碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料因其高比强度和刚度、热稳定性、化学抗性以及良好的损伤耐受性而被广泛认为是高性能材料[1]、[2]、[3]。这些特性使其在航空航天、国防和汽车领域等关键应用中得到应用[4]、[5]。在商业航空领域，CF/PEEK用于飞机的主要和次要结构（如机身框架、翼梁和发动机整流罩），有助于减轻重量、提高燃油效率并延长使用寿命[6]、[7]、[8]。然而，传统制造技术的局限性限制了其广泛应用。传统的热塑性复合材料高压釜固化工艺能耗高、耗时长，且资本投入大，成为其大规模工业应用的障碍[9]、[10]。
激光辅助自动化纤维放置（LA-AFP）是一种无需高压釜的制造工艺，用于制备热塑性复合材料结构[11]、[12]、[13]。这种增材制造工艺能够实现复合层的原位固化：高强度激光束快速熔化预浸带的表面和基材，随后在压实辊的作用下进行固化。这种逐层制造方法消除了后处理高压釜的需求，缩短了制造周期和成本，并能够实现具有定制纤维方向的复杂几何形状。
LA-AFP工艺的成功取决于保持狭窄的热加工窗口。PEEK是一种半结晶聚合物，最终组件的机械性能（包括断裂韧性、疲劳寿命和环境耐受性）受到结晶度及其在热循环过程中形成的晶体形态的显著影响[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。理想的层间粘合是结构完整性的基础，要求界面温度超过聚合物的熔点（约340°C）[19]，以确保聚合物链的足够流动性，从而实现表面完全润湿、分子间扩散和键合线的物理缠结。同时，温度必须低于聚合物的热降解温度（约550°C）[20]，以防止链断裂、氧化和材料性能的进一步恶化。
因此，LA-AFP工艺必须精确地在移动的夹点处将温度控制在约200°C的窗口范围内，同时应对可能超过2000 K/s的极端加热和冷却速率。偏离这一窗口会导致严重后果：加热不足会导致“冷粘合”，表现为固化不良、孔隙率高和界面结构缺陷；过度加热则会导致树脂降解，损害基体的性能和复合材料的整体结构性能。
鉴于这一热挑战，大量研究致力于开发数值模型来预测和控制LA-AFP过程中的温度场[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。早期的热模型虽然奠定了基础，但通常通过将激光简化为具有高斯或平顶分布的移动表面热通量来简化复杂的激光-材料相互作用，该分布由经验确定的恒定吸收系数控制[28]、[29]。然而，这种简化未能捕捉到菲涅尔方程[30]、[31]所描述的基本物理现象，即吸收率本质上取决于激光的入射角和材料的光学性质[32]。
后续的更先进模型尝试纳入反射现象。Stokes-Griffin和Compston[30]、[34]率先使用双向反射分布函数（BRDF）来严格模拟复合材料表面的散射角度依赖性。尽管在物理上较为全面，但基于BRDF的方法通常需要复杂的光学表征和大量的计算。许多研究假设复合材料表面表现为朗伯反射体——一种在所有方向上均匀散射入射辐射的完美漫反射表面[33]。然而，单向预浸带的各向异性表面拓扑结构（由高度有序的平行、光学光滑的碳纤维阵列组成）实际上促进了镜面反射。在AFP头的特定几何布局中，表面以倾斜角度紧密排列，这种高度定向和集中的镜面反射能量束可以重新照射相邻表面[30]、[34]、[35]。这种镜面再照射现象是一个重要的、但常被忽视的二次甚至三次能量传输机制，可能会显著改变热场分布。
缺乏能够准确捕捉这种混合镜面-漫反射行为的严格物理模型是现有文献的一个空白[23]、[25]、[36]、[37]。这种理论理解的不足，加上在高通量、高反射环境中获取准确、非侵入式温度测量的固有难度，导致人们依赖于繁琐、昂贵且往往不可靠的试错方法来选择工艺参数[38]、[39]、[40]。尽管BRDF模型提供了物理真实性，但仍需要计算效率高的工程模型来捕捉关键的混合反射效应，而无需进行完整的光学表征[41]、[42]。
本研究旨在通过开发和验证一个耦合的光热框架来解决这一空白，该框架能够捕捉LA-AFP过程中激光-材料相互作用的相关物理现象。核心假设是镜面反射是主要的能量传输机制，应通过简化的但有效的参数化方法进行明确建模以实现预测准确性。本研究从基础建模和验证入手，逐步建立了基于机制的优化框架。一个关键贡献是提出了一个工程光热模型，通过拟合参数Ψ有效地分离了镜面反射和漫反射。此外，还设计了一个系统的多阶段实验方案来分离和验证模型的不同物理方面，从而实现参数的稳健识别。最后，基于验证的模型，制定了一个基于模型的优化框架，以调整激光能量，以适应不同的加工条件并支持预测性工艺优化。
