本文采用納秒紫外激光對(duì)樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料表面進(jìn)行激光預(yù)處理,研究預(yù)處理參數(shù)對(duì)表面形貌和膠接件剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律。利用電子顯微鏡、三維形貌分析儀以及表面接觸角測(cè)量?jī)x分別分析了激光預(yù)處理復(fù)合材料表面的顯微形貌、粗糙度以及潤(rùn)濕特性,并測(cè)試了激光預(yù)處理后復(fù)合材料膠接件的剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明:通過(guò)改變預(yù)處理參數(shù)（激光功率、掃描間距和掃描次數(shù)）,可以使復(fù)合材料表面呈現(xiàn)出不同的加工形貌,改變表面粗糙度和接觸角,從而影響復(fù)合材料膠接件剪切強(qiáng)度。 

【文章來(lái)源】：應(yīng)用激光. 2020,40(03)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

激光加工復(fù)合材料表面示意圖

針對(duì)以上三種激光預(yù)處理參數(shù)下的表面,利用三維形貌分析儀測(cè)量了各個(gè)表面的粗糙度。圖3為不同工藝條件下激光預(yù)處理后復(fù)合材料表面的粗糙度變化規(guī)律圖。圖3(a)為不同激光功率下預(yù)處理后的粗糙度變化圖,結(jié)果顯示:當(dāng)激光功率從0 W增加到1.5 W時(shí),表面粗糙度從1.1 μm(激光未處理表面)增大到12.3 μm,繼續(xù)增加激光功率到3 W時(shí),表面粗糙度降低到9.5 μm。結(jié)合不同激光功率下的表面形貌特征(圖2(a1)～(a3)),當(dāng)表面為樹(shù)脂材料為主的溝槽結(jié)構(gòu)(第一類(lèi))時(shí),溝槽深度隨著激光功率的增加而增大,表面粗糙度逐漸增加。隨著激光功率的增大,溝槽深度增大,溝槽底部碳纖維裸露,表面溝槽結(jié)構(gòu)將從第一類(lèi)過(guò)渡到第二類(lèi),表面粗糙度進(jìn)一步增加。當(dāng)表面為碳纖維為主的溝槽結(jié)構(gòu)(第三類(lèi))時(shí),隨著激光功率的增加,溝槽之間樹(shù)脂逐漸減少,表面粗糙度逐漸降低。圖3(b)為不同掃描間距下預(yù)處理后的粗糙度變化圖,結(jié)果顯示:當(dāng)掃描間距從50 μm增大到100 μm時(shí),表面粗糙度從9.5 μm增大到11.7 μm,繼續(xù)增大掃描間距到200 μm時(shí),表面粗糙度逐漸降低到7.3 μm。結(jié)合表面形貌特征,在掃描間距為50 μm,表面全部為碳纖維結(jié)構(gòu)(第三類(lèi)),激光加工出的溝槽產(chǎn)生疊加,表面相對(duì)比較平整,粗糙度較低。隨著掃描間距增大到100 μm,出現(xiàn)密集且具有碳纖維組織的溝槽結(jié)構(gòu)(第二類(lèi)),粗糙度最大。隨著掃描間距的進(jìn)一步增大,逐步過(guò)渡到樹(shù)脂基溝槽結(jié)構(gòu)為主(第一類(lèi)),溝槽結(jié)構(gòu)隨間距的增大而逐漸變得稀疏,粗糙度反而逐漸減小。圖3(c)為不同掃描次數(shù)下預(yù)處理后的粗糙度變化圖,結(jié)果顯示:當(dāng)掃描次數(shù)從1次增加到3次時(shí),表面粗糙度從5.7 μm增大到13.1 μm,繼續(xù)增加掃描次數(shù)到5次時(shí),表面粗糙度減小到9.5 μm,當(dāng)掃描次數(shù)為7次時(shí),表面粗糙度為12.1 μm。在掃描次數(shù)為1時(shí),有少量碳纖維露出和輕微溝槽結(jié)構(gòu)出現(xiàn)(第一類(lèi)),與原始表面粗糙度相比有所增大。隨著掃描次數(shù)增加到3次,表面顯露出碳纖維的數(shù)量增加(第一類(lèi)過(guò)渡到第二類(lèi)),粗糙度進(jìn)一步增大。掃描次數(shù)增大到5次,表面全部為碳纖維結(jié)構(gòu)(第三類(lèi)),溝槽結(jié)構(gòu)不明顯,表面較為平整,其粗糙度有所降低。當(dāng)掃描次數(shù)為7時(shí),在完全為碳纖維組織的表面上進(jìn)一步加深碳纖維上的溝槽結(jié)構(gòu),粗糙度反而有所增大。2.3 激光預(yù)處理后復(fù)合材料表面的接觸角

