劉良威 胡晶晶 劉 錦 袁 野 陳 忠

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

文 摘 采用準(zhǔn)分子激光表面處理技術(shù)用于碳纖維復(fù)合材料膠接面的預(yù)處理，通過對(duì)照試驗(yàn)、顯微鏡觀察研究了表面處理方式、處理后清洗方式對(duì)膠接強(qiáng)度和離散系數(shù)的影響。結(jié)果表明：準(zhǔn)分子激光表面預(yù)處理技術(shù)用于處理碳纖維復(fù)合材料膠接表面能明顯提高其膠接強(qiáng)度，與砂紙打磨處理試片的膠接強(qiáng)度相當(dāng)，但采用準(zhǔn)分子激光處理的試片的膠接強(qiáng)度離散系數(shù)相對(duì)較小。

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是目前衛(wèi)星平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)材料，CFRP材料的連接技術(shù)主要有膠接和機(jī)械連接。機(jī)械連接能夠傳遞較大的載荷，但開孔會(huì)削弱材料強(qiáng)度，同時(shí)由于CFRP材料的各向異性，孔周圍將出現(xiàn)嚴(yán)重應(yīng)力集中；膠接對(duì)材料無(wú)損傷、不產(chǎn)生應(yīng)力集中，抗疲勞性能優(yōu)異、連接效率高、能獨(dú)立承載，已成為航天領(lǐng)域CFRP材料的主要連接技術(shù)［1-2］。

為保證CFRP材料膠接的強(qiáng)度和耐久性，必須對(duì)膠接面進(jìn)行表面預(yù)處理以增加膠黏劑與材料表面的粘接力。CFRP材料膠接面的預(yù)處理工藝按表面改性機(jī)理可劃分為兩大類：一類是以提高材料表面樹脂基團(tuán)活性為目的的表面改性工藝，包括化學(xué)處理、光處理等；另一類則是以提高表面潤(rùn)濕性為目的的表面粗糙化工藝，包括機(jī)械打磨、激光表面處理、等離子表面處理等。其中，激光表面處理技術(shù)既能使CFRP材料表面產(chǎn)生蝕除現(xiàn)象而形成微觀粗糙表面，又能通過潛在的光效應(yīng)改變CFRP材料表面樹脂基團(tuán)活性及碳纖維表面特性［3-4］。因此，激光表面處理技術(shù)被認(rèn)為是能夠?qū)崿F(xiàn)CFRP材料多種表面改性需求的技術(shù)手段。另外，CFRP材料的激光表面改性由于具有自動(dòng)化程度高、效率高（平面表面處理速度提升4倍以上）、工藝穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［5-6］。

早期針對(duì)CFRP材料的激光表面改性的研究大多使用的是近紅外（NIR）Nd：YAG激光和CO2激光，這類激光在進(jìn)行材料加工時(shí)，主要是通過光熱效應(yīng)產(chǎn)生高溫將材料激發(fā)到更高的振動(dòng)狀態(tài)，從而導(dǎo)致材料熔融繼而蒸發(fā)［7］，會(huì)在材料上產(chǎn)生明顯的熱影響區(qū)，導(dǎo)致樹脂材料的燒蝕破壞效應(yīng)、碳纖維熱分解效應(yīng)和熱-力聯(lián)合破壞效應(yīng)。準(zhǔn)分子激光是某些惰性氣體和鹵素氣體結(jié)合的混合氣體形成的分子在受到電子束激發(fā)時(shí)向其基態(tài)躍遷時(shí)產(chǎn)生的激光，具有輸出光子能量高、波長(zhǎng)短的特點(diǎn)。在采用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行CFRP材料表面處理時(shí)，激光器發(fā)出的紫外光子所具有的光子能要高于CFRP材料中樹脂分子的主要化學(xué)鍵結(jié)合能，因此能夠直接把樹脂分子激發(fā)到電子態(tài)，直至打斷分子的化學(xué)鍵，促使被加工區(qū)域瞬間產(chǎn)生原子或者分子碎片，產(chǎn)生爆炸性噴射而實(shí)現(xiàn)材料蝕除［8］。

