約50年來，飛機製造商一直在使用纖維增強塑料（Fiber-Reinforced Plastic, FRP）材料。隨著行業(ye) 對FRP材料優(you) 點的認識越來越深，這種材料的使用率也在逐年穩步提高。盡管在最初的時候FRP材料比傳(chuan) 統材料的成本要高一些，但是其在效率、保養(yang) 和燃料節省收益上的優(you) 勢非常明顯，因此這些優(you) 勢才可以彌補在飛機初始投資成本較高的劣勢。

　　碳纖維增強塑料（CFRP）和玻璃纖維增強塑料（GFRP）由束縛在聚合樹脂裏的碳纖維或玻璃纖維基底組成，從(cong) 而帶來許多滿足需要的特性，最顯著的就是高強度重量比，還有高硬度、低熱膨脹係數以及優(you) 異的耐腐蝕性。

　　使用較輕的FRP材料來製造飛機，每年能夠在飛行上節省幾百萬(wan) 美元的燃料成本。舉(ju) 例來說，波音787“夢想客機”在使用壽命期間節省的飛機保養(yang) 費用約為(wei) 3000萬(wan) 至4000萬(wan) 美元之間。

　　FRP材料的優(you) 點有很多，但眾(zhong) 所周知的是這種材料非常難加工。傳(chuan) 統的加工方法，比如機械銑削和鑽孔，會(hui) 引起破片、熱損害、分層、纖維拔出以及對工具的嚴(yan) 重磨損。近來，人們(men) 研究使用水注切割，但還是會(hui) 引起纖維分層以及其他的實用性限製。舉(ju) 例來說，當加工起始的地方不是在材料的邊緣時，就需要鑽一個(ge) 導向鑽孔。作為(wei) 一種非接觸式的材料移除工藝，激光加工能夠提供解決(jue) 上述問題的方案。然而，一直以來，在這種應用中，激光和材料之間的相互作用尚沒有得到廣泛理解。針對這個(ge) 問題，JK Lasers公司聯合英國利物浦約翰摩爾大學（John Moores University）一起開展了研究。

　　為(wei) 了讓研究人員更加了解激光和材料之間的相互作用，在研究中使用了兩(liang) 種光束特性不同的激光源來加工。使用帶有鑽孔噴嘴的Nd:YAG激光器JK300D（以光纖傳(chuan) 輸，具有高峰值功率）來進行衝(chong) 擊鑽孔試驗。使用帶有切割噴嘴的200瓦單模光纖激光器JK200FL進行切割試驗。使用配有掃描頭的JK200FL進行穿孔和銑削試驗。

　　激光和材料的相互作用

　　影響FRP加工的主要因素在於(yu) 碳纖維或玻璃纖維與(yu) 聚合物基底相比，特性差異極大。汽化纖維要求的激光功率要比汽化聚合物的高很多。

　　當處理CFRP時，物件的反應差異是最明顯的。汽化聚合物僅(jin) 僅(jin) 要求少量的熱能，而碳纖維的導熱能力非常好，這也意味著在切割纖維前，大量的能量已經被傳(chuan) 導走了。因此，對於(yu) 高品質激光加工來說，必須特別注意管理材料的熱量輸入。

在用Nd:YAG激光器進行衝(chong) 擊鑽孔的過程中，使用了兩(liang) 種不同的輔助氣體(ti) ：氮氣和二氧化碳。結果顯示，使用的輔助氣體(ti) 對孔的質量有較大的影響。

　　當使用氮氣作為(wei) 輔助氣體(ti) 時，樣本表麵上留下了聚合物基底熱分解後的薄層。而使用二氧化碳作為(wei) 輔助氣體(ti) 時，處理後FRP的表麵質量要提高許多。出現這樣的結果是由於(yu) 二氧化碳的冷卻質量要好一些。

　　當使用光纖激光器對FRP材料進行切割時，帶來的熱損害很少。這是因為(wei) 激光器的光斑尺寸很小。圖1和2顯示的是光纖激光器切割表麵和帶來熱損害的SEM圖像。從(cong) 圖像上可以清楚地看到熱損害被限製在複合材料的單獨一層上。

　　這些結果對於(yu) 航空和航天工業(ye) 來說是非常有利的。因為(wei) 材料的大部分並沒有受激光加工影響，因此複合材料依然非常牢固和穩定。

　　圖3顯示的是機械切斷產(chan) 生的邊緣質量同光纖激光切割相比較的情況。在機械切斷的樣本上，可以看到複合材料大部分突出纖維，而在激光切割的樣本上可以看到光滑的邊緣。