准分子激光表面处理对CFRP胶接强度的影响

2019-08-31刘良威胡晶晶

宇航材料工艺 2019年4期

刘良威胡晶晶刘锦袁野陈忠

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

文摘采用准分子激光表面处理技术用于碳纤维复合材料胶接面的预处理，通过对照试验、显微镜观察研究了表面处理方式、处理后清洗方式对胶接强度和离散系数的影响。结果表明：准分子激光表面预处理技术用于处理碳纤维复合材料胶接表面能明显提高其胶接强度，与砂纸打磨处理试片的胶接强度相当，但采用准分子激光处理的试片的胶接强度离散系数相对较小。

0 引言

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是目前卫星平台的主要结构材料，CFRP材料的连接技术主要有胶接和机械连接。机械连接能够传递较大的载荷，但开孔会削弱材料强度，同时由于CFRP材料的各向异性，孔周围将出现严重应力集中；胶接对材料无损伤、不产生应力集中，抗疲劳性能优异、连接效率高、能独立承载，已成为航天领域CFRP材料的主要连接技术［1-2］。

为保证CFRP材料胶接的强度和耐久性，必须对胶接面进行表面预处理以增加胶黏剂与材料表面的粘接力。CFRP材料胶接面的预处理工艺按表面改性机理可划分为两大类：一类是以提高材料表面树脂基团活性为目的的表面改性工艺，包括化学处理、光处理等；另一类则是以提高表面润湿性为目的的表面粗糙化工艺，包括机械打磨、激光表面处理、等离子表面处理等。其中，激光表面处理技术既能使CFRP材料表面产生蚀除现象而形成微观粗糙表面，又能通过潜在的光效应改变CFRP材料表面树脂基团活性及碳纤维表面特性［3-4］。因此，激光表面处理技术被认为是能够实现CFRP材料多种表面改性需求的技术手段。另外，CFRP材料的激光表面改性由于具有自动化程度高、效率高（平面表面处理速度提升4倍以上）、工艺稳定等优点，近几年来已成为国内外研究的热点［5-6］。

早期针对CFRP材料的激光表面改性的研究大多使用的是近红外（NIR）Nd：YAG激光和CO2激光，这类激光在进行材料加工时，主要是通过光热效应产生高温将材料激发到更高的振动状态，从而导致材料熔融继而蒸发［7］，会在材料上产生明显的热影响区，导致树脂材料的烧蚀破坏效应、碳纤维热分解效应和热-力联合破坏效应。准分子激光是某些惰性气体和卤素气体结合的混合气体形成的分子在受到电子束激发时向其基态跃迁时产生的激光，具有输出光子能量高、波长短的特点。在采用准分子激光进行CFRP材料表面处理时，激光器发出的紫外光子所具有的光子能要高于CFRP材料中树脂分子的主要化学键结合能，因此能够直接把树脂分子激发到电子态，直至打断分子的化学键，促使被加工区域瞬间产生原子或者分子碎片，产生爆炸性喷射而实现材料蚀除［8］。

目前，国外已有多家研究机构开展了基于准分子激光技术的CFRP材料表面改性相关研究工作。张运海［9］利用波长为248 nm的准分子紫外激光对聚四氟乙烯（PTFE）进行了表面改性和蚀除试验研究，发现激光照射过的PTFE材料表面粗糙度明显增加，且粗糙程度与激光能量的关系很大。F.VOLKERMEYER［10］等采用1 064、532和266 nm三个波长的激光分别对热塑性树脂和热固性树脂进行了辐照试验，并探讨了激光与树脂材料的相互作用机理，研究发现，266 nm的紫外激光在树脂材料的作用机理与其它两种波长的激光显著不同，由于单光子能量高，光化学蚀除使得化合键断裂的几率更高，热损伤明显降低。F.FISCHER等［4］对环氧和聚醚醚酮（PEEK）两种树脂材料在355 nm紫外激光辐照下的蚀除行为进行了初步探讨，发现准分子激光处理后的CFRP材料表面不会产生分层及纤维损伤，原理图见图1，而CO2激光处理后的表面观察到纤维丝破损、局部分层甚至烧蚀现象。

图1 CFRP依次在准分子激光辐照及胶接后碳纤维／树脂界面层示意图Fig.1 Schematic diagram of CFRP in the carbon fiber／resin interface layer after excimer laser irradiation and bonding

影响胶接强度的因素包括胶黏剂种类、固化压力、胶接温湿度、表面预处理方式等，因素众多且影响程度不一。为减少变量，作者选择卫星常用结构胶J-133胶在恒温恒湿实验室进行试验，并利用胶接试片制作工装保证恒定胶接固化压力，主要研究准分子激光预处理方式对胶接强度和胶接稳定性的影响，并将其与传统的打磨预处理等方式进行对比，探索准分子激光表面预处理技术应用于复合材料胶接面预处理的工艺可行性。

