随着低空经济的全球性崛起，无人机、eVTOL（电动垂直起降飞行器）及卫星通信装备的轻量化需求激增。碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）凭借其比强度高、耐腐蚀性强等特性，成为低空飞行器结构件的理想材料。然而，CFRP的异质性（纤维与树脂结合）和各向异性导致传统机械加工易引发分层、毛刺等问题，严重制约生产效率与产品可靠性。激光加工技术因其非接触、高精度特性，逐渐成为CFRP高效成形的核心工艺。

激光加工碳纤维的三大主流技术

激光加工碳纤维复合材料的本质是光-热-化学耦合作用过程。激光束通过热解（Pyrolysis）或烧蚀（Ablation）机制去除材料，其效果受激光波长、脉冲宽度、能量密度及材料导热性共同影响。目前加工碳纤维的主流激光技术可分为连续波激光加工、超短脉冲激光加工、复合辅助激光工艺三类。

连续波激光加工

采用高功率连续激光（如CO2激光：10.6 μm，光纤激光：1.06 μm）实现快速切割，通过热累积效应汽化树脂基体并断裂碳纤维。

相比传统的机械加工方法，连续波激光加工碳纤维复合材料时，切割精度高，切口宽度窄，一般在0.1-0.3 mm左右；切割面光滑，无明显毛刺和瑕疵；热影响区相对较小，一般热影响区宽度在0.5-2 mm左右，对材料的热损伤较小；可以实现复杂图形和曲线的切割，切割质量高。但由于持续的热作用，容易在加工区域周围形成较大的热影响区，可能导致材料的性能发生变化，如碳纤维的强度下降、树脂基体的性能劣化等。

2024年6月，欧洲研究人员已成功使用CO2激光技术焊接了长达8 m的碳纤维机身部分，这一突破预示着超轻型客机的制造将成为可能。

超短脉冲激光加工 

超短脉冲激光加工利用超快、高能、高精度的优势，通过物理与化学效应协同作用，其机制有别于传统激光加工，在实现CFRP低热损伤、高质量加工方面具有巨大潜力。

飞秒（fs）和皮秒（ps）激光依托非线性吸收引发的“冷”烧蚀效应，在脉宽低于1 ps时几乎无热扩散，可完成原子级材料去除。但因单套系统成本超过50 万美元，当前多用于航空航天精密零件制造。应用于CFRP时，超快激光可将热影响区宽度缩减至百微米甚至数十微米水平。不过，该技术仍面临三大挑战：  

1. 如何在CFRP非均质材料中实现均匀去除；  

2. 如何进一步压缩热影响区宽度及截面锥度；  

3. 如何在保证质量的前提下显著提升加工效率。  

目前，国内领先企业已推出专为折叠屏手机轻量化需求设计的碳纤维超快激光切割智能装备，能够高精度切割背板工艺槽，为大规模批量生产提供了品质与效率的双重保障。

复合辅助激光工艺 

复合辅助激光加工技术是一种为解决激光加工碳纤维增强复合材料（CFRP）时热损伤严重、效率偏低等瓶颈而提出的新型工艺。该技术兼具激光无接触、无应力集中和高灵活性的特点，并通过水射流、机械加工等辅助方式，有效抑制热致损伤，提高加工精度。目前常用的两种实现形式为水导激光加工和激光–机械复合加工。

水导激光加工：利用高压水射流（20-50 MPa）引导激光并冷却切缝，该方式能够解决激光加工中飞溅物堆积、热损伤严重等问题，为CFRP高质高效加工提供了可能。

激光与机械复合加工：利用激光对厚壁CFRP构件进行粗钻，在孔内保留一定的精加工余量，再由机械刀具进行扩孔，以达到所需的尺寸精度。该工艺充分发挥了激光加工的无接触、无应力集中优势，避免了单纯机械铣削导致的层间分层，以及纯激光钻孔时出现的热影响区残留和锥度过大问题。不仅显著提高了加工效率，还能延长刀具寿命。不过，刀具磨损仍无法彻底消除，且目前该方法主要应用于毫米级孔径的加工，对更大或更小尺寸孔的适用性还有待深入研究。

其他激光复合加工方法：包括超声振动辅助激光、电场辅助激光和磁场辅助激光等，这些技术已在玻璃、金属及碳化硅基复合材料加工中得到应用。但针对CFRP的相关研究仍然有限，激光与CFRP非均质体系相互作用的机理尚需进一步探讨。

应用领域：

轻量化与高性能的完美结合

碳纤维复合材料（CFRP）凭借其高强度、轻量化、耐腐蚀等特性，已成为高端制造业的“明星材料”。随着低空经济、新能源、航空航天等领域的快速发展，碳纤维激光加工技术已渗透到多个关键行业，以下是其典型应用领域：

航空航天领域：在航空航天领域，碳纤维复合材料常被用于机翼、机身等关键结构件的加工。通过精密切割，可获得复杂形状的部件；在机翼等部位实施高精度钻孔，以便安装连接件。此类工艺不仅有效减轻了飞机整体重量，还显著提升了燃油效率和飞行性能。

汽车工业：在汽车工业中，碳纤维车身部件、引擎盖和传动轴等关键结构件的激光加工，不仅能大幅减轻整车重量，还能提升加速响应、操控性能和燃油经济性，同时确保安全性。大族粤铭激光推出的碳纤维汽车防撞梁总成激光切割机，采用尖端激光切割技术，实现了卓越的加工质量与精度。通过精密激光切割，每一件防撞梁总成都能严格契合设计尺寸，保障了其稳定性和可靠性。

高端装备与工业制造：可对风力发电叶片、机器人机械臂等高端制造领域进行加工。瑞士ABB的YuMi机器人采用皮秒激光加工谐波减速器支架，表面粗糙度Ra<1.6 μm，寿命延长40%。

消费电子：消费电子领域中，碳纤维复合材料常被用于笔记本电脑、智能手机等设备的外壳制造。借助激光加工技术，能够实现极致的轻薄化设计，同时提升外壳的结构强度与散热效率，从而增强产品的品质与市场竞争力。激光器，以高能束流实现对碳纤维的高效精密切割。

体育用品行业：在自行车、球拍、滑雪板等体育用品的碳纤维部件加工中应用广泛。Scott 采用德国通快集团的TruPrint 3000设备加工碳纤维材料的车把，打破了形状和功能的界限。

医疗与生物工程：可对医疗设备外壳、骨科植入物与假肢、手术机器人部件等进行加工。如采用紫外激光精细切割碳纤维假肢的仿生结构。

小 结

 随着低空经济和人工智能等新兴产业的快速崛起，碳纤维复合材料的应用领域将不断扩展。然而，其非均质性、各向异性以及层合结构特性依然对加工工艺提出挑战。要在保证高质量与高效率的前提下，亟需深入探索超快激光加工与激光复合加工等创新技术。可以预见，这位“精雕细琢”的激光加工“匠人”将在碳纤维材料加工领域创造更多突破。

参考来源：

[1] Limei Chen,Limei Chen, Maojun Li., et al. Thermal analysis of CFRP cutting with continuous-wave fiber lasers. Journal of Materials Processing Tech. (2020)

[2] 李欣,宋绮梦,et al.激光加工碳纤维增强复合材料及其在航空航天领域应用.《中国激光》. (2024)

转自：复材大世界

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