目前，國(guó)外已有多家研究機(jī)構(gòu)開展了基于準(zhǔn)分子激光技術(shù)的CFRP材料表面改性相關(guān)研究工作。張運(yùn)海［9］利用波長(zhǎng)為248 nm的準(zhǔn)分子紫外激光對(duì)聚四氟乙烯（PTFE）進(jìn)行了表面改性和蝕除試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)激光照射過的PTFE材料表面粗糙度明顯增加，且粗糙程度與激光能量的關(guān)系很大。F.VOLKERMEYER［10］等采用1 064、532和266 nm三個(gè)波長(zhǎng)的激光分別對(duì)熱塑性樹脂和熱固性樹脂進(jìn)行了輻照試驗(yàn)，并探討了激光與樹脂材料的相互作用機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，266 nm的紫外激光在樹脂材料的作用機(jī)理與其它兩種波長(zhǎng)的激光顯著不同，由于單光子能量高，光化學(xué)蝕除使得化合鍵斷裂的幾率更高，熱損傷明顯降低。F.FISCHER等［4］對(duì)環(huán)氧和聚醚醚酮（PEEK）兩種樹脂材料在355 nm紫外激光輻照下的蝕除行為進(jìn)行了初步探討，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)分子激光處理后的CFRP材料表面不會(huì)產(chǎn)生分層及纖維損傷，原理圖見圖1，而CO2激光處理后的表面觀察到纖維絲破損、局部分層甚至燒蝕現(xiàn)象。

圖1 CFRP依次在準(zhǔn)分子激光輻照及膠接后碳纖維／樹脂界面層示意圖Fig.1 Schematic diagram of CFRP in the carbon fiber／resin interface layer after excimer laser irradiation and bonding

影響膠接強(qiáng)度的因素包括膠黏劑種類、固化壓力、膠接溫濕度、表面預(yù)處理方式等，因素眾多且影響程度不一。為減少變量，作者選擇衛(wèi)星常用結(jié)構(gòu)膠J-133膠在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，并利用膠接試片制作工裝保證恒定膠接固化壓力，主要研究準(zhǔn)分子激光預(yù)處理方式對(duì)膠接強(qiáng)度和膠接穩(wěn)定性的影響，并將其與傳統(tǒng)的打磨預(yù)處理等方式進(jìn)行對(duì)比，探索準(zhǔn)分子激光表面預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料膠接面預(yù)處理的工藝可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

T700-12K／環(huán)氧樹脂單向復(fù)合材料板，厚度為1.6 mm，上海晉飛有限責(zé)任公司；J-133膠，黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

準(zhǔn)分子激光處理系統(tǒng)，工作波長(zhǎng)355 nm，激光最大功率10 W，光斑直徑0.02 mm，大族激光；超聲波清洗機(jī)，SB25-12DTN；顯微鏡，Hirox KH-300；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，MTS-E45.105。

1.3 試驗(yàn)方法

試件準(zhǔn)備：將單向復(fù)合材料板沿0°方向加工為100 mm×25 mm×1.6 mm的試片，數(shù)量若干，膠接試片的制作按GB／T7124—2008《膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行。

粗糙化處理方式：分為砂紙打磨處理和準(zhǔn)分子激光表面處理。砂紙打磨表面處理方法參照GB／T21526—2008進(jìn)行，具體為使用200目砂紙對(duì)待膠面進(jìn)行橫向打磨直到表面都有均勻輕度劃痕，再縱向打磨直到橫向打磨的劃痕全部被磨去，再環(huán)向打磨直到上一步產(chǎn)生的劃痕全部被磨去且表面均勻［11］。準(zhǔn)分子激光表面處理含4種處理方向（圖2），處理方向是指激光點(diǎn)的掃描方向。

