用于激光焊接的热塑性塑料的光学特性模拟-苏州大学教务部.docVIP

用于激光焊接的热塑性塑料的光学特性研究 ——散射率、吸收率、透射率、反射率 宗 钰 指导老师 王传洋 关键词：激光焊接 散射 吸收 透射 反射 光学性质 摘 要：是否掌握塑料红外波长的光学性质对于激光焊接过程来说举足轻重。这项研究，通过分光光度计的积分球探究了聚丙烯（PP）（PC）（PA）实验使用UV-VIS-NIR Cary 500分光光度计的积分球来研究波长范围从250nm 到 2500nm的透射和反射性质。累计球内壁涂上了聚四氟乙烯，以减少光线的吸收。 热塑性塑料的透射率定义为透射光源功率与入射辐射功率的比。图3.是完整的透射率测量装置。将样品放在透射率测量仪的积分球入口处，入射光射到样品表面，一部分通过样品射出。有规律扩散的透射光被积分球收集，使用探测器测量。探测器上方必须用挡板隔离，避免光直射。 图4.是反射率测量装置。在反射率测量装置中，样品放置在与入口相对的出口处。入射光在样品表面被反射。漫反射和镜面反射的光线都被累计球收集起来。入射角为3°21’。镜面反射部分射到球壁上，在球内发生漫反射，而不从入口处射出。 实 验 本次实验采用的聚合物为AKULON? F223-DH NATL（天然，不含添加剂）和 AKULON? K224-HG6 NATL (天然, 添加30% 玻璃纤维)聚酰胺6（即PA6）多种IXEF?聚芳酰胺（即PAmXD6），Makrolon? AL2647-551070聚碳酸酯（即PC），，以及MFI为2的聚丙烯1042（简称PP）。样品浇注而成，切割成面积近似为100mm*26mm的矩形，PA6，PC，PP三种板的粗糙度等级分别为高（H）、中（M）、低（L），表面粗糙度用粗糙度仪2205来测试，测试结果见图5.和表2.。PP和PAmXD6板分别有三种厚度：PP：0.8mm，1.3mm，3.2mm；PAmXD6：0.5mm，1.0mm，2.0mm 。 表1.含玻璃纤维的PAmXD6 （除1022 60℃以外，所有零件均在120℃的浇注温度下塑成） 材料符号 玻璃纤维（GF）的百分含量 6002 0 1002 30 1022 50 1022 60℃ 50 1032 60  表2.样品的表面粗糙度 图5.聚合物表面粗糙度的三个等级 结果和讨论 散射率 图6.表现了玻璃纤维含量对波长范围250nm到2500nm的PAmXD6的散射率的影响。当波长范围从600nm 到 1800nm时，随着玻璃纤维含量从0%上升到50%，散射率逐渐上升。但随着玻璃纤维含量进一步上升，散射率开始下降，直到玻纤含量60%。这是由于多重散射引起反向散射，使激光束从样品射出时的光强大于入射光强。 图7.和图8.分别图解了样品厚度对于PP和玻璃纤维含量50%的PAmXD6的散射率影响。含50%玻璃纤维的PAmXD6散射率随厚度增加而减小，与之相反， PP散射率随厚度增加呈现增大的趋势。这是由于50%玻璃纤维的PAmXD6，其吸收能力随着厚度增大而增大。 PP样品表面粗糙度对散射率的影响见图9.所示。表面粗糙度越大，散射率越大。 图10.表现了样品厚度为3.2mm的PA6 AKULON F223-DH, PC 和 PP1042三种材料的波长对散射率的影响。可见，当波长近似为1200, 1400 以及1700nm时，PA6和PP1042的散射率有极小值，因为这是塑料吸光带，分子发生共振。与PA6 和 PP1042相比，在近红外区域，PC表现出较小的散射率和对波长的相对不敏感性。相反的，PA6的散射率变化明显取决于波长变化，随着波长增加，散射率降低。 吸收率 一般说来，吸收能力由波长决定。图11.表现了波长对厚度为3.2mm 的PA6 AKULON F223-DH, PC 和 PP1042三种材料的吸收率的影响。与PA6相反，PC 和 PP1042在近红外区域内，并不能明显的吸收光强。 透射率 图12.表现了玻璃纤维含量对波长范围250到2500nm的PAmXD6的透射率的影响。可见，在近红外区域内，随着玻璃纤维含量从0%增加到60%，透射率单调递减，这主要是由于玻璃纤维起到了散射粒子的作用，它使内部光线发生反射和折射，因此玻纤含量的增加，引起透射率的变化。因此，增加了反向散射和侧向散射的可能性。要注意到，样品的注入条件对透射率同样产生重要的影响。当模具在低温60℃铸成时，样品透射率远大于常温120℃铸成的零件。 图13.研究了玻纤含量50%的PAmXD6的样品厚度对于透射率的影响。随着样品厚度增加，透射率逐渐降低。由于有效光线通路长度增加，反射率增加，导致光散射，引起以上现象。 图14.表现了PC样品表面粗糙度对透射率的影响。由图知，样品表面粗糙度对透射率影响甚微。 图15.表现了