1 实验

1.1 原材料

T700-12K／环氧树脂单向复合材料板，厚度为1.6 mm，上海晋飞有限责任公司；J-133胶，黑龙江省科学院石油化学研究院。

1.2 试验设备

准分子激光处理系统，工作波长355 nm，激光最大功率10 W，光斑直径0.02 mm，大族激光；超声波清洗机，SB25-12DTN；显微镜，Hirox KH-300；电子万能试验机，MTS-E45.105。

1.3 试验方法

试件准备：将单向复合材料板沿0°方向加工为100 mm×25 mm×1.6 mm的试片，数量若干，胶接试片的制作按GB／T7124—2008《胶黏剂拉伸剪切强度的测定》进行。

粗糙化处理方式：分为砂纸打磨处理和准分子激光表面处理。砂纸打磨表面处理方法参照GB／T21526—2008进行，具体为使用200目砂纸对待胶面进行横向打磨直到表面都有均匀轻度划痕，再纵向打磨直到横向打磨的划痕全部被磨去，再环向打磨直到上一步产生的划痕全部被磨去且表面均匀［11］。准分子激光表面处理含4种处理方向（图2），处理方向是指激光点的扫描方向。

教师在教育教学实践中要根据实际解决问题的需要，教师之间合作，围绕课前、课中、课后三个教学情境，针对教材、课程、学生，通过“学案”这一载体改进教学行为，提高课堂教学效率。为学生设计一种以学生好学为中心的教育体系，提倡先做后学、先学后教、以学定教的理念及课前预习或布置作业，小组合作学习、交流、讨论小组代表进行班级交流，教师进行引导点拨。在课堂教学过程中，师生共同研究学习，开展教学活动，教师围绕知识点组织课堂教学、课内探究、完成针对性练习并及时反思、合作交流讨论，寻找利用学案教学提高课堂教学效率的最佳方法。

图2 准分子激光处理方向Fig.2 Excimer laser processing direction

表面清洗方式：主要分为超声清洗和常规清洗。超声清洗具体为将试片待胶面浸没在无水乙醇溶剂中，超声清洗30 min，然后用洁净纱布蘸无水乙醇擦拭胶接面，置于洁净处晾干；常规清洗具体为用洁净纱布蘸无水乙醇擦拭胶接面，置于洁净处晾干。胶接性能测试：按GB／T7124—2008《胶黏剂拉伸剪切强度的测定》进行。

表面显微观察：用显微镜对处理前后表面的状态进行观察。

2 结果与讨论

2.1 超声清洗方式对胶接强度的影响

选用准分子激光对碳纤维试片进行0°／90°表面处理，在胶接前分别用超声清洗和常规清洗，从图3可以看出，采用超声清洗法的试片胶接强度比采用常规清洗的试片强度提高约16%。这是由于超声波清洗的主要原理是在液体中产生空化作用［12］，击散物体表面的杂质或削弱杂质与物体之间的吸附作用，促使粉末与基材间加速脱离。试验表明：超声波清洗能够有力促进粉末向溶剂中扩散，增加表面清洁程度，提高胶接强度。

通过显微镜分别对激光处理后、超声清洗和常规清洗的表面进行观察，从图4（a）可见：激光处理后，将树脂层去除的同时，会有纤维和树脂粉末残留在表面。从图4（b）可见，采用常规清洗可以去除大部分表面残留的碳纤维和粉末，但是会有残留，而从图4（c）可见，采用超声清洗的表面洁净，无粉末等残留，所以，采用超声清洗的试片的胶接强度显著高于采用常规清洗法进行清洗的试片。

图3 清洗方式对胶接强度的影响（激光处理功率：4 W；处理方向：0°／90°）Fig.3 Effect of cleaning methods on bonding strength（laser processing power：4W；processing direction：0°／90°）

图4 激光处理后不同清洗方式的胶接表面状态对比图Fig.4 After laser treatment，comparison of the morphology of the bonding interface with different cleaning methods

2.2 准分子激光处理方向对试片胶接强度的影响

由于准分子激光扫描处理方式采用的是逐行扫描法，扫描处理方向对表面处理效果可能有一定影响，所以通过试验研究了准分子激光处理方向对胶接强度的影响。本项试验采用4 W 功率的准分子激光分别对碳纤维试片进行90°、0°、0°／90°和±45°进行表面处理并经过超声清洗。从图5可见，分别采用0°和90°扫描处理的胶接试片的强度较低，其中采用90°处理的试片强度只有25.79 MPa。采用0°／90°和±45°进行表面处理的试片强度分别比采用90°扫描处理的胶接试片强度高28%和37%，且最佳的处理方向是±45°。