教師在教育教學(xué)實(shí)踐中要根據(jù)實(shí)際解決問題的需要，教師之間合作，圍繞課前、課中、課后三個(gè)教學(xué)情境，針對(duì)教材、課程、學(xué)生，通過“學(xué)案”這一載體改進(jìn)教學(xué)行為，提高課堂教學(xué)效率。為學(xué)生設(shè)計(jì)一種以學(xué)生好學(xué)為中心的教育體系，提倡先做后學(xué)、先學(xué)后教、以學(xué)定教的理念及課前預(yù)習(xí)或布置作業(yè)，小組合作學(xué)習(xí)、交流、討論小組代表進(jìn)行班級(jí)交流，教師進(jìn)行引導(dǎo)點(diǎn)撥。在課堂教學(xué)過程中，師生共同研究學(xué)習(xí)，開展教學(xué)活動(dòng)，教師圍繞知識(shí)點(diǎn)組織課堂教學(xué)、課內(nèi)探究、完成針對(duì)性練習(xí)并及時(shí)反思、合作交流討論，尋找利用學(xué)案教學(xué)提高課堂教學(xué)效率的最佳方法。

圖2 準(zhǔn)分子激光處理方向Fig.2 Excimer laser processing direction

表面清洗方式：主要分為超聲清洗和常規(guī)清洗。超聲清洗具體為將試片待膠面浸沒在無(wú)水乙醇溶劑中，超聲清洗30 min，然后用潔凈紗布蘸無(wú)水乙醇擦拭膠接面，置于潔凈處晾干；常規(guī)清洗具體為用潔凈紗布蘸無(wú)水乙醇擦拭膠接面，置于潔凈處晾干。膠接性能測(cè)試：按GB／T7124—2008《膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行。

表面顯微觀察：用顯微鏡對(duì)處理前后表面的狀態(tài)進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲清洗方式對(duì)膠接強(qiáng)度的影響

選用準(zhǔn)分子激光對(duì)碳纖維試片進(jìn)行0°／90°表面處理，在膠接前分別用超聲清洗和常規(guī)清洗，從圖3可以看出，采用超聲清洗法的試片膠接強(qiáng)度比采用常規(guī)清洗的試片強(qiáng)度提高約16%。這是由于超聲波清洗的主要原理是在液體中產(chǎn)生空化作用［12］，擊散物體表面的雜質(zhì)或削弱雜質(zhì)與物體之間的吸附作用，促使粉末與基材間加速脫離。試驗(yàn)表明：超聲波清洗能夠有力促進(jìn)粉末向溶劑中擴(kuò)散，增加表面清潔程度，提高膠接強(qiáng)度。

通過顯微鏡分別對(duì)激光處理后、超聲清洗和常規(guī)清洗的表面進(jìn)行觀察，從圖4（a）可見：激光處理后，將樹脂層去除的同時(shí)，會(huì)有纖維和樹脂粉末殘留在表面。從圖4（b）可見，采用常規(guī)清洗可以去除大部分表面殘留的碳纖維和粉末，但是會(huì)有殘留，而從圖4（c）可見，采用超聲清洗的表面潔凈，無(wú)粉末等殘留，所以，采用超聲清洗的試片的膠接強(qiáng)度顯著高于采用常規(guī)清洗法進(jìn)行清洗的試片。

圖3 清洗方式對(duì)膠接強(qiáng)度的影響（激光處理功率：4 W；處理方向：0°／90°）Fig.3 Effect of cleaning methods on bonding strength（laser processing power：4W；processing direction：0°／90°）

圖4 激光處理后不同清洗方式的膠接表面狀態(tài)對(duì)比圖Fig.4 After laser treatment，comparison of the morphology of the bonding interface with different cleaning methods

2.2 準(zhǔn)分子激光處理方向?qū)υ嚻z接強(qiáng)度的影響

由于準(zhǔn)分子激光掃描處理方式采用的是逐行掃描法，掃描處理方向?qū)Ρ砻嫣幚硇Ч赡苡幸欢ㄓ绊?，所以通過試驗(yàn)研究了準(zhǔn)分子激光處理方向?qū)δz接強(qiáng)度的影響。本項(xiàng)試驗(yàn)采用4 W 功率的準(zhǔn)分子激光分別對(duì)碳纖維試片進(jìn)行90°、0°、0°／90°和±45°進(jìn)行表面處理并經(jīng)過超聲清洗。從圖5可見，分別采用0°和90°掃描處理的膠接試片的強(qiáng)度較低，其中采用90°處理的試片強(qiáng)度只有25.79 MPa。采用0°／90°和±45°進(jìn)行表面處理的試片強(qiáng)度分別比采用90°掃描處理的膠接試片強(qiáng)度高28%和37%，且最佳的處理方向是±45°。

