引言
随着我国卫星朝着大尺寸、高稳定、高可靠性的趋势发展，对其结构机构及载荷的强度及轻质化提出了更高需求。非金属复合材料（如碳/环氧树脂、凯夫拉/环氧树脂、陶瓷基复合材料等材料）因其具有低密度、高强度、低热膨胀系数、耐腐蚀、可设计性好等一系列优点，已经广泛用于卫星的中心承力筒、结构板、连接架、天线结构、相机镜筒、通道接头等部位，用量可占整个卫星材料质量的80%以上，并不断替代更多原本为非金属材质的结构，成为构建现有和未来卫星不可或缺的关键结构和功能材料之一。且随着新型复合材料的出现，在热控、结构功能一体化等领域也展现出了巨大的应用前景。激光制造技术凭借其自身的种种优势和特点获得了“21世纪的加工技术”的美誉。作为继机械加工、热加工和电加工之后的一种新型加工方法，具有非接触式、材料去除能力强、加工精度高等特点和优势，可以作为一种实现非金属复合材料精密切割、制孔、铣削、清洗与微细结构加工，解决现有加工难题的有效方法。
1激光技术在非金属加工中的应用优势
与传统的生产加工专长相比，激光切割设备在非金属复合材料生产加工中最重要的专业优势就是生产加工速度更快。与光纤激光切割相比，专业的生产加工速度优势更加明显。根据对非金属材料加工中零件加工的科学研究能够发觉，在零件加工中，激光发生器的功率与非金属复合材料的光纤激光切割速度成正比。在整个生产加工过程中，光纤激光切割机械设备的应用可以快速生产多种非金属复合材料和非金属材料，光纤激光切割机械设备的应用可以快速生产复杂零件，基本保证了生产的精度。在应用激光技术加工非金属材料的全过程中，非金属材料零件对激光切割工艺的加工精密度规定很高。在非金属材料复合光纤线光纤激光切割的整个过程中，激光发生器的应用将减少氩弧焊和弧焊整个过程中产生的有害物质。并基本维护了员工的健康和生命安全。此外，由于可以精确控制非金属物质的局部熔化，因此非金属工件其他部分的性能不会因温度升高而发生变化。在此基础上，可以更加稳定地保证非金属材料的精度和性能。激光技术在加工精度高的基础上，可以提高非金属材料的加工质量，快速准确地切割非金属材料。在此基础上，可以对一些熔点较高的非金属材料进行更高的加工精度和质量。其次，利用激光技术加工非金属材料，能够较大水平地操纵非金属材料的部分熔化经营规模。因而，在激光切割后，非金属材料产品工件表面产生的凸凹不平面较少。从这个角度看，激光切割设备不仅可以提高非金属复合材料的生产质量，还可以提高非金属复合材料的生产效率。
2激光加工质量控制研究
在激光切割的过程中，蒸发或升华碳纤维所需的能量比树脂基体高出一个数量级。因而在光束-材料相互作用过程中，碳纤维在汽化之前所经过的时间比树脂汽化所用的时间更长。在此期间，由于纤维具有良好导电性，大量的热量通过碳纤维传导并在基体上释放，导致包括在切缝附近的树脂基体过热，进而导致基体热降解，使纤维从基体剥离，形成空腔和分层。研究表明，通过调整激光的扫描速度、脉冲特性、波长等加工参数，可将这些热效应降到最低。
3激光加工非金属复合材料的应用
3.1水导激光在先进复合材料加工中的应用
先进复合材料,如铝基碳化硅复合材料(AlMMC)、碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)、碳碳复合材料(CMCs)等,具有比强度高、化学惰性好等优良特性,这使得其在极端环境下仍能展现出不俗的性能。传统的加工技术在对这些材料进行加工时,极易在加工区域产生毛刺、分层、撕裂及崩边等缺陷,很难获得良好的加工质量。相比之下,水导激光加工技术综合了纳秒激光的高效蚀除和水射流的隔绝冷却作用,减轻了加工表面的石墨化,提高了加工质量,是一种优势明显的加工方案。通过实验分析了水导激光切割CFRP过程中碳纤维排列方向和激光切割路径对损伤机理的影响,得到了激光功率、CFRP进给速度、水射流速度等工艺参数对切割结果的影响规律,总结了露出、脱落和拔出三种损伤形成的机理。相较于空气(Ambient)、氮气(N2)和压缩空气(CA),动力黏度更大的氩气(Ar)气氛减少了水射流的动量损失,加速了碎屑的排出。此外,氩气为基底的烧蚀提供了局部惰性环境,抑制了重铸层的形成和加工截面的氧化,显著提升了加工质量。
3.2非金属复合材料选择性激光清洗
尽管激光清洗的出现最早可追溯到20世纪60年代，但针对这种创新型清洗技术的研究和应用是从20世纪90年代开始逐步扩大的。在过去20多年的时间里，国内外均有关于激光清洗技术的报道，近几年迅速成为工业制造领域的研究热点，研究内容主要包括激光清洗工艺、理论、装备以及应用。国内在激光清洗装备和应用方面的整体水平与国外差距较大。目前欧美国家的激光清洗市场表现稳定，主要供应商包括P-laser，CleanLaser，Adapt Laser Systems，General Lasertronics，IPG等，我国激光清洗技术的研究和设备的开发起步晚，基本上是跟踪国外的发展，虽然在较短时间内取得了一些成果，但与国外相比还有较大差距。目前从事激光清洗的科研机构包括中国工程物理研究院激光聚变中心、解放军装甲兵工程学院再制造中心、哈尔滨工业大学、华中科技大学、南开大学等。尽管近年学术界激光清洗的研究逐渐丰富，清洗材料种类和应用领域逐渐扩大，但各领域研究发展不平衡，很多问题尚未解决。在非金属复合材料的清洗工艺、理论、装备以及应用方面，我国基本处于起步阶段。而针对航空航天领域产品激光清洗设备与应用，尚处于空白状态，相关装备也正在研究当中。
结束语
总体而言，激光切割与钻孔、激光铣削、激光清洗等不同分支的激光减材制造技术的技术成熟度不尽相同。针对非金属复合材料，激光切割技术有利于解决大尺寸、复杂结构的高效率切割、制孔需求。激光铣削技术虽然应用场合有限，但对于相关方向具有十分重要的作用。激光选择性清洗技术则能够实现复合材料表面除漆、污、氧化膜需求和焊接/胶接表面预处理。与传统加工工艺相比，激光加工在制造效率、精度和质量等方面具有其独特优势。
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