采用单方向扫描的的试片强度低，而采用了两个方向处理的试片强度高，这是因为经过两个方向扫描的试片表面存在交叉的高低处，根据机械结合理论，这相当于增大了表面的胶接面积，所以会提高试片的胶接强度。

图5 表面处理方向对胶接强度的影响Fig.5 Effect of surface treatment direction on bonding strength

2.3 准分子激光功率对胶接强度的影响

准分子激光处理材料的功率是影响处理效果的主要参数之一，选用±45°激光处理方向研究不同的激光功率对胶接强度的影响。

选择2～10 W 的准分子激光进行表面处理，然后进行胶接强度的测试。从图6可以看出，当功率为2～8 W 时，CFRP的胶接强度随着准分子激光功率的增大而明显增大，但是当功率大于8 W 时，胶接强度上升不明显。

图6 激光功率对CFRP胶接强度的影响（激光处理方向：±45°；清洗方式：超声清洗）Fig.6 Influnce of laser power on CFRP bonding strength（laser processing direction：±45°；clean method：ultrasonic cleaning）

当界面处理不好或激光功率较低时，胶接界面强度低于胶黏剂或被粘接材料的强度，此时胶接接头的胶接强度主要取决于胶接界面的强度，所以随着准分子激光功率的增大，界面强度增大，胶接强度增大；但是当准分子激光的功率达到一定值以后，胶接界面的强度已经高于胶黏剂或被粘接材料的强度，此时胶接接头的强度主要取决于胶黏剂和被粘接材料本身的强度，所以当准分子激光功率大于8 W 时，准分子激光功率的增加不再使胶接接头的强度升高。

图7 胶接面示意图Fig.7 Schematic of gluing interface

2.4 准分子激光表面处理与打磨处理处理的胶接强度对比

从图8可见，未进行表面处理的试片的胶接强度最低，经过打磨或准分子激光处理过的试片强度大幅增加；2 W 功率激光处理的胶接试片强度为28.23 MPa，低于砂纸打磨的试片强度34.40 MPa，但CFRP的胶接强度随着准分子激光功率的增大而增大；当准分子激光的功率达到4 W 时，准分子激光处理的强度与打磨的强度一致，当准分子激光的功率不小于6 W 时，激光处理的试片强度比打磨试片的胶接强度高11%以上。

图8 表面处理方式对胶接强度的影响（清洗方式：超声清洗）Fig.8 Influnce of surface treatment on bonding strength（clean method：ultrasonic cleaning）

通过显微镜观察，未处理的胶接面平整光滑，而经过砂纸打磨或准分子激光处理的胶接面明显比未处理表面的粗糙度大，根据机械联锁理论，被粘物表面的微观不平度及微孔使胶黏剂与被粘物表面产生微观机械锁合效应，可使胶接强度显著提高，所以砂纸打磨和准分子激光处理的试片胶接强度比未处理的试片强度高。另外，准分子激光采用双向处理，更有利于表面的微观锁合效应，所以准分子激光双向处理比单向处理的胶接强度高。

2.5 表面处理方式对胶接强度离散系数的影响

相同表面处理参数条件下，用于评价胶接强度和离散系数的试片数量不少于5组。由图10可见，不打磨的胶接试片的胶接强度离散系数最大，达到22.6%，其次是砂纸打磨经常规清洗的胶接试件，离散系数为16.8%，然后为砂纸打磨经超声清洗的胶接试件，离散系数为9.8%，而采用准分子激光处理的试片胶接强度离散系数为介于5.4%～9.9%。

离散系数代表胶接强度的一致程度，离散系数越小，胶接强度的一致性最好，质量约可控。采用准分子激光表面处理得到的试片胶接强度离散系数较小，这是由于采用准分子激光表面处理相对人工砂纸打磨，参数可定量化，质量一致性好。

由图9（a）可见，复合材料表面主要是树脂层，在生产和运输过程引起材料表面的状态不一致，而胶接强度对表面状态变化是非常敏感的，所以未经处理的胶接试片的胶接强度离散系数最大。

由图9（b）（c）可见，打磨处理和准分子激光表面处理的胶接面的一致性比未处理的要好，所以离散系数比未处理试片的胶接强度离散系数小很多；由于准分子激光设备参数可定量化，比手工砂纸打磨得到的胶接表面的一致性好，所以采用准分子激光处理的试片强度离散系数最小。