়ে যায়, যার ফলে উপাদান অপসারণের প্রক্রিয়াটি ঐতিহ্যগত তাপীয় বিমোচন থেকে বিচ্ছিন্ন হয়ে যায়। প্রক্রিয়াকরণ প্রক্রিয়া চিত্র 2 এ চিত্রিত করা হয়েছে: রজন উপাদান দুর্বল বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা এবং সীমিত সংখ্যক মুক্ত ইলেকট্রন প্রদর্শন করে, 2-4 eV এর শক্তি ব্যান্ডগ্যাপ সহ; বিপরীতভাবে, কার্বন ফাইবার ভাল বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা ধারণ করে এবং একটি নির্দিষ্ট পরিমাণ মুক্ত ইলেকট্রন ধারণ করে। লেজার বিকিরণ চলাকালীন, কার্বন ফাইবারের মধ্যে মুক্ত ইলেকট্রন সরাসরি লেজার শক্তি শোষণ করে, যার ফলে ইলেকট্রন সিস্টেমের তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়। যখন একটি একক ফোটনের শক্তি রেজিনের ব্যান্ডগ্যাপের চেয়ে কম হয়, তখন মাল্টিফোটন আয়নাইজেশন (এমপিআই) পদ্ধতির মাধ্যমে মুক্ত ইলেকট্রন তৈরি হয়, যেমন চিত্র 2(বি) এ দেখানো হয়েছে। যখন একটি একক ফোটনের শক্তি ব্যান্ডগ্যাপকে ছাড়িয়ে যায়, তখন একক{10}ফোটন আয়নকরণ ইলেক্ট্রন উত্তেজনা প্রক্রিয়াকে প্রাধান্য দেয়। উত্পন্ন মুক্ত ইলেকট্রন আবদ্ধ ইলেকট্রনের সাথে সংঘর্ষ করে, প্রভাব আয়নকরণের মাধ্যমে শক্তি স্থানান্তর করে; এটি তুষারপাতের আয়নকরণকে ট্রিগার করে-যেমন চিত্র 2(c) তে দেখানো হয়েছে-যা মুক্ত ইলেকট্রনের ঘনত্বকে উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করে। আল্ট্রাশর্ট-পালস লেজার বিকিরণ পর্যায়ে, তাপীয় জড়তার কারণে জালির তাপমাত্রা ধীরে ধীরে পরিবর্তিত হয়, যখন ইলেকট্রন সিস্টেমের তাপমাত্রা দ্রুত বৃদ্ধি পায়। ফেজ ট্রানজিশনের মধ্যে অ{18}}তাপীয় এবং তাপীয় ফেজ ট্রানজিশন উভয়ই অন্তর্ভুক্ত। লেজার ফোটন শক্তি পর্যাপ্ত পরিমাণে বেশি হলে, ইলেকট্রনগুলি পারমাণবিক নিউক্লিয়াসের কুলম্ব বাঁধাই শক্তিকে অতিক্রম করার জন্য পর্যাপ্ত শক্তি শোষণ করে, যা তাপ আয়নকরণের দিকে পরিচালিত করে এবং প্রচুর পরিমাণে ধনাত্মক আয়ন রেখে যায়। এই ধনাত্মক আয়নগুলি কুলম্ব শক্তির কারণে একে অপরকে বিকর্ষণ করে, যার ফলে একটি "কুলম্ব বিস্ফোরণ" এবং ইলেক্ট্রোস্ট্যাটিক অ্যাবেশন-একটি প্রক্রিয়া যা "কোল্ড অ্যাবলেশন" নামে পরিচিত-চিত্র 2(d) এ দেখানো হয়েছে। যেহেতু ইলেক্ট্রন-জালির শক্তি বিচ্ছুরণ ক্রমাগত ঘটতে থাকে, জালির তাপমাত্রা ধীরে ধীরে বৃদ্ধি পায়, এবং কার্বন ফাইবার এবং রজনের মধ্যে তাপ সঞ্চালন ঘটে, যেমনটি চিত্র 2(ই) এ দেখানো হয়েছে। ফলস্বরূপ, যখন তাপমাত্রা একটি নির্দিষ্ট থ্রেশহোল্ড অতিক্রম করে, তখন তাপীয় পর্যায়ের রূপান্তর-যেমন বাষ্পীভবন এবং পর্যায় বিস্ফোরণ-ঘটে, একটি উচ্চ-তাপমাত্রা, উচ্চ-চাপ, এবং উচ্চ-ঘনত্ব প্লাজমা থেকে উৎপন্ন করে, যা তাপকে প্রসেস করে পৃষ্ঠ থেকে দূরে সরিয়ে দেয়।
তাপ-প্রভাবিত অঞ্চলের (HAZ) মধ্যে ত্রুটিগুলি CFRP-এর মধ্যে সেই অঞ্চলগুলিকে বোঝায় যেখানে লেজার-বস্তুর মিথস্ক্রিয়া, সেইসাথে উপাদানের অন্তর্নিহিত ভিন্নতা এবং অ্যানিসোট্রপির ফলে স্থানীয় বৈশিষ্ট্যের পরিবর্তন ঘটে। এই পরিবর্তনগুলি অ-অভিন্ন বাষ্পীভবন এবং ম্যাট্রিক্স রেজিনের তাপীয় অবক্ষয়, সেইসাথে কার্বন ফাইবারের এক্সপোজারকে অন্তর্ভুক্ত করে। একটি গাউসিয়ান লেজার রশ্মি একটি অ-অভিন্ন স্থানিক শক্তি বন্টন তৈরি করে, এবং তাপীয় প্রসারণের প্রভাবের ফলে প্রক্রিয়াকরণ অঞ্চলের আশেপাশে সিএফআরপি উপাদান গরম হয়ে যায়। এই নির্দিষ্ট অঞ্চলে, তাপ শক্তি রজন ম্যাট্রিক্সের পচনের জন্য প্রয়োজনীয় থ্রেশহোল্ডকে অতিক্রম করে কিন্তু কার্বন ফাইবার অপসারণের জন্য প্রয়োজনীয় প্রান্তিকের নীচে থাকে। এটি রেজিনের বৈশিষ্ট্যগুলির অবনতির দিকে নিয়ে যায় এবং কার্বন ফাইবারগুলির স্থানীয়ভাবে প্রকাশ করে। এই অঞ্চলের মধ্যে, তাপ সঞ্চালন রজন এবং কার্বন ফাইবার উভয়কেই উত্তপ্ত করে। রজন এবং কার্বন ফাইবারের বাষ্পীভবন তাপমাত্রার মধ্যে উল্লেখযোগ্য বৈষম্যের কারণে, এই অঞ্চলের রজন বাষ্পীভূত হয় যখন কার্বন ফাইবারগুলি তাদের বাষ্পীভবন তাপমাত্রায় পৌঁছাতে ব্যর্থ হয়, যার ফলে কার্বন ফাইবারগুলির এক্সপোজার হয়।