表1 不同激光預(yù)處理工藝條件下復(fù)合材料的剪切性能Tab.1 Shear properties of composites in differentlaser pretreatment processes 表面預(yù)處理工藝 形貌特征 剪切強(qiáng)度/MPa 破壞形式 ns-1 第一類(lèi) 15.3 基體剪切破壞 ns-2 第二類(lèi) 22.1 基體剪切破壞 ns-3 第三類(lèi) 20.5 基體剪切破壞圖6為復(fù)合材料膠接件剪切斷口的典型顯微組織形貌照片。其主要分為兩個(gè)區(qū)域,A區(qū)域顯示在復(fù)合材料膠接件試樣內(nèi)部部分碳纖維組織被破壞,如圖6(a)所示。B區(qū)域顯示在膠黏劑與復(fù)合材料的粘結(jié)處被破壞,如圖6(b)所示。可見(jiàn),在復(fù)合材料經(jīng)激光表面預(yù)處理后,其表面由完全為樹(shù)脂基體變?yōu)橛幸欢ǖ奶祭w維顯露出來(lái)的復(fù)雜表面,在粘結(jié)過(guò)程中膠接劑不僅與表層樹(shù)脂粘結(jié),還會(huì)對(duì)顯露出的碳纖維進(jìn)行粘結(jié)甚至包裹碳纖維組織,由于碳纖維強(qiáng)度遠(yuǎn)高于樹(shù)脂基體,在承受剪切力時(shí),不僅承受了膠接劑之間的抗力,還承受了碳纖維之間的抗力,故剪切斷裂一部分為碳纖維組織被剪切破壞,另一部分為膠黏劑與復(fù)合材料的粘結(jié)處被剪切破壞。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]金屬表面激光清洗技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 成健,方世超,劉頓,鄭重,汪于濤.  應(yīng)用激光. 2018(06)
[2]脈沖激光清洗碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料表面研究[J]. 占小紅,范喜祥,高川云,林瑋.  航空制造技術(shù). 2017(20)
[3]碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料表面激光選擇性消融預(yù)處理[J]. 李長(zhǎng)青,許藝,任攀,周雷.  中國(guó)表面工程. 2016(01)
[4]膠接技術(shù)在工程中的應(yīng)用[J]. 王舟.  機(jī)械工程與自動(dòng)化. 2012(01)
[5]航空航天復(fù)合材料應(yīng)用的最新進(jìn)展(英文)[J]. 唐見(jiàn)茂,李建龍.  航天器環(huán)境工程. 2010(05)
[6]復(fù)合材料膠接技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 喬海濤,鄒賢武.  宇航材料工藝. 2010(02)
[7]復(fù)合材料膠接工藝和膠接接頭內(nèi)應(yīng)力分析[J]. 沃西源,涂彬,夏英偉,房海軍.  航天返回與遙感. 2008(01)
[8]膠接結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料用于航空航天技術(shù)的發(fā)展[J]. 李欣,張曉妮,徐曉沐.  化學(xué)與黏合. 2006(03)

碩士論文
[1]基于激光表面處理的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠結(jié)修理研究[D]. 李俊磊.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 2016



本文編號(hào)：3348143