采用單方向掃描的的試片強(qiáng)度低，而采用了兩個(gè)方向處理的試片強(qiáng)度高，這是因?yàn)榻?jīng)過兩個(gè)方向掃描的試片表面存在交叉的高低處，根據(jù)機(jī)械結(jié)合理論，這相當(dāng)于增大了表面的膠接面積，所以會(huì)提高試片的膠接強(qiáng)度。

圖5 表面處理方向?qū)δz接強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of surface treatment direction on bonding strength

2.3 準(zhǔn)分子激光功率對(duì)膠接強(qiáng)度的影響

準(zhǔn)分子激光處理材料的功率是影響處理效果的主要參數(shù)之一，選用±45°激光處理方向研究不同的激光功率對(duì)膠接強(qiáng)度的影響。

選擇2～10 W 的準(zhǔn)分子激光進(jìn)行表面處理，然后進(jìn)行膠接強(qiáng)度的測(cè)試。從圖6可以看出，當(dāng)功率為2～8 W 時(shí)，CFRP的膠接強(qiáng)度隨著準(zhǔn)分子激光功率的增大而明顯增大，但是當(dāng)功率大于8 W 時(shí)，膠接強(qiáng)度上升不明顯。

圖6 激光功率對(duì)CFRP膠接強(qiáng)度的影響（激光處理方向：±45°；清洗方式：超聲清洗）Fig.6 Influnce of laser power on CFRP bonding strength（laser processing direction：±45°；clean method：ultrasonic cleaning）

當(dāng)界面處理不好或激光功率較低時(shí)，膠接界面強(qiáng)度低于膠黏劑或被粘接材料的強(qiáng)度，此時(shí)膠接接頭的膠接強(qiáng)度主要取決于膠接界面的強(qiáng)度，所以隨著準(zhǔn)分子激光功率的增大，界面強(qiáng)度增大，膠接強(qiáng)度增大；但是當(dāng)準(zhǔn)分子激光的功率達(dá)到一定值以后，膠接界面的強(qiáng)度已經(jīng)高于膠黏劑或被粘接材料的強(qiáng)度，此時(shí)膠接接頭的強(qiáng)度主要取決于膠黏劑和被粘接材料本身的強(qiáng)度，所以當(dāng)準(zhǔn)分子激光功率大于8 W 時(shí)，準(zhǔn)分子激光功率的增加不再使膠接接頭的強(qiáng)度升高。

圖7 膠接面示意圖Fig.7 Schematic of gluing interface

2.4 準(zhǔn)分子激光表面處理與打磨處理處理的膠接強(qiáng)度對(duì)比

從圖8可見，未進(jìn)行表面處理的試片的膠接強(qiáng)度最低，經(jīng)過打磨或準(zhǔn)分子激光處理過的試片強(qiáng)度大幅增加；2 W 功率激光處理的膠接試片強(qiáng)度為28.23 MPa，低于砂紙打磨的試片強(qiáng)度34.40 MPa，但CFRP的膠接強(qiáng)度隨著準(zhǔn)分子激光功率的增大而增大；當(dāng)準(zhǔn)分子激光的功率達(dá)到4 W 時(shí)，準(zhǔn)分子激光處理的強(qiáng)度與打磨的強(qiáng)度一致，當(dāng)準(zhǔn)分子激光的功率不小于6 W 時(shí)，激光處理的試片強(qiáng)度比打磨試片的膠接強(qiáng)度高11%以上。

圖8 表面處理方式對(duì)膠接強(qiáng)度的影響（清洗方式：超聲清洗）Fig.8 Influnce of surface treatment on bonding strength（clean method：ultrasonic cleaning）

