Воздействие излучения непрерывного CO₂-лазера на смачиваемость поверхности эпоксидного углепластика

В работе исследовано воздействие СО₂-лазера (λ=10,6 мкм) на свойства карбонового углепластика с эпоксидным наполнителем. Для характеристики образцов привлечены методы сканирующей электронной и оптической микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, измерены краевые углы смачивания поверхности образцов. Исследования проводились в зависимости от мощности излучения лазера, скорости и периода сканирования луча. Морфология поверхности материала показывает высокую чувствительность к мощности лазерного пучка. Из полученных результатов следует, что воздействие лазера мощностью 9 Вт может приводить к полному испарению эпоксидной матрицы углепластика. Спектры комбинационного рассеяния света исходного углепластика соответствуют спектрам эпоксидной смолы и отвердителя. С усилением степени воздействия лазерной обработки происходит подавление эпоксидных линий и доминирование D-, G- и 2D- полос, соответствующих плоской графитовой структуре углеволокна. Для исследований значений краевых углов смачивания были отобраны образцы, в которых на микрофотографиях отсутствовали видимые изменения рельефа поверхности после лазерных обработок. Наибольшее уменьшение краевого угла смачива ния от исходных значений, равных 85–90^о, до ~65^о наблюдалось после обработки лазером мощностью 8,5 Вт со скоростью сканирования 20 мм/с и межстрочным шагом 0,25 мм. Снижение мощности лазера до 7 Вт или увеличение межстрочного периода сканирования до 0,5 мм уменьшает разность контактных углов до/после обработки на 10–15°. Получен ные результаты объяснены повышением поверхностной энергии за счет формирования оксидов и диоксидов углерода, а также удалением поверхностных загрязнений.

1. Zuo P, et al. Research progress on laser processing of carbon fiber composite materials. Polymer Composites. 2025;46(6):4992-5017.

2. Мухаметов Р.Р., Петрова А.П. Термореактивные связующие для полимерных композиционных материалов (обзор). Авиационные материалы и технологии. 2019;56(3):48-58.

3. Gonçalves FA, et al. Influence of fillers on epoxy resins properties: a review. Journal of materials science. 2022;57(32):15183-15212.

4. Kedir N, et al. Effect of laser irradiation time on the surface characteristics of a carbon fiber composite. Journal of Laser Application. 2021;33(4): 042034. Available at: https://pubs.aip.org/lia/jla/article/33/4/042034/98641. [Accessed 24 February 2026].

5. Mammone M, et al. Advanced characterization of thermal degradation mechanisms in carbon fibre-reinforced polymer composites under continuous wave laser irradiation. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2025;192:108817.

6. Riveiro A, et al. Experimental study on the CO2 laser cutting of carbon fiber reinforced plastic composite. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2012;43(8):1400-1409.

7. Zheng Z, et al. Research progress on laser processing of carbon fiber-reinforced composites. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024;134(9):4041-4069.

8. Woo SC, et al. Characterization of heat affected zone generation in laser processing of carbon fiber reinforced plastics. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2024;25: 2479–2489.

9. Zhai Z, et al. Heat transfer mechanism of fiber reinforced composites processed by pulsed laser. Optics and Lasers in Engineering. 2023;163:107473.

10. Takahashi K, et al. Heat conduction analysis of laser CFRP processing with IR and UV laser light. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2016;84:114-122.

11. Ahmad D, et al. Hydrophilic and hydrophobic materials and their applications. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2018:40(22):2686-2725.

12. Zuo P, et al. Controllable fabrication of hydrophilic surface micro/nanostructures of CFRP by femtosecond laser. ACS omega. 2024:9(19):20988-20996.

13. Völkermeyer F, et al. Laser-based modification of wettablility for carbon fiber reinforced plastics. Applied Physics A. 2013;112(1):179-183.

14. Akbari R. Contact angle measurements: From existing methods to an open-source tool. Advances in Colloid and Interface Science. 2021;294:102470.

15. Gupta SP, Late D, Sayed MH, et al. Analytical techniques for the wettability and contact angle. Advanced analytical techniques for characterization of 2D materials. Melville: AIP Publishing. 2022: 9-1.

16. Broeke J, et al. Image processing with ImageJ. Packt Publishing Ltd, 2015:234

17. Salama A, et al. TEA CO2 laser machining of CFRP composite. Applied Physics A. 2016;122(5):497.

18. Vašková HV, Křesálek V. Quasi real-time monitoring of epoxy resin crosslinking via Raman microscopy. International journal of mathematical models and methods in applied sciences. 2011;5(7):1197-1204.

19. Musto P, et al. A study by Raman, near-infrared and dynamic-mechanical spectroscopies on the curing behaviour, molecular structure and viscoelastic properties of epoxy/anhydride networks. Polymer. 2007;48(13):3703-3716.

20. Chaudhuri SN, et al. Raman spectroscopy for characterization of interfacial debonds between carbon fibers and polymer matrices. Composite structures. 2006;76(4):375-87.

21. Reich S, Thomsen C. Raman spectroscopy of graphite. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2004;362(1824):2271-88.

22. Melanitis N. Characterization of PAN-based carbon fibres with laser Raman spectroscopy: Part I Effect of processing variables on Raman band profiles. Journal of materials science. 1996; 31(4):851-860.

23. Wang ZK, et al. Polymer hydrophilicity and hydrophobicity induced by femtosecond laser direct irradiation. Applied physics letters. 2009;95:111110.

24. Li Q, et al. Ultrafast laser surface treatments for improved adhesion on carbon fiber-reinforced polymers. Optics & Laser Technology. 2025;186:112677.