通過顯微鏡觀察，未處理的膠接面平整光滑，而經(jīng)過砂紙打磨或準(zhǔn)分子激光處理的膠接面明顯比未處理表面的粗糙度大，根據(jù)機(jī)械聯(lián)鎖理論，被粘物表面的微觀不平度及微孔使膠黏劑與被粘物表面產(chǎn)生微觀機(jī)械鎖合效應(yīng)，可使膠接強(qiáng)度顯著提高，所以砂紙打磨和準(zhǔn)分子激光處理的試片膠接強(qiáng)度比未處理的試片強(qiáng)度高。另外，準(zhǔn)分子激光采用雙向處理，更有利于表面的微觀鎖合效應(yīng)，所以準(zhǔn)分子激光雙向處理比單向處理的膠接強(qiáng)度高。

2.5 表面處理方式對(duì)膠接強(qiáng)度離散系數(shù)的影響

相同表面處理參數(shù)條件下，用于評(píng)價(jià)膠接強(qiáng)度和離散系數(shù)的試片數(shù)量不少于5組。由圖10可見，不打磨的膠接試片的膠接強(qiáng)度離散系數(shù)最大，達(dá)到22.6%，其次是砂紙打磨經(jīng)常規(guī)清洗的膠接試件，離散系數(shù)為16.8%，然后為砂紙打磨經(jīng)超聲清洗的膠接試件，離散系數(shù)為9.8%，而采用準(zhǔn)分子激光處理的試片膠接強(qiáng)度離散系數(shù)為介于5.4%～9.9%。

離散系數(shù)代表膠接強(qiáng)度的一致程度，離散系數(shù)越小，膠接強(qiáng)度的一致性最好，質(zhì)量約可控。采用準(zhǔn)分子激光表面處理得到的試片膠接強(qiáng)度離散系數(shù)較小，這是由于采用準(zhǔn)分子激光表面處理相對(duì)人工砂紙打磨，參數(shù)可定量化，質(zhì)量一致性好。

由圖9（a）可見，復(fù)合材料表面主要是樹脂層，在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程引起材料表面的狀態(tài)不一致，而膠接強(qiáng)度對(duì)表面狀態(tài)變化是非常敏感的，所以未經(jīng)處理的膠接試片的膠接強(qiáng)度離散系數(shù)最大。

由圖9（b）（c）可見，打磨處理和準(zhǔn)分子激光表面處理的膠接面的一致性比未處理的要好，所以離散系數(shù)比未處理試片的膠接強(qiáng)度離散系數(shù)小很多；由于準(zhǔn)分子激光設(shè)備參數(shù)可定量化，比手工砂紙打磨得到的膠接表面的一致性好，所以采用準(zhǔn)分子激光處理的試片強(qiáng)度離散系數(shù)最小。

圖9 不同表面處理方式處理后的表面顯微圖Fig.9 Surface micrographs treated with different surface treatments

圖10 表面處理方式對(duì)膠接強(qiáng)度離散系數(shù)的影響Fig.10 Influnce of surface treatment methods on the coefficient of variation of bonding strength

3 結(jié)論

（1）準(zhǔn)分子激光處理后的試片，選用超聲清洗比常規(guī)清洗的膠接試片強(qiáng)度提高約16%。

（2）準(zhǔn)分子激光雙向處理比單向處理的膠接強(qiáng)度高，采用0°／90°和±45°進(jìn)行表面處理的試片強(qiáng)度分別比采用90°掃描處理的膠接試片強(qiáng)度高28%和37%。

（3）處理方向相同時(shí)，隨著準(zhǔn)分子激光功率的增大，膠接強(qiáng)度增大，但是當(dāng)準(zhǔn)分子激光的功率增大到一定值以后，激光處理功率的提高不再使膠接接頭的強(qiáng)度升高。

（4）準(zhǔn)分子激光采用兩個(gè)方向進(jìn)行處理的試片膠接強(qiáng)度與打磨處理試片的膠接強(qiáng)度差異不大，但是比未經(jīng)表面處理的試片的膠接強(qiáng)度提高約60%以上。

（5）準(zhǔn)分子激光處理的試片比打磨處理的試片膠接強(qiáng)度離散系數(shù)略低，顯著比未處理試片的膠接強(qiáng)度離散系數(shù)低，準(zhǔn)分子激光表面處理方法的工藝穩(wěn)